數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

姚 楠，王偉超

（哈克（邯鄲）農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備制造有限公司，河北 邯鄲 056000）

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品在我國的地位日益提高，主要原因在于我國經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)提高以及國家改革步伐的加速，促使農(nóng)機(jī)產(chǎn)品獲得顯著發(fā)展。農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展還給人們的生活提供了極大的便利，推動(dòng)了其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)的發(fā)展少不了機(jī)械的支撐，但是機(jī)械在應(yīng)用實(shí)踐中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種無法預(yù)計(jì)的問題，由此影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。對(duì)此，農(nóng)業(yè)若想取得持續(xù)發(fā)展，就需要科學(xué)規(guī)劃農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，而農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要充分應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)中的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的概念與特征

1.1 概念

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用方向展開，完善功能構(gòu)成，在應(yīng)用階段降低故障出現(xiàn)的概率，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)也可以更加高效地處理。數(shù)字化設(shè)計(jì)觀念在農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)方面盡管使用周期不長(zhǎng)，但是獲得了較好成效，其設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，能依靠計(jì)算機(jī)處理的設(shè)計(jì)任務(wù)節(jié)約信息分析計(jì)算的所用時(shí)間。依靠計(jì)算機(jī)內(nèi)的功能系統(tǒng)，可以順利完成圖紙描繪，且基于系統(tǒng)虛擬來觀察運(yùn)轉(zhuǎn)過程的機(jī)械穩(wěn)固性，最后獲得的機(jī)械產(chǎn)品更加安全有效。

1.2 特征

數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一種應(yīng)用較為普遍的先進(jìn)科技，在具體使用過程中呈現(xiàn)出很多特征。1）數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為一個(gè)集中的設(shè)計(jì)模型，能夠被用于很多領(lǐng)域，而且適應(yīng)性較強(qiáng)，同時(shí)有較大的潛藏空間，這些潛藏空間能夠處理許多可能存在的弊端。2）數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多組共同運(yùn)轉(zhuǎn)的可能性，促使工作效率得到大幅度提升，并且，使用數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠節(jié)約大量時(shí)間及成本，從本質(zhì)上提升工作效率。3）因?yàn)樵摲N模型是集中的，所以能夠保證其設(shè)計(jì)效果。此外，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)能進(jìn)行模型虛擬處理，該技術(shù)也是完全借助計(jì)算機(jī)軟件來完成電腦合成的，能夠克服傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)實(shí)體模型的依賴性。因此，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于可節(jié)省成本與提升工作效率。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用熱點(diǎn)

在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)，數(shù)字化設(shè)計(jì)能夠起到非常關(guān)鍵的作用，但是要想實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造和數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的充分結(jié)合，相關(guān)人員還必須在技術(shù)、觀念上不斷創(chuàng)新。

2.1 CACD 技術(shù)

CACD 技術(shù)主要依靠現(xiàn)代設(shè)計(jì)的觀念而展開，機(jī)械設(shè)計(jì)模式存在一定的開放性，同時(shí)開發(fā)程序非常標(biāo)準(zhǔn)。就數(shù)字技術(shù)而言，其主要是在任務(wù)、概念、科技與施工等方面進(jìn)行了整體完善，進(jìn)而為整個(gè)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展生產(chǎn)大量?jī)?yōu)質(zhì)產(chǎn)品，且提出了一系列改進(jìn)技術(shù)?？傮w來講，以CACD 技術(shù)為主的產(chǎn)品包括概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品與構(gòu)型設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而概念設(shè)計(jì)重點(diǎn)負(fù)責(zé)編制方案內(nèi)容，構(gòu)型設(shè)計(jì)就是確定具體細(xì)節(jié)。這兩種技術(shù)的協(xié)同出現(xiàn)，對(duì)設(shè)備質(zhì)量、功能、成本與最后交貨期間做出了明確決定。

2.2 VP 技術(shù)

VP 技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵分支，獲得了人們的廣泛關(guān)注。VP 技術(shù)是基于CAX 等技術(shù)研發(fā)出來的，其把信息系統(tǒng)、先進(jìn)制造系統(tǒng)與先進(jìn)虛擬系統(tǒng)等用在復(fù)雜系統(tǒng)的整個(gè)壽命周期，且展開整體管理，從系統(tǒng)方面研究復(fù)雜系統(tǒng)，支撐“從上到下”的復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)方式。VP 技術(shù)是結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)資料和產(chǎn)品概念出現(xiàn)的，在功能、行為與感官特性等層面同物理原型盡量類似的能虛擬的計(jì)算機(jī)模型。VP 技術(shù)通過約10 年的發(fā)展，已能夠取代部分物理原型，在設(shè)備設(shè)計(jì)方面獲得了普遍應(yīng)用。

2.3 KBE 技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)中KBE 的應(yīng)用越來越普遍。現(xiàn)代設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的差別是因?yàn)槭袌?chǎng)、競(jìng)爭(zhēng)與技術(shù)發(fā)展環(huán)境的改變，更為依賴對(duì)新知識(shí)的獲得，而非依靠經(jīng)驗(yàn)。在AI技術(shù)與KBE 等方面產(chǎn)生的依靠框架、設(shè)計(jì)、模型以及本體等諸多建模技術(shù)知識(shí)，目的在于獲得計(jì)算機(jī)自動(dòng)推理知識(shí)，提升計(jì)算機(jī)自動(dòng)服務(wù)水平[1]。針對(duì)新知識(shí)的獲得，一般有以下幾個(gè)來源：現(xiàn)有知識(shí)及市場(chǎng)數(shù)據(jù)、數(shù)字虛擬和仿真現(xiàn)實(shí)、物理模型測(cè)試、樣機(jī)測(cè)試、現(xiàn)有產(chǎn)品工作表現(xiàn)。

3 數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的具體應(yīng)用

3.1 農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的革新

為加快國家工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，必須注重農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)完善。比如，最早使用的拖拉機(jī)的功率分布有很多弊端，整個(gè)市場(chǎng)基本均是低功率的拖拉機(jī)，極少出現(xiàn)高功率的拖拉機(jī)，這樣將直接制約整個(gè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；為改善這種狀況，如今出現(xiàn)了很多依靠數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。又如，數(shù)字化同步器和動(dòng)力換擋搭配靜液壓傳動(dòng)的全新拖拉機(jī)，在具體生產(chǎn)階段能夠直接顯示相關(guān)生產(chǎn)信息，且可與最早的信息資料相比較[2]。在操控方面，其系統(tǒng)更加靈活，操作性較強(qiáng)，而且附著單獨(dú)的操控面板與操控機(jī)構(gòu)，進(jìn)而使操控效果更加凸顯。從總體上來說，在革新農(nóng)機(jī)產(chǎn)品時(shí)，可以從技術(shù)掃描、技術(shù)研究與材料優(yōu)選角度著手，借助最新的數(shù)字系統(tǒng)使之具備更好的知識(shí)表達(dá)能力。因此，不管是數(shù)據(jù)創(chuàng)建或者組織應(yīng)用，均有較好的成效，可以充分結(jié)合決策技術(shù)與知識(shí)表達(dá)。

3.2 VR 技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前，VR 技術(shù)已被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，充分突出了VR技術(shù)的學(xué)術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)制造中，VR 技術(shù)也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果，可以結(jié)合三維影像、影音資源和多媒體等，讓設(shè)計(jì)師更好地根據(jù)個(gè)人想法創(chuàng)建出對(duì)應(yīng)的情景，為用戶帶來良好體驗(yàn)，使其產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。就我國來講，VR 技術(shù)主要被應(yīng)用于大型設(shè)備中，由此模擬設(shè)備的一些特殊性能逐漸完善結(jié)構(gòu)與性能[3]，而且其創(chuàng)建的數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)能夠加速設(shè)備投放速度，提高使用效果，讓大量使用者直接知道其優(yōu)點(diǎn)所在，掌握其結(jié)構(gòu)性能。另外，國外依靠VR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品涉及的技術(shù)較多，最常見的就是增強(qiáng)可視化系統(tǒng)內(nèi)容，重點(diǎn)以CAD 為主，獨(dú)立創(chuàng)建一個(gè)功能性模型，且借助模型輸入形式，將之傳送至VR環(huán)境中，完成增強(qiáng)產(chǎn)品的目標(biāo)。比如，在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品中存在特殊的VR 頭盔顯示儀，透過屏幕便可以讓操作人員直接產(chǎn)生操控體驗(yàn)；其內(nèi)在的VR－CAD 軟件也可以融入虛擬環(huán)境中的輔助設(shè)計(jì)，由此全面完善大型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式與功能效果[4]。從整體來講，在國外這種技術(shù)已發(fā)展得相當(dāng)成熟，創(chuàng)建了特殊的體系。然而，我國相應(yīng)的研究依舊處于起步期間，農(nóng)村還沒有廣泛應(yīng)用該技術(shù)，理論與技術(shù)模式均有很多不足。同時(shí)，依靠農(nóng)業(yè)教學(xué)自身產(chǎn)生的“機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)”也具有較高的使用率，在演示產(chǎn)品時(shí)使用了大量的設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，較為普遍的是拆裝教學(xué)內(nèi)容、運(yùn)行原理內(nèi)容與故障檢測(cè)內(nèi)容等。其中，拆裝教學(xué)內(nèi)容主要使用了VR 軟件，讓操作人員戴上VR 頭盔，遠(yuǎn)距離觀察演示說明，掌握怎樣準(zhǔn)確拆裝農(nóng)業(yè)機(jī)械。比如，小麥聯(lián)合收割機(jī)的各項(xiàng)功能可以依靠VR 技術(shù)得到體現(xiàn)，包含內(nèi)部構(gòu)造、拆裝訓(xùn)練與原理展示等。當(dāng)下農(nóng)場(chǎng)的具體原型經(jīng)在Unity 系統(tǒng)上的積極研發(fā)，能創(chuàng)建虛擬可視化系統(tǒng)[5]。此外，還可以基于VR技術(shù)把設(shè)備的操作與拆卸都呈現(xiàn)出來，使操作人員按照實(shí)際情況嘗試多次練習(xí)，提高自身操作技能與應(yīng)用水平。正因如此，促使農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造更充滿數(shù)字化特征。

3.3 注重機(jī)械協(xié)同設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)產(chǎn)品制造單位正處于新的商業(yè)環(huán)境中，如設(shè)備定制需求增加，跨部門以及跨企業(yè)協(xié)同展開設(shè)備設(shè)計(jì)和制造等，因此機(jī)械設(shè)計(jì)制造協(xié)同屬于現(xiàn)代企業(yè)迎合全新商業(yè)環(huán)境的重要途徑，還是國家發(fā)展農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)以及整個(gè)機(jī)械產(chǎn)業(yè)所發(fā)展的趨勢(shì)。估計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)達(dá)國家制造單位在新產(chǎn)品研發(fā)階段通常有40%～70%的工作是和其他企業(yè)或合作伙伴共同完成的。怎樣從大量的產(chǎn)品資源中挑選適當(dāng)?shù)馁Y源，這可通過現(xiàn)有知識(shí)庫內(nèi)的搜索算法實(shí)現(xiàn)。雖然像PTC 企業(yè)這種把全部的資源均融進(jìn)自身的服務(wù)器的方法在搜索算法方面實(shí)現(xiàn)得比較簡(jiǎn)單，但是當(dāng)前在我國并不現(xiàn)實(shí)[6]。對(duì)此，供貨商可在自身的服務(wù)器上供應(yīng)配件的資源數(shù)據(jù)。農(nóng)機(jī)產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)發(fā)展階段中一直處在非常關(guān)鍵的位置，把數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)融進(jìn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)是轉(zhuǎn)變農(nóng)機(jī)制造形式，用新科技改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，支撐新興農(nóng)業(yè)科技，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵途徑。

3.4 環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用

如今，我國農(nóng)業(yè)慢慢朝著環(huán)境友好型方向轉(zhuǎn)變，對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)提出了更高的要求。利用數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠明顯提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的節(jié)能效果，彰顯其環(huán)保能力，減少能源的總體消耗，為企業(yè)創(chuàng)造大量收益。通常情況下，環(huán)保技術(shù)能夠以仿真實(shí)驗(yàn)的形式實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過技術(shù)調(diào)整設(shè)計(jì)出新型的環(huán)保型的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

機(jī)械產(chǎn)品制造創(chuàng)新速度不斷加快，使數(shù)字化系統(tǒng)在人們的生活及生產(chǎn)活動(dòng)方面起到了越來越重要的作用，使用范圍也不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已經(jīng)變成人們實(shí)際生活中必不可少的關(guān)鍵部分。在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造方面，數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的使用明顯提高了生產(chǎn)與修整效率，既保障了生產(chǎn)效率，也保障了制造質(zhì)量，使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得全面改善。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)過程中應(yīng)積極嘗試應(yīng)用KBE 技術(shù)、VP 技術(shù)、CACD技術(shù)，通過現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的不足。