基于三维标注及数控技术的农机零部件设计

赵宏平

苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215100

三维标注技术也叫做MBD 工程化技术，在加工制造领域，三维标注技术是三维设计模型的核心支撑技术，能够提供三维设计模型所需要的的数据源。如今，随着数控技术的快速发展，数字化设计在机械制造中的应用越来越广泛，尤其结合三维标注的设计手段，更是有效提高了机械设计的水平。但从国内外的应用情况看，数控技术与三维标注结合使用，主要集中在工程机械、矿山机械、环保机械等方面，而农业机械很少涉及。目前我国的农机设计采用二维图纸较多，或者使用简单的三维数字模型，设计周期较长，设计制造的效率也较低[1]。Bortolini M 等调查了美国加州129 家农机制造企业，发现只有13 家在设计时结合了三维标注和数控技术，使用率只有10%，尚有很大的普及空间，由此提出在一种新型多功能干草农业机械可持续设计中采用此方案，并给出生命周期评价和推广建议[2]。Mamparambath AA 基于澳大利亚堪培拉地区的农机设计制造现状，以生产和销售数据为衡量指标，发现采用三维标注和数控技术设计方案的农机制造企业，生产和销售数据明显优于其它农机制造企业，说明该设计方案能够加快高质量的农机设计，从而在农机市场上抢占先机，并探讨了三位一体农机系统设计采用此方案的可行性[3]。而国内关于这方面的研究尚处于空白地带，本文参考国外相关研究的经验做法，提出一种基于三维标注及数控技术的农机零部件设计方案，旨在提高国内农机设计水平和效率，为国内农机制造业的发展提供借鉴。

1 农机零部件设计步骤

数字化设计在机械制造业的应用日益广泛，尤其随着CAD 三维设计技术的成熟，给机械研发模式带来了较大的变化。在农机制造领域，越来越多地采用数字化设计方式，推动了新型农机的研发进程。根据美国、澳大利亚等国的农机设计进展，CAD 三维设计融合了标注方式，即三维标注技术在农机设计中得到了一定应用。基于三维标注技术的农机零部件设计步骤如下：（1）设计出2D 图纸；（2）加入CAD 三维设计技术，构建三维模型；（3）导入三维标注系统，得到优化后的三维模型。其中第三步需结合仿真技术，包括离线仿真与即时仿真，在优化时要根据仿真结果进行。

2 农机零部件优化设计

2.1 传统的设计方式

在传统模式下，农机零部件设计主要采用一种阶段性设计方式，即：概念设计—2D 图纸设计—相关模型设计—工艺设计。这种阶段性设计思路一般采用序列号分段模式，参与设计的每一个部门根据要求按部就班工作，只考虑本身的工作需求，较少顾及其它部分的需求[4]。农机设计若使用传统方式，通常不会考虑到整个设计过程的生命周期，导致产品出现较多的缺陷，而且会反复修改设计方案，延长了设计周期。传统模式下的农机设计属于一种单向式的主体传递，各主体的相互联系很少，且在2D 图纸上容易忽略公差，设计出来的产品返工率较高，整个设计过程缺少统一化管理[5]。

2.2 以收割机挡板为例的优化设计

农机装配通常较为复杂，尤其是一些大型农机，如拖拉机、收割机等，涉及到很多零部件，如何对每一个零部件进行优化设计，使之符合装配要求，已成为农机智能化生产的一大关键因素。本文以收割机挡板为例，详细探讨农机零部件的优化设计。

在机械加工领域，零部件设计的2D 或3D 图纸，需要标注出公差才能加工。例如一块切割机挡板，只是给出190 cm 的尺寸要求，通常难以加工出正确尺寸。但在实际中，设计师在零部件设计时，一般只是在图纸中指出要按照GBT1804-2000 执行，很少会标注公差，这已成为一个不成文的规定。或者有些设计师会在图纸中给出一个统一的公差范围，让加工人员执行，但不会详细标注。例如收割机挡板正确的2D 和3D 设计图纸应如图2 所示。

图1 收割机挡板正确的设计图纸Fig.1 Correct design drawing of harvester baffle

三维标注系统则提供了自动标注公差的功能，即将图纸数据输入系统，就会自动计算出公差。此外，三维标注系统还有一个非常重要的功能，就是能标注出零部件各位置的距离。如图2 所示，为测量出收割机挡板两个外侧孔之间的距离，三维标注系统给出了测量条件选择，起始点和终点都有三个选项：中心、最小、最大。即中心点距离、最小的内侧距离、最大的外侧距离，由此对孔位置形成了精确的定位，如图3 所示。三维标注技术真正的意义在于得出机械加工所需要的装配尺寸，使加工设计能够符合既定的要求，而这一点在2D 工程图上是比较难做到的。

图2 两孔距离测量Fig.2 Distance between two holes

图3 两孔位置精确定位Fig.3 Accurate location for two holes

图4 协同设计功能Fig.4 Collaborative design function

从传统农机设计的缺陷看，由于各参与的部门缺少交互，导致共同设计的理念缺失。而三维标注系统还提供了协同设计功能，如图4 所示。在该功能界面上，所有设计人员可以共同参与收割机零部件模型设计，并对装配好的收割机模型进行数控仿真。由于三维标注系统内置了运动算例功能，因此经过数控仿真后的三维标注模型，无论尺寸和造型都能达到预定的需求。在共同设计理念下，三维标注与数控技术的结合，极大地减少了零部件装配的返工次数，并且促进了各部门的交流协作，使农机零部件设计形成更加精细化的管理。

2.3 优化后的农机零部件设计验证

三维标注技术体系可集成，通过三维标注和数控技术，能够使农机设计制造变得更加智能化。通过三维标注模型可以得到农机零部件的几何特征以及备注信息，包括具体尺寸、精细度、公差等。三维标注模型库通常采用管理树的方式进行管理，每一节点对应一个三维标注模型，方便设计阶段不同时的数据使用，达到协同设计与智能化制造的目的。优化后的农机零部件设计需要进行验证，以收割机零部件设计为例，在优化设计之后，收割机的相关信息采用三维标注模型管理树方式进行管理，收割机的不同零部件根据树状排列，然后进行零部件的编号，每一个编号对应一个零部件的信息，最后进行数控仿真和智能化加工。

3 结论

农业现代化是我国新时期的一大战略，而农机智能化制造则是农业现代化的一个重要组成部分。为提升农机智能化制造的水平，本文提出一种基于三维标注及数控技术的农机零部件设计改进方案，提高了农机零部件设计效率，缩短了设计周期，同时在协同分析平台的支持下，参与设计的各部门还能进行互动交流，及时提出修改意见，减少设计产品的返工次数。通过验证，以管理树方式实现了精细管理，方便设计人员准确获取零部件信息，为数控仿真和智能化加工奠定基础。