数字化设计技术在农业机械设计中的应用

李 娜，孟朝霞

(济宁职业技术学院，山东 济宁 272000)

0 引言

随着世界人口的不断增长，可利用资源逐渐减少，带来了粮食紧张及环境恶化等一系列问题[1-2]，随着农业机械化水平的不断提升与发展，逐渐将传统、封闭、低效率的农业生产转变为自动化程度较高的现代农业生产方式，大幅度提高了农业机械的生产效率与资源利用率。农业机械化是农业可持续发展的必要条件与主要推动力，同时也是保障食品安全的重要工程措施之一。

要想实现农业机械化水平的稳步发展与创新，必须不断进行农业机械技术发展与工艺改革。我国农业机械自主创新能力较弱，农业机械开发、设计及制造技术手段及工艺较为落后，目前软件模拟技术开发体系一直采用引进或者跟踪模仿的生产模式，缺少对新型农业机械产品相关机理、设计理论的研究，重大产品的研发仍然停留在理论阶段，农业机械新产品的可靠性试验主要以田间验证为主，这些都严重制约了我国农业机械的发展与创新，难以实现较大的技术突破[3]。

数字化设计技术是现代产品设计的关键技术之一，主要是依据产品设计目标及具体任务利用计算机辅助工具进行产品全面数字化，利用各种几何造型系统明确产品设计前期存在的不足与缺陷，并通过数字模拟、仿真、检验等数字分析技术，优化新型产品的设计方案，提高产品的生产效率，是保证农业机械产品生产高效、快速、可靠的重要技术手段之一[4]。

1 数字化设计技术及农业机械化的内涵及发展意义

1.1 数字化设计技术

1.1.1 内涵

数字化设计技术是基于数字化设计及计算机仿真模拟技术等，对相关产品的初始设计环节进行方案优化与模拟分析，通过可视化检查发现产品设计中存在的不足，并提供多种优化设计方案，对设计方案进行修改，避免在产品设计过程中存在返工现象，可以显著提高产品开发效率，缩短产品的研发周期，降低产品的生产成本，主要内容及开发体系如图1所示。

1.1.2 发展意义

数字化设计技术在现代机械产品设计、加工及制造等多个领域占有重要地位，基于计算机技术的强大逻辑运算能力、重复工作能力，具有较快的响应速度与推理决策能力等优势，可以极大地提高产品开发的效率，缩短产品开发周期，数字化设计技术已成为目前主要的产品生产制造基础技术与辅助工具。在进行产品开发的过程中，可以对所研制的产品进行分析与综合评判，对不合理的地方进行优化修改，与人工研发相比，数字化设计技术具有较强的优势，如表1所示。

表1 人工设计与数字化设计技术特点对比

1.2 农业机械化技术

1.1.1 内涵

农业机械化技术，主要是指在农业生产中的各项作业环节中应用先进的农业机械化装备代替传统的人工劳动，改善农业生产条件的农业技术。

1.1.2 发展意义

1)保证农作物抵御自然灾害。自然灾害，如风、干旱、洪涝、病虫害、杂草等是限制农业发展的重要外界因素，随着农业机械的逐渐发展，如排灌机械可以减轻旱涝灾害对农作物的影响；植保机械可以有效控制农业生产中的病虫害、杂草及鼠害等，据2015—2021年统计数据可知(表2)，植保机械的作业面积与挽回粮食损失呈正相关关系。

表2 植保机械作业面积与挽回粮食损失的关系

2)合理利用水资源。我国是世界上的贫水国家之一，而农业生产中的水资源浪费十分严重，因此，在农业生产中合理利用淡水资源对于农业可持续发展具有重要意义。随着节水技术，如滴灌技术、微喷灌技术、加气灌溉技术[6]等的不断推广，显示出巨大的节水与增产优势，滴灌与传统喷灌技术对比如表3所示。

表3 滴灌技术与传统地面喷灌的效果对比 单位：%

3)防治农业环境污染。农业生产中的环境污染主要是指化肥农药、地膜及秸秆焚烧等带来的环境污染问题，长期使用化肥农药会导致污染物流失到空气、土壤及水中，给农业绿色可持续发展带来了巨大的挑战。随着精量施肥技术、机械精密喷洒技术、保护性耕作技术及机械回收地膜技术等的不断推广应用，可以缓解农业生产中的环境污染，促进农业健康发展。

2 数字化设计技术在农业机械设计中的应用现状

2.1 数字化设计关键技术

2.1.1 CAD

CAD(Computer Aided Design)是目前农业机械产品设计及制造中最常见的一种计算机技术之一，被称为“计算机辅助设计技术”，可以对初期产品的设计构思、结构及加工设计等进行绘制、创建、分析、修改及优化。

2.1.2 CAE

CAE(Computer Aided Engineering)是计算机辅助工程技术，对农业机械等相关产品进行产品结构物理状态特性分析，主要包括线性分析、非线性分析、静态分析、热场分析、电场及磁场分析等，对产品内部结构运动规律及受力进行分析，完成产品结构的优化与设计。

2.1.3 CAM

CAM(Computer Aided Manufacture)是计算机辅助制造技术，指当CAD进行产品设计完成后，对CAD模型自动生成产品及零部件加工的数控代码，直接用于数控加工，实现产品无纸化生产，其核心技术为数控技术，利用数控机床完成对控制刀具的运动角度、方向、速度等控制，完成产品的加工与生产。

2.1.4 PDM

随着计算机绘图技术的逐渐发展，现有的计算机图纸管理系统难以满足实际生产的需求，目前计算机图纸的编号、分类及归档等主要依靠人工进行，采用PDM可以对制造产品整个生产周期的数据进行保存与归档，实现产品生产图纸的有效及统一管理[6]。

2.2 应用发展现状

2.2.1 实现农业机械生产智能化发展

目前，农业机械生产已经基本实现自动化控制，正在逐步向智能化方向发展，同时农业机械智能化发展也是未来的热点及难点，通过少量的技术人员与智能数字系统相配合实现农业机械的设计、工艺优化、生产调度及故障诊断等，将人工智能控制技术、神经网络技术及专家决策系统等应用到农业机械中，可以实现农业机械的生产智能化。

2.2.2 计算机制图技术

数字化技术可以实现农业机械产品设计中数字化模型构建，利用几何造型功能，实现产品模型的快速构建，研发人员可以通过各个角度进行产品观察，根据产品研发信息还进行材料定义及仿真模拟。在单个产品零部件设计完成后，可以进行零部件的装配，并基于产品装配模型，实现样品的运动学仿真，分析产品设计的合理性，通过预览产品关键零部件的装配过程，如装配顺序及相关装配路径等，及时进行产品调整，保证产品后期生产制造过程中的合理性与可靠性，提高产品研发效率。

3 数字化设计技术未来发展思路分析

3.1 提高学科交叉融合程度，形成数字化开发集成平台

传统数字化技术主要包括设计制造理论和方法、计算机模拟及数据仓库开发等技术，近年来，逐渐融合了计算机辅助设计、可靠性设计、虚拟样机制造、虚拟装配技术等，未来应逐步加强学科之间的交叉、互融与集成，逐渐完善形成数字化开发与集成平台，提升产品的设计与管理能力，逐步应用到各类产品的设计及开发中，极大地推动我国制造业的进步与发展。

3.2 实现产品整个生命周期的数字化设计

未来基于数字化设计技术，实现产品数字化设计及制造管理，对产品生产的所有环节，如零件采购、产品制造、产品质量控制、销售、服务及运输等进行高效、有序管理，并结合相关技术实现对产品整个生命周期的信息采集与控制。

4 结论

农业机械装备是保证农业现代化进程的物质基础与条件之一，农业机械水平及综合实力的不断提升，实现了我国农产品由依赖进口到目前自给自足的基本平衡。数字化设计技术是实现农业机械智能化发展及工业4.0计划的重要技术基础之一，是立国之本，也是强国根基，是保障粮食安全、提升综合国力的重要技术。本研究基于数字化设计与制造的技术内涵及发展意义，提出目前数字化设计技术在农业机械生产及制造中的应用研究现状及核心技术，分析数字化设计技术在农业机械设计中的应用研究现状与发展核心思路，研究结果对于推动我国农业机械化进程提供发展技术参考与借鉴。