基于计算机辅助系统的农业机械设计应用

张 佩

（西安理工大学高科学院，陕西 西安 713700）

由于农业机械零部件更新快，传统的设计不仅效率低，耗时长，还难以保证设计质量。随着计算机技术的日益成熟，将计算机辅助系统应用在农业机械设计中，将促使农业机械设计技术与设计内容的创新与变革。一方面，利用计算机辅助系统可以有效地提高农业机械设计效率，在农业机械产品设计过程中，利用计算机辅助设计系统，能够根据产品的信息进行精细的绘图，并通过三维立体方式，将零部件的形状、结构、数据和相关的参数显示出来，使得农机产品的设计工作变得更加简单高效；另一方面，为了保证农业机械设计产品的规格与预期要求相符，还需要用计算机辅助系统进行调整和修改，以保证与实际标准一致。因此，计算机辅助系统在农业机械设计中发挥着十分重要的作用。

1 计算机辅助系统概述

计算机辅助系统（Computer-aided system）是应用计算机完成各种任务的系统的总称。计算机辅助系统主要包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助翻译（CAT）、计算机集成制造（CIMS）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等。随着农业产业的快速发展，农业机械设计方式也显得愈发重要[1]。在农业机械设计中，运用计算机辅助系统，能够减少产品设计周期，加快产品生产速度，提高设计者的工作效率。

2 计算机辅助系统在农业机械设计中的应用现状

目前，我国多数的大型农机制造企业都在不同程度地应用计算机辅助系统来进行农业机械设计[2]。其中，计算机二维交互式绘图软件的使用较为普遍，利用二维交互式绘图软件，可以实现图纸、图表、文档的计算机管理。同时，在AutoCAD 二次开发上，部分农机科研工作者采用ADS 程序实现了对联合收割机械的割台CAD 系统的研制。农业机械行业计算机辅助技术已经由单一的计算机辅助系统发展到面向网络化的应用技术。但也存在着一些问题，主要体现在以下几个方面：一是一些中小型农机设计企业没有充分利用计算机辅助系统，未能意识到计算机辅助系统的重要性。在推进计算机辅助系统的过程中，必须要有足够的人才和设备，而中小型农机企业资金和人员有限并且对计算机辅助系统的认识不足，这使得计算机辅助系统难以充分发挥其自身的作用[3]。二是许多农机企业仅仅把计算机辅助系统作为一种工具来使用，导致计算机辅助技术还处在发展的初期，还没有真正发挥计算机辅助技术功能。三是将计算机辅助系统用于农机设计时，还停留在二维水平，在发展三维技术上还不够完善。四是部分农机企业未实施计算机辅助系统的图文文件管理，导致在生产过程中无法进行统一的管理与配置，严重制约了系统中信息与数据的交互，阻碍了计算机辅助系统的推广。

3 计算机辅助系统在农业机械设计中的优势

3.1 提高设计效率

采用计算机辅助系统中的三维技术进行农用机械设计，可以更好地反映出复杂的几何形状。应用布尔运算等软件实现了对复杂的几何实体求解，并自动生成交叉线和相贯线，从而降低了设计工作的劳动量和时间，提高了工作效率。在应用计算机辅助系统进行农业机械设计时，若是想设计出新的机械产品，设计师仅需要设计部分新的零件即可，其余的可以应用已有的资料进行设计，大大降低了设计的难度，提高了设计效率[4]。此外，计算机辅助系统具有很好的变形设计功能，能够迅速地进行结构化功能设计，从而获得一种新型的农业机械产品。以农业机械设备中的小底盘为例，可以采用计算机辅助技术进行三维仿真和结构的设计，依据工件的定位，设定坐标系统，并按坐标进行组装，设计好变形参数，然后再通过计算机辅助系统变形，便可设计出符合大型农用机械设备所需的大底盘。通过计算机辅助系统，改进了农业机械设备的总体稳定性和操作性，并且在精细的参数下进行设计，提高了设计效率。

3.2 便于零件设计与修改

应用计算机辅助系统设计，可以在装配条件下设计新零件，并能针对邻近零件的形状、位置等设计新零件，使得操作更加方便、快捷，并保证了新零件与邻近零件的相互结合，降低了因设计而造成的误差性和不相容性。比如，在农机设备组装的过程中，可以快速准确地按照箱体的外形和特殊要求，设计出满足要求的箱盖。在机械部件的外形设计完毕后，系统会将所有的零部件都显示在资源查找器中，然后点击相关的指令，就可以知道零部件的详细操作[5]。若是想重放，可点击资源查找器中的回放功能，整个零件建模的流程都会以动态的方式呈现出来，增强了过程的透明度。此外，在修改零部件时，可以使用资源查找器的某个指令来完成，只要点击所要修改的零部件即可。

3.3 保证农业机械产品的设计质量

应用计算机辅助设计和 CIMS 技术，能够优化农业机械设计结构，分析制图数据，并进行快速检索，保证农业机械产品设计的质量[6]。此外，一些大型农机企业的数控技术越来越成熟，与计算机辅助设计相结合，可以很好地解决机器部件的制造问题，从而改善了农业机械产品的使用品质。采用三维机械设计，不仅能准确地描绘物体的尺寸、位置、形状等特征，而且还能提供物体体积、纹理、颜色、惯性、重心等信息，以刻画物体的形状，使其更加真实、准确、全面地表达出设计者的思想和目的。

4 计算机辅助系统在农业机械设计中的应用

4.1 农业机械模型构造设计

计算机辅助系统在农业机械模型构造设计中得到了较为广泛的应用。首先，应用计算机辅助设计，将农机零部件进行归类，分析结构，选出零部件特征，构建农机零部件的特征库，并对其进行赋值，判定好位置，最终形成以特性为基础的农机零部件参数化建模。在建立了实物建模后，利用计算机辅助设计中的特性模组设计清单，将各部件的功能全部显示出来[7]。在对复杂模型进行参数命名时，名称应易于理解，并在需要的时候加上一个简短的注解。将所确定的参数录入到设计列表的“输入部分”中，然后在“关联”区域内，确定部件的相应大小。此外，在“关联界定”中，对相同部件之间的不同尺度进行界定，并对其进行相应的调整和设计。利用计算机辅助设计中的参数化建模技术，能够对农业机械模型构造设计进行建模，极大地提升了工作速度，改善农机产品的视觉效果，完成产品的组装，是一种节省时间、提高效率的农业机械设计途径。

4.2 犁体设计

犁是一种用来耕种、翻土的农业机械设备。犁体的设计存在着一定的复杂性，如果使用传统的手工方式进行设计，很难保证设计的准确性和效率[8]。而计算机辅助系统的应用可以大大提高犁体设计的效率和质量。犁体设计主要采用的是三维制图思维，所以它的三维建模更加逼真直接，仿真效果要比传统的人工绘制好得多。首先，通过CAD 软件来设计草图，让设计师更加清晰地了解犁体的结构和外形，在设计过程中，可以随时调整和修改犁体草图，以适应使用者的需求和反馈。当设计师难以确定犁体是否能在不同地形上作业时，他们可以使用CAD 软件进行数值分析，并通过模拟测试来找出犁体存在的缺陷，从而优化设计方案。其次，应用FEA（有限元分析），帮助设计师评估犁体的强度和刚度，并确定合适的材料和结构[9]。再次，运用VR（虚拟现实技术）帮助设计师进行可视化设计，提供实际尺寸和比例，让设计者更好地感受设计的效果。最后，应用CAM（计算机辅助制造）帮助制造商生成机器切割路径，并指导操作人员使用设备和工具。此外，CAM 还可以帮助制造商制定生产计划和加工步骤，以确保生产过程的高效性和可靠性。

4.3 旋耕机设计

旋耕机是一种用途范围非常广泛的农用机械设备，旋耕机的设计需要考虑多方面因素，如工作宽度、深度、速度等，这就给设计师带来了很大的难度。因此，计算机辅助系统在旋耕机设计中也越来越受到关注[10]。首先，机体结构是旋耕机最基本的组成部分。一个好的旋耕机机体结构应该具备强度高、耐用、重量轻等特点。传统的机体结构多是依靠设计师的经验和直觉来设计，并且需要大量的试验和测试来验证其可行性，这往往需要耗费很多时间和成本。而使用CAD 软件可以大大提高机体结构设计的效率和精度。通过CAD 软件，设计师可以对旋耕机的机体结构进行数字模拟，并进行强度分析，来确定机体结构的最佳设计方案。其次，旋耕机主要的功能是对土壤进行耕作处理，在旋耕机设计中，要考虑到其对土壤的处理效果。而CAD 软件可以提供非常直观的三维模型，使设计师可以快速地确定旋耕机的耕作深度、宽度等关键参数。通过CAD 软件的仿真和分析，可以更好地了解耕具的耕作原理，提高作业效率，减少时间和能源消耗。最后，旋耕机的动力系统也是旋耕机设计中的重要一环，是旋耕机稳定性和可靠性的保证。旋耕机的动力系统需要匹配正确的发动机和传动装置，以确保机器在工作期间能够实现顺畅的动力传递。在CAD 软件中，设计人员可以创建旋耕机完整的数字化模型，并对动力系统进行仿真和优化，以此提高设计效率。

4.4 联合收获机设计

联合收获机是一台集收割、分离、清选于一体的综合型农用设备，其作用十分广泛。随着计算机辅助设计系统的不断完善，联合收获机的设计和制造技术也越来越先进。首先，机器的切割效果是联合收获机性能的重要指标之一，而叶片是影响切割效果的关键因素，所以好的叶片设计可以显著提高联合收获机的性能和效率。叶片的形状和数量非常复杂，手工设计很容易出现差错。故很多设计师应用CAD 软件来设计叶片，CAD 软件可以模拟叶片的形状，计算出叶片的数量，并对叶片的结构进行力学分析，以确保在高速切割过程中可以保持叶片的稳定性和根部强度。其次，联合收获机结构设计也是联合收获机设计中的关键环节，需要考虑到机器整体的强度、稳定性和适应性。而且联合收获机不同的组件都有着不同的形状和材料，这使得整个联合收获机结构设计复杂度高。CAD 软件可以根据机器不同组件的特性，快速进行数字化建模和力学分析，并进行结构设计优化，以提高联合收获机的稳定性。最后，驾驶室是联合收获机使用的主要环境。它的舒适度是影响司机工作效率的关键因素之一。CAD 软件在联合收获机驾驶室设计中，可以提供快速、准确的数字模型，通过前期的数字仿真和分析，确保驾驶室能够提供最佳的视线和人体工学设计，从而保证司机工作的舒适度，提高司机的工作效率。

5 结语

综上所述，农业机械的普及极大地提高了农业的生产效率，减轻了农民的劳动负担。而农业机械设计作为农业机械发展中最重要的一环，也逐渐被人们重视起来。要想推进农业机械的快速发展，就应重视计算机辅助系统的应用，以提高农业机械设计效率，缩短产品生产周期，优化设计性能。此外，农业机械设计工作者还应学习计算机辅助技术，学习信息化专业知识，提高自身的综合素质，以设计出更多符合实际需要的农业机械产品，减少农业生产成本，从而推动农村经济的发展。