基于計算機輔助系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械設(shè)計應(yīng)用

張 佩

（西安理工大學(xué)高科學(xué)院，陜西 西安 713700）

由于農(nóng)業(yè)機械零部件更新快，傳統(tǒng)的設(shè)計不僅效率低，耗時長，還難以保證設(shè)計質(zhì)量。隨著計算機技術(shù)的日益成熟，將計算機輔助系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中，將促使農(nóng)業(yè)機械設(shè)計技術(shù)與設(shè)計內(nèi)容的創(chuàng)新與變革。一方面，利用計算機輔助系統(tǒng)可以有效地提高農(nóng)業(yè)機械設(shè)計效率，在農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，利用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，能夠根據(jù)產(chǎn)品的信息進行精細的繪圖，并通過三維立體方式，將零部件的形狀、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)和相關(guān)的參數(shù)顯示出來，使得農(nóng)機產(chǎn)品的設(shè)計工作變得更加簡單高效；另一方面，為了保證農(nóng)業(yè)機械設(shè)計產(chǎn)品的規(guī)格與預(yù)期要求相符，還需要用計算機輔助系統(tǒng)進行調(diào)整和修改，以保證與實際標準一致。因此，計算機輔助系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中發(fā)揮著十分重要的作用。

1 計算機輔助系統(tǒng)概述

計算機輔助系統(tǒng)（Computer-aided system）是應(yīng)用計算機完成各種任務(wù)的系統(tǒng)的總稱。計算機輔助系統(tǒng)主要包括計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助測試（CAT）、計算機輔助教學(xué)（CAI）、計算機輔助翻譯（CAT）、計算機集成制造（CIMS）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計方式也顯得愈發(fā)重要[1]。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中，運用計算機輔助系統(tǒng)，能夠減少產(chǎn)品設(shè)計周期，加快產(chǎn)品生產(chǎn)速度，提高設(shè)計者的工作效率。

2 計算機輔助系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國多數(shù)的大型農(nóng)機制造企業(yè)都在不同程度地應(yīng)用計算機輔助系統(tǒng)來進行農(nóng)業(yè)機械設(shè)計[2]。其中，計算機二維交互式繪圖軟件的使用較為普遍，利用二維交互式繪圖軟件，可以實現(xiàn)圖紙、圖表、文檔的計算機管理。同時，在AutoCAD 二次開發(fā)上，部分農(nóng)機科研工作者采用ADS 程序?qū)崿F(xiàn)了對聯(lián)合收割機械的割臺CAD 系統(tǒng)的研制。農(nóng)業(yè)機械行業(yè)計算機輔助技術(shù)已經(jīng)由單一的計算機輔助系統(tǒng)發(fā)展到面向網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用技術(shù)。但也存在著一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是一些中小型農(nóng)機設(shè)計企業(yè)沒有充分利用計算機輔助系統(tǒng)，未能意識到計算機輔助系統(tǒng)的重要性。在推進計算機輔助系統(tǒng)的過程中，必須要有足夠的人才和設(shè)備，而中小型農(nóng)機企業(yè)資金和人員有限并且對計算機輔助系統(tǒng)的認識不足，這使得計算機輔助系統(tǒng)難以充分發(fā)揮其自身的作用[3]。二是許多農(nóng)機企業(yè)僅僅把計算機輔助系統(tǒng)作為一種工具來使用，導(dǎo)致計算機輔助技術(shù)還處在發(fā)展的初期，還沒有真正發(fā)揮計算機輔助技術(shù)功能。三是將計算機輔助系統(tǒng)用于農(nóng)機設(shè)計時，還停留在二維水平，在發(fā)展三維技術(shù)上還不夠完善。四是部分農(nóng)機企業(yè)未實施計算機輔助系統(tǒng)的圖文文件管理，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中無法進行統(tǒng)一的管理與配置，嚴重制約了系統(tǒng)中信息與數(shù)據(jù)的交互，阻礙了計算機輔助系統(tǒng)的推廣。

3 計算機輔助系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的優(yōu)勢

3.1 提高設(shè)計效率

采用計算機輔助系統(tǒng)中的三維技術(shù)進行農(nóng)用機械設(shè)計，可以更好地反映出復(fù)雜的幾何形狀。應(yīng)用布爾運算等軟件實現(xiàn)了對復(fù)雜的幾何實體求解，并自動生成交叉線和相貫線，從而降低了設(shè)計工作的勞動量和時間，提高了工作效率。在應(yīng)用計算機輔助系統(tǒng)進行農(nóng)業(yè)機械設(shè)計時，若是想設(shè)計出新的機械產(chǎn)品，設(shè)計師僅需要設(shè)計部分新的零件即可，其余的可以應(yīng)用已有的資料進行設(shè)計，大大降低了設(shè)計的難度，提高了設(shè)計效率[4]。此外，計算機輔助系統(tǒng)具有很好的變形設(shè)計功能，能夠迅速地進行結(jié)構(gòu)化功能設(shè)計，從而獲得一種新型的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品。以農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中的小底盤為例，可以采用計算機輔助技術(shù)進行三維仿真和結(jié)構(gòu)的設(shè)計，依據(jù)工件的定位，設(shè)定坐標系統(tǒng)，并按坐標進行組裝，設(shè)計好變形參數(shù)，然后再通過計算機輔助系統(tǒng)變形，便可設(shè)計出符合大型農(nóng)用機械設(shè)備所需的大底盤。通過計算機輔助系統(tǒng)，改進了農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的總體穩(wěn)定性和操作性，并且在精細的參數(shù)下進行設(shè)計，提高了設(shè)計效率。

3.2 便于零件設(shè)計與修改

應(yīng)用計算機輔助系統(tǒng)設(shè)計，可以在裝配條件下設(shè)計新零件，并能針對鄰近零件的形狀、位置等設(shè)計新零件，使得操作更加方便、快捷，并保證了新零件與鄰近零件的相互結(jié)合，降低了因設(shè)計而造成的誤差性和不相容性。比如，在農(nóng)機設(shè)備組裝的過程中，可以快速準確地按照箱體的外形和特殊要求，設(shè)計出滿足要求的箱蓋。在機械部件的外形設(shè)計完畢后，系統(tǒng)會將所有的零部件都顯示在資源查找器中，然后點擊相關(guān)的指令，就可以知道零部件的詳細操作[5]。若是想重放，可點擊資源查找器中的回放功能，整個零件建模的流程都會以動態(tài)的方式呈現(xiàn)出來，增強了過程的透明度。此外，在修改零部件時，可以使用資源查找器的某個指令來完成，只要點擊所要修改的零部件即可。

3.3 保證農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量

應(yīng)用計算機輔助設(shè)計和 CIMS 技術(shù)，能夠優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械設(shè)計結(jié)構(gòu)，分析制圖數(shù)據(jù)，并進行快速檢索，保證農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量[6]。此外，一些大型農(nóng)機企業(yè)的數(shù)控技術(shù)越來越成熟，與計算機輔助設(shè)計相結(jié)合，可以很好地解決機器部件的制造問題，從而改善了農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的使用品質(zhì)。采用三維機械設(shè)計，不僅能準確地描繪物體的尺寸、位置、形狀等特征，而且還能提供物體體積、紋理、顏色、慣性、重心等信息，以刻畫物體的形狀，使其更加真實、準確、全面地表達出設(shè)計者的思想和目的。

4 計算機輔助系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應(yīng)用

4.1 農(nóng)業(yè)機械模型構(gòu)造設(shè)計

計算機輔助系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機械模型構(gòu)造設(shè)計中得到了較為廣泛的應(yīng)用。首先，應(yīng)用計算機輔助設(shè)計，將農(nóng)機零部件進行歸類，分析結(jié)構(gòu)，選出零部件特征，構(gòu)建農(nóng)機零部件的特征庫，并對其進行賦值，判定好位置，最終形成以特性為基礎(chǔ)的農(nóng)機零部件參數(shù)化建模。在建立了實物建模后，利用計算機輔助設(shè)計中的特性模組設(shè)計清單，將各部件的功能全部顯示出來[7]。在對復(fù)雜模型進行參數(shù)命名時，名稱應(yīng)易于理解，并在需要的時候加上一個簡短的注解。將所確定的參數(shù)錄入到設(shè)計列表的“輸入部分”中，然后在“關(guān)聯(lián)”區(qū)域內(nèi)，確定部件的相應(yīng)大小。此外，在“關(guān)聯(lián)界定”中，對相同部件之間的不同尺度進行界定，并對其進行相應(yīng)的調(diào)整和設(shè)計。利用計算機輔助設(shè)計中的參數(shù)化建模技術(shù)，能夠?qū)r(nóng)業(yè)機械模型構(gòu)造設(shè)計進行建模，極大地提升了工作速度，改善農(nóng)機產(chǎn)品的視覺效果，完成產(chǎn)品的組裝，是一種節(jié)省時間、提高效率的農(nóng)業(yè)機械設(shè)計途徑。

4.2 犁體設(shè)計

犁是一種用來耕種、翻土的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備。犁體的設(shè)計存在著一定的復(fù)雜性，如果使用傳統(tǒng)的手工方式進行設(shè)計，很難保證設(shè)計的準確性和效率[8]。而計算機輔助系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大提高犁體設(shè)計的效率和質(zhì)量。犁體設(shè)計主要采用的是三維制圖思維，所以它的三維建模更加逼真直接，仿真效果要比傳統(tǒng)的人工繪制好得多。首先，通過CAD 軟件來設(shè)計草圖，讓設(shè)計師更加清晰地了解犁體的結(jié)構(gòu)和外形，在設(shè)計過程中，可以隨時調(diào)整和修改犁體草圖，以適應(yīng)使用者的需求和反饋。當(dāng)設(shè)計師難以確定犁體是否能在不同地形上作業(yè)時，他們可以使用CAD 軟件進行數(shù)值分析，并通過模擬測試來找出犁體存在的缺陷，從而優(yōu)化設(shè)計方案。其次，應(yīng)用FEA（有限元分析），幫助設(shè)計師評估犁體的強度和剛度，并確定合適的材料和結(jié)構(gòu)[9]。再次，運用VR（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）幫助設(shè)計師進行可視化設(shè)計，提供實際尺寸和比例，讓設(shè)計者更好地感受設(shè)計的效果。最后，應(yīng)用CAM（計算機輔助制造）幫助制造商生成機器切割路徑，并指導(dǎo)操作人員使用設(shè)備和工具。此外，CAM 還可以幫助制造商制定生產(chǎn)計劃和加工步驟，以確保生產(chǎn)過程的高效性和可靠性。

4.3 旋耕機設(shè)計

旋耕機是一種用途范圍非常廣泛的農(nóng)用機械設(shè)備，旋耕機的設(shè)計需要考慮多方面因素，如工作寬度、深度、速度等，這就給設(shè)計師帶來了很大的難度。因此，計算機輔助系統(tǒng)在旋耕機設(shè)計中也越來越受到關(guān)注[10]。首先，機體結(jié)構(gòu)是旋耕機最基本的組成部分。一個好的旋耕機機體結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備強度高、耐用、重量輕等特點。傳統(tǒng)的機體結(jié)構(gòu)多是依靠設(shè)計師的經(jīng)驗和直覺來設(shè)計，并且需要大量的試驗和測試來驗證其可行性，這往往需要耗費很多時間和成本。而使用CAD 軟件可以大大提高機體結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和精度。通過CAD 軟件，設(shè)計師可以對旋耕機的機體結(jié)構(gòu)進行數(shù)字模擬，并進行強度分析，來確定機體結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計方案。其次，旋耕機主要的功能是對土壤進行耕作處理，在旋耕機設(shè)計中，要考慮到其對土壤的處理效果。而CAD 軟件可以提供非常直觀的三維模型，使設(shè)計師可以快速地確定旋耕機的耕作深度、寬度等關(guān)鍵參數(shù)。通過CAD 軟件的仿真和分析，可以更好地了解耕具的耕作原理，提高作業(yè)效率，減少時間和能源消耗。最后，旋耕機的動力系統(tǒng)也是旋耕機設(shè)計中的重要一環(huán)，是旋耕機穩(wěn)定性和可靠性的保證。旋耕機的動力系統(tǒng)需要匹配正確的發(fā)動機和傳動裝置，以確保機器在工作期間能夠?qū)崿F(xiàn)順暢的動力傳遞。在CAD 軟件中，設(shè)計人員可以創(chuàng)建旋耕機完整的數(shù)字化模型，并對動力系統(tǒng)進行仿真和優(yōu)化，以此提高設(shè)計效率。

4.4 聯(lián)合收獲機設(shè)計

聯(lián)合收獲機是一臺集收割、分離、清選于一體的綜合型農(nóng)用設(shè)備，其作用十分廣泛。隨著計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的不斷完善，聯(lián)合收獲機的設(shè)計和制造技術(shù)也越來越先進。首先，機器的切割效果是聯(lián)合收獲機性能的重要指標之一，而葉片是影響切割效果的關(guān)鍵因素，所以好的葉片設(shè)計可以顯著提高聯(lián)合收獲機的性能和效率。葉片的形狀和數(shù)量非常復(fù)雜，手工設(shè)計很容易出現(xiàn)差錯。故很多設(shè)計師應(yīng)用CAD 軟件來設(shè)計葉片，CAD 軟件可以模擬葉片的形狀，計算出葉片的數(shù)量，并對葉片的結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，以確保在高速切割過程中可以保持葉片的穩(wěn)定性和根部強度。其次，聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)設(shè)計也是聯(lián)合收獲機設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要考慮到機器整體的強度、穩(wěn)定性和適應(yīng)性。而且聯(lián)合收獲機不同的組件都有著不同的形狀和材料，這使得整個聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜度高。CAD 軟件可以根據(jù)機器不同組件的特性，快速進行數(shù)字化建模和力學(xué)分析，并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以提高聯(lián)合收獲機的穩(wěn)定性。最后，駕駛室是聯(lián)合收獲機使用的主要環(huán)境。它的舒適度是影響司機工作效率的關(guān)鍵因素之一。CAD 軟件在聯(lián)合收獲機駕駛室設(shè)計中，可以提供快速、準確的數(shù)字模型，通過前期的數(shù)字仿真和分析，確保駕駛室能夠提供最佳的視線和人體工學(xué)設(shè)計，從而保證司機工作的舒適度，提高司機的工作效率。

5 結(jié)語

綜上所述，農(nóng)業(yè)機械的普及極大地提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，減輕了農(nóng)民的勞動負擔(dān)。而農(nóng)業(yè)機械設(shè)計作為農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中最重要的一環(huán)，也逐漸被人們重視起來。要想推進農(nóng)業(yè)機械的快速發(fā)展，就應(yīng)重視計算機輔助系統(tǒng)的應(yīng)用，以提高農(nóng)業(yè)機械設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，優(yōu)化設(shè)計性能。此外，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計工作者還應(yīng)學(xué)習(xí)計算機輔助技術(shù)，學(xué)習(xí)信息化專業(yè)知識，提高自身的綜合素質(zhì)，以設(shè)計出更多符合實際需要的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，從而推動農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展。