CAD/CAM在新型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化中的應(yīng)用及發(fā)展分析

李鵬飛 ，秦亞凡 ，趙 朔

（華北理工大學(xué)，河北 唐山 063210）

CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）和CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）是20世紀(jì)60年代興起的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，主要依靠計(jì)算機(jī)、軟件和各種外圍設(shè)備進(jìn)行工作，囊括二維平面圖形設(shè)計(jì)、二維幾何圖形設(shè)計(jì)、數(shù)控加工編程、有限元分析、仿真模擬以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容。CAD/CAM技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展普及，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域。CAD主要利用計(jì)算機(jī)及其圖形處理能力幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。CAM則主要利用計(jì)算機(jī)輔助整合從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造的整個(gè)流程活動(dòng)[1]。相較于煩瑣的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，CAD技術(shù)能夠大幅度提升整個(gè)企業(yè)的設(shè)計(jì)效率，易于優(yōu)化更改方案的特點(diǎn)，縮短了設(shè)計(jì)周期。CAM技術(shù)將計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)過(guò)程和制造設(shè)備聯(lián)系到一起，統(tǒng)一了整個(gè)生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化，大大減少了人力成本和管理費(fèi)用。

1 我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)狀

1）從效率方面來(lái)看，目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化率還有待提高，截至2018年年底，多項(xiàng)農(nóng)作物產(chǎn)品種植、施肥、收獲機(jī)械化率均未到25%，因國(guó)產(chǎn)變速箱、后橋等必要設(shè)施故障頻發(fā)，故障率極高，直接影響了農(nóng)業(yè)機(jī)械的利用效率和使用頻率。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與收獲時(shí)間有限，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)間較短，使用率較低的情況下更易導(dǎo)致零部件的老化和損耗，同時(shí)也因?yàn)樽鳂I(yè)時(shí)間較短，迭代頻率與其他機(jī)械相比持續(xù)走低，智能化效率也難以提升。

2）從創(chuàng)新性方面來(lái)看，國(guó)產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械主要以中小型為主，低端、低質(zhì)量產(chǎn)品較多，國(guó)外持續(xù)發(fā)展大型、寬幅和高效的農(nóng)業(yè)機(jī)械。國(guó)產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造者為追求更高的使用效率，一味地創(chuàng)新和發(fā)展高馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)，而液壓系統(tǒng)、底盤(pán)技術(shù)、加工工藝等多方面無(wú)法和高馬力設(shè)備匹配。另外，不斷復(fù)制低端、低智能產(chǎn)品，創(chuàng)新發(fā)展不夠，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中還存在著個(gè)別配件創(chuàng)新極端的問(wèn)題，國(guó)家大力提倡科技創(chuàng)新在一定程度上改變了這一狀態(tài)。但和其他機(jī)械相比、和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新性仍有很大的不足。

3）從購(gòu)買(mǎi)指向性來(lái)看，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民平均年齡為41.7歲，文化程度較低，即使近年來(lái)不斷有社會(huì)各界下鄉(xiāng)普及知識(shí)，但對(duì)于智能化程度較高的農(nóng)業(yè)機(jī)械仍需具備一定文化素養(yǎng)才能操作，農(nóng)民的購(gòu)買(mǎi)需求指向性為實(shí)用性、價(jià)廉性和簡(jiǎn)便性。我國(guó)目前主要生產(chǎn)中小型農(nóng)業(yè)機(jī)械，國(guó)產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械還存在很多弊端，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械主要以進(jìn)口為主，價(jià)格較高，不符合農(nóng)民的購(gòu)買(mǎi)指向性?，F(xiàn)如今農(nóng)民更傾向于購(gòu)買(mǎi)簡(jiǎn)便性更高的聯(lián)合收割機(jī)，但由于每年作業(yè)時(shí)間較短，更新?lián)Q代所需時(shí)間較長(zhǎng)，更加智能的農(nóng)業(yè)機(jī)械不符合農(nóng)民的購(gòu)買(mǎi)指向性和可用性。

2 CAD/CAM技術(shù)在新型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中的應(yīng)用

2.1 CAD在三維設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)零部件中的應(yīng)用

在三維CAD設(shè)計(jì)建模下，可以對(duì)農(nóng)機(jī)的常用零部件進(jìn)行直觀的機(jī)構(gòu)分析，避免了由于二維圖設(shè)計(jì)不精確而造成實(shí)物拆卸的情況，縮短了設(shè)計(jì)周期。在設(shè)計(jì)耕整機(jī)械時(shí)，常常因?yàn)槠湫吞?hào)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境不同而出現(xiàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量不佳的情況，從而影響企業(yè)效益。具體而言，按耕地機(jī)械劃分，可分為耕整機(jī)、微耕機(jī)、田園管理機(jī)、淺耕深松機(jī)等；按整地機(jī)械劃分，可分為懸耕機(jī)、滾軋耙、鎮(zhèn)壓器等。在CAD三維設(shè)計(jì)中，雖然各型號(hào)的耕整機(jī)械零部件種類(lèi)參數(shù)不同，但其所實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品功能基本一致，故CAD三維設(shè)計(jì)更有利于播種機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊參數(shù)設(shè)計(jì)，更有助于縮短產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)周期，從而減少設(shè)計(jì)制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2.2 CAD在現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)普及教學(xué)中的應(yīng)用

CAD技術(shù)具有直觀的表達(dá)方式，可以實(shí)現(xiàn)3D構(gòu)件的展示，容易被各個(gè)領(lǐng)域想要了解農(nóng)機(jī)的人們理解，在教學(xué)和農(nóng)機(jī)普及中體現(xiàn)出了十分顯著的利用價(jià)值。對(duì)于二維圖表達(dá)十分復(fù)雜的零件，通過(guò)CAD軟件可以靈活地用半剖視圖、全剖視圖對(duì)零件進(jìn)行合理表達(dá)，還可以對(duì)作業(yè)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化起到了不可或缺的作用[3]。

2.3 CAM技術(shù)在農(nóng)機(jī)裝備制造中的應(yīng)用

在農(nóng)機(jī)裝備制造中，CAM計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)零部件的切削加工，在各類(lèi)零部件中，軸承類(lèi)零件、發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)零件等受其作用尤其突出。

2.3.1 軸承類(lèi)零件

軸承類(lèi)零件大多數(shù)是回轉(zhuǎn)體的圓形表面，這些零件表面具有短而薄的特點(diǎn)，這些零件必須在各種天氣條件下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，在各種極具挑戰(zhàn)的情況下運(yùn)行，需要滿足使用壽命長(zhǎng)、耐潮濕腐蝕、高壓工況下持久耐用的要求[4]。因此，要求對(duì)零件進(jìn)行精密加工，利用CAM計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)能夠有效地滿足加工時(shí)對(duì)零件的各種要求。農(nóng)機(jī)中常用的為球類(lèi)軸承，此類(lèi)軸承既要承受徑向力，同時(shí)也要承受軸向力。由此產(chǎn)生的變形對(duì)于零件有著更高的精度要求，而CAM數(shù)控加工技術(shù)可以有效滿足這些零件所要求的細(xì)節(jié)，有效保證了該類(lèi)零件的使用期望。

2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)零件

農(nóng)機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障的成因按照特點(diǎn)分類(lèi)可分為磨損性故障、錯(cuò)用性故障、固有薄弱性故障。其中，磨損性故障和固有薄弱性故障只能通過(guò)使用性能更好的材料以及改善發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)才能解決[5]。而在加工復(fù)合材料等難加工的材料時(shí)，CAM輔助加工制造技術(shù)則可以在保證精度的同時(shí)，對(duì)一些使用普通手段難以加工的有復(fù)雜腔壁的零件實(shí)現(xiàn)充分加工，精準(zhǔn)切割，解決精度控制的問(wèn)題，有效避免由于機(jī)械加工產(chǎn)生的瑕疵。此外，利用CAM技術(shù)輔助加工時(shí)，還可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中易磨損的零件進(jìn)行模塊化生產(chǎn)，減小維修壓力，縮短維修時(shí)間，使發(fā)動(dòng)機(jī)零件的生產(chǎn)變得高效化、低成本化。

2.3.3 懸掛類(lèi)零件

在農(nóng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行掛接與升降的過(guò)程時(shí)，需要懸掛裝置來(lái)進(jìn)行工作。對(duì)于懸掛類(lèi)裝置，一是要保證連桿位置可以滿足國(guó)家規(guī)定的相關(guān)要求，二是要保障在運(yùn)行過(guò)程中牽引裝置與不同的農(nóng)具接口有著一定的互換性，使得農(nóng)機(jī)在運(yùn)行中有穩(wěn)定的牽引力。這就需要有關(guān)人員利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，將擺動(dòng)幅度控制在有效范圍內(nèi)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)活動(dòng)桿的應(yīng)力、強(qiáng)度以及剛度的精確分析，來(lái)設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)載荷的結(jié)構(gòu)，從而提高機(jī)械作業(yè)的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)加工技術(shù)中，無(wú)法滿足新型農(nóng)機(jī)設(shè)備懸掛系統(tǒng)中懸掛與眾多電子元件、傳感器等擴(kuò)展部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配合加工需求，而通過(guò)數(shù)控加工進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用，即可有效配合產(chǎn)品的各種加工需求。

3 CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 CAD/CAM在農(nóng)機(jī)制造的應(yīng)用特點(diǎn)

一直以來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)都偏向于采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法，所以已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于汽車(chē)、航天、數(shù)控機(jī)床等行業(yè)，而我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)制造又存在設(shè)計(jì)重復(fù)度高、生產(chǎn)規(guī)模分散、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題[6]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械為了適應(yīng)各種地形和農(nóng)作物，有著大量不同的型號(hào)和結(jié)構(gòu)類(lèi)型，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)大多比較穩(wěn)定，復(fù)雜程度也比較低。對(duì)于不同農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)周期，農(nóng)業(yè)機(jī)械也只能選擇在特定時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步延長(zhǎng)了農(nóng)機(jī)的開(kāi)發(fā)周期。從當(dāng)前的情況來(lái)看，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)近些年效益不佳，導(dǎo)致大多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)對(duì)CAD/CAM等新技術(shù)的引進(jìn)應(yīng)用也持保守態(tài)度，沒(méi)有足夠的經(jīng)濟(jì)實(shí)力將新技術(shù)引進(jìn)并投入到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)中。

引進(jìn)應(yīng)用CAD/CAM等新技術(shù)具有諸多益處，可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化程度，大幅度縮短農(nóng)業(yè)機(jī)械的開(kāi)發(fā)周期，并節(jié)約成本。在一些零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以使用軟件對(duì)二維圖形進(jìn)行工程圖紙的繪制，再根據(jù)圖形參數(shù)利用三維圖形軟件進(jìn)行零件的三維圖形設(shè)計(jì)。根據(jù)生成的模型形狀和數(shù)控機(jī)床刀具的各種參數(shù)，得到完整的零件加工軌跡[7]。

3.2 CAD/CAM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械的加工設(shè)計(jì)中主要通過(guò)二維的軟件繪圖來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖，一直以來(lái)，傳統(tǒng)手工繪圖都是影響機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率的因素之一，傳統(tǒng)繪圖依賴于設(shè)計(jì)人員的多方面溝通交流，其中修改和繪圖占據(jù)了絕大部分時(shí)間，非常影響設(shè)計(jì)效率。而圖形程序庫(kù)對(duì)于尺寸參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整提高了設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量和效果，三維立體空間造型也保證了小型零件的加工精度。在CAD/CAM技術(shù)的輔助下，整個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造流程將會(huì)變得十分可控，設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)人員可以運(yùn)用自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和判斷能力來(lái)控制整個(gè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程，一旦發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，可以立即采取有效措施予以糾正[8]。

目前，CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)應(yīng)用方面普遍存在規(guī)模小、人才短缺、創(chuàng)新能力弱、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。二維制圖能力薄弱，三維技術(shù)應(yīng)用不足，導(dǎo)致許多農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)仍然無(wú)法利用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械企業(yè)迫切需要CAD/CAM技術(shù)的具體支持，以達(dá)到開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、縮短研發(fā)周期、節(jié)約生產(chǎn)成本的目的[9]。

4 CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展前景

按照規(guī)劃，到2035年我國(guó)將實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全程全面機(jī)械化，而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全程全面機(jī)械化也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化目標(biāo)的基礎(chǔ)。

隨著CAD/CAM輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)不斷被應(yīng)用到各種農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及工藝加工之中，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的原理分析、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、基本繪制和分析都有著極大的輔助作用。而近年來(lái)隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD/CAM輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)能夠更好地?cái)M合數(shù)據(jù)分析曲線并進(jìn)行對(duì)比，對(duì)力的分析和更加節(jié)約能源的建構(gòu)方法進(jìn)行模擬，達(dá)到更高的數(shù)據(jù)分析要求，這將在很大程度上降低性能成本、完善設(shè)計(jì)的工藝性，輔助農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性和完全性的發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械主要以進(jìn)口為主，而CAD/CAM輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)的大范圍普及會(huì)在很大程度上幫助國(guó)內(nèi)推進(jìn)大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)與創(chuàng)新，提高中小型農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化程度和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中通過(guò)數(shù)據(jù)擬合能夠直接降低故障率，同時(shí)降低生產(chǎn)成本[10]。通過(guò)材料與加工工藝的改進(jìn)，生產(chǎn)更加綠色環(huán)保的農(nóng)業(yè)機(jī)械，將CAD/CAM技術(shù)與液壓及電器控制相結(jié)合，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平和生產(chǎn)效率。未來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械將朝著更加機(jī)械化、智能化、綠色化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，更加貼合可持續(xù)發(fā)展的理念和目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造行業(yè)對(duì)于計(jì)算機(jī)智能制造方面的要求逐漸提高，行業(yè)自動(dòng)化水平大幅提升，CAD/CAM技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展中起到了顯著的解放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的作用。由普通制造轉(zhuǎn)為智能制造是我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造領(lǐng)域的一次重要的產(chǎn)業(yè)變革，增強(qiáng)了我國(guó)在世界農(nóng)業(yè)機(jī)械制造行業(yè)的影響力。然而目前我國(guó)與國(guó)際頂尖的農(nóng)業(yè)機(jī)械制造水平仍有一定的距離，應(yīng)該積極推動(dòng)新技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造行業(yè)的廣泛應(yīng)用，抓住良好的發(fā)展契機(jī)，提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全程全面機(jī)械化。