河北农业机械定制生产平台研究

河北农业大学机电工程学院 李昕 马志凯 袁永伟 张博

1 河北农机产业现状

河北东临渤海，西倚太行，北与内蒙古、辽宁交界，地形复杂多样，山地、丘陵、平原等类型齐全，包含了水田和旱地，农作物种植多样化，耕地类型复杂。农业机械是科学技术向农业生产需求转化的成果，农业机械的状况反映了制造业的发展水平。河北拥有一大批农业机械生产企业，比如河北圣和农业机械有限公司、河北久丰农业机械有限公司、河北雷肯农业机械有限公司、河北农哈哈机械集团、河北英虎农业机械制造有限公司、河北博亚农业机械制造有限公司等，研发和生产各种还田机、深松机、旋耕机、收获机、打捆机、拖拉机等。河北省农业装备产品的研发以结构简单、中小功率的产品为主。中小型农业机械设备具有体积小、重量轻、行走灵活的特点，是当今农业机械化作业的重要设备，有广阔的潜在市场。目前，中小型农业机械设备特点为以下几方面。

1.1 农业机械设备功能多，专业化强

用户对功能的需求呈现多样化的特点，对产品所具备的功能并非都需要，无形中为多余功能承担了不必要的费用。

1.2 单一设备需求量小

针对用户实际需求进行小批量生产，导致生产成本提高，加大了用户的负担[1]。

1.3 农业机械产品开发过程系统性差，效率低

先进生产技术应用不普及，生产与设计过程相分离，客户参与度低，缺乏客户协同设计的支撑技术[2]。

农业机械产品与用户需求脱节，造成了农业机械产品的积压，增加了营销和库存等环节的费用。随着互联网技术、信息技术、先进制造技术的推广和渗透，传统的农机制造业也面临转型和变革。农业装备产品的特点是结构复杂，种类繁多，专用性强，定制生产模式是发展农机制造业的重要切入点，定制化生产和服务成为农机制造业有力的竞争手段。

2 定制生产模式

定制生产利用网络信息平台，为客户提供个性化的产品，并且接近批量化生产的成本，以迎合多样化的市场需求，提高企业生存空间和竞争能力。定制生产模式的基本特征如下。

2.1 以客户需求为核心指导产品研发

定制生产模式强调客户参与，关注客户需求，是一种订单拉动型生产模式。以订单为导向，进行产品设计、生产全过程的规划和实施。

2.2 对市场做到快速响应

利用产品在功能、结构方面的相似性，将产品分解为标准化、模块化、可操作的单元，通过单元接口重构为变化的方案，将单件生产全部或部分转化为批量生产，具有很高的柔性，效率高，灵活性强。

2.3 技术是生产实施基础，定制生产模式的关键技术如下

2.3.1 虚拟现实技术

工业生产中的虚拟现实技术包含了虚拟建模技术、虚拟仿真技术、虚拟装配技术和虚拟制造技术。虚拟建模技术是利用计算机软硬件建立虚拟可视化零件模型。随着建模理论的发展，虚拟建模技术已不是早期对点、线、面、几何体等简单图素的堆砌，而是具有工程约束和尺寸驱动功能的参数化特征建模技术。虚拟装配技术将零件模型按照一定的配合关系、约束关系组装在一起，为产品设计提供了完整的结构信息。装配模型可以分解为爆炸图，零件在空间中按一定距离分散，目的是展示零部件之间的相互位置关系[3]。虚拟仿真技术模拟真实的系统和环境，进行产品生产或工作过程仿真，目的是预测产品制造可行性，以及产品的工作性能。工作过程仿真可以进行非载荷状态下的运动学模拟，也可以进行载荷状态下的动力学模拟，以检验产品运行过程中，零部件的干涉情况，运动轨迹、参数的变化，以及震动、变形情况。从而避免失误，降低投资风险。虚拟制造以产品设计方案模型为核心，对产品加工可行性、生产经济性进行分析与预测，进行工艺规划、工序制定、数控编程、加工制造等环节的决策与控制。产品虚拟开发系统组成如图1所示。

图1 产品虚拟开发系统组成

2.3.2 柔性制造技术

伴随着计算机软硬件、信息技术、自动化技术的发展，和成组技术、物流技术、数控设备的应用，柔性制造技术（FMT）产生。柔性制造系统是高自动化程度的生产系统，由多台数控加工设备组成，能够根据加工对象的变化，不断调整加工步骤和刀具、夹具等工艺装备，在时空上具有高度灵活性。柔性制造系统主要由物料系统、加工设备和信息系统几部分组成。物料系统包含了自动化仓库、自动运输车、工业机器人，负责物料的存储和运输。加工设备包括数控加工机床和加工中心，实现零件的切削加工。信息系统主要由控制系统和检测系统组成，控制系统负责生产过程中的物料控制和加工控制，检测系统监视整个生产过程，能够进行数据信息的采集与处理，根据结果对生产过程进行反馈与控制。柔性制造技术在生产多品种、中小批量的产品时，相比传统大规模单一生产技术，经济效益显著。柔性制造系统组成如图2所示[3]。

图2 柔性制造系统组成

2.3.3 CIMS

CIMS即计算机集成制造系统，是基于系统观点，运用信息技术、自动化技术、管理技术，进行组织生产和管理的方法。包含了时间集成和空间集成，时间集成指CIMS涵盖了制造系统生命周期的各个阶段和环节，考虑从上游到下游的各项工作，将串行工程转化为并行工程。空间集成是将不同的功能单元，比如CAD、CAE、CAPP、CAM等，借助于硬件、软件、标准化的数字接口，整合到系统中，能够实现数据的传输和交换。CIMS是集产品设计、生产、管理、销售、维护于一体的多层次复杂系统。完成了由自动化孤岛的“点”状加工，到多台加工设备连接而成的“线”状加工，乃至企业全部运作流程系统化的“网状”加工。CIMS借助于信息技术、物流管理系统，构建产品协同设计系统，为客户、企业和供应商提供了高效的合作交流平台[3]。CIMS系统的体系结构如图3所示。

图3 CIMS系统的体系结构

3 定制生产在农机制造中的应用

网络信息技术的发展为定制设计提供了技术支持，在客户和企业之间建立了一个良好的沟通桥梁。客户通过网络定制系统对产品提出个性化要求，参与到企业的设计生产过程中。定制生产核心是实现操作者、设备和环境的和谐、统一。

以农用拖拉机为例，客户在系统定制界面选择所需要的类型，提供动力、轮距、轴距、时速、功率、输出轴转速、标定牵引力、尺寸、前轮距、后轮距等一系列整机基本参数，根据参数范围进行选择。依据性能指标确定拖拉机底盘类型，对部件模块，如行走系统、转向系统、制动系统、传动系统、液压系统、牵引装置、动力输出装置等根据功能需求进行配置[4]。驾驶室是操作者作业的主要场所，内饰设计要充分考虑操作的安全性与舒适性，依据人机工程学理论，符合人体尺寸、运动特征和认知特征，满足操作舒适性需求，视野范围安全适宜，显示装置布局合理，图形符号识别性强，有助于提高操作人员的工作效率。设置转向盘、踏板、操纵杆、仪表盘等选项模块，操作者根据个人工作习惯进行选择。外观设计注重整体造型统一，与环境相协调，客户可以选择拖拉机机罩、机罩通风口、前大灯等设计要素。依据美学原理列出色彩搭配方案，供客户选择。定制系统界面实时显示拖拉机三维模型，能够进行放大、缩小、旋转操作，可以在各个角度观察模型的外部形态和内部结构。改变定制选项，价格随之改变，直到客户得到满意的定制结果。

企业层面采用数字设计技术、机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造系统等先进信息化制造技术，基于模块化和产品族的思想，重新组织产品制造过程，构建物料协同供应链，保持批量生产的低成本、高效率和高质量的特点。农用拖拉机可视化定制生产系统如图4所示。

图4 农用拖拉机可视化定制生产系统

4 河北省农机制造前景展望

受区域、地形、作物品种、生长环境、种植习惯等因素的影响，客户对农业机械产品有不同的需求。定制生产模式能够为农机市场提供个性化产品和服务，并且具有成本低、周期短、质量高的特点。基于可持续发展理念，今后农机产品要走“绿色化”产业道路，重点关注生态、环保产品的研究，采用新能源，减少排放和污染。为适应中国制造2025和农业4.0的需求，关注自动驾驶农机技术、精准农业技术、农业机器人技术的研究，加快智能农机产业化的步伐。此外，还要不断完善农机定制开发体系，充实产品和技术等信息化资源，树立企业品牌形象，推动企业农机产品创新，提升企业农机产品的竞争优势。