農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展及展望

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摘要：目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)于農(nóng)業(yè)作業(yè)形式也有著更高的需求。傳統(tǒng)的農(nóng)耕模式逐漸無(wú)法滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，而智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用也獲得了廣泛的認(rèn)可，成為了農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨向。由于我國(guó)具備人口多、人均耕地面積少等特征，所以農(nóng)業(yè)資源的利用率也相對(duì)不高，對(duì)于農(nóng)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)較為不利。而為了能夠改善這一現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化發(fā)展至關(guān)重要，是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要條件。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；智能化設(shè)計(jì)技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀

引言

自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著重要作用，因?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)作環(huán)境以及設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜，單單憑借著傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)并不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效化，所以需要加大研發(fā)力度，針對(duì)其信息實(shí)現(xiàn)更高效地收集、整合、處理。在這一條件下，智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械便由此而生，智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)傳感器反饋信號(hào)的智能化處理，同時(shí)和控制系統(tǒng)與操作人員完成信息的交互，進(jìn)而保證機(jī)械作業(yè)的可靠性和效率性。

1農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

1.1農(nóng)業(yè)機(jī)械的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)指的是在分析產(chǎn)品功能性的條件下設(shè)計(jì)的一系列功能模塊，而這些模塊的結(jié)合則能夠組成各種類(lèi)型的產(chǎn)品供客戶(hù)選擇。農(nóng)業(yè)機(jī)械通常較為復(fù)雜，并且模塊常常無(wú)法充分適應(yīng)，所以時(shí)常無(wú)法發(fā)揮模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。所以，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的模塊化設(shè)計(jì)需要針對(duì)模塊的劃分、優(yōu)化和評(píng)價(jià)幾個(gè)方面開(kāi)展。

1.1.1模塊的劃分。如今常見(jiàn)的劃分手段有聚類(lèi)式及啟發(fā)式等，啟發(fā)式結(jié)合工程適用背景來(lái)建立數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，利用相應(yīng)的算法來(lái)獲得模塊劃分的最優(yōu)解。聚類(lèi)式通過(guò)矩陣和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)來(lái)表現(xiàn)產(chǎn)品元素拓?fù)潢P(guān)系，同時(shí)根據(jù)聚類(lèi)算法來(lái)計(jì)算其中零件的成組模塊區(qū)分，最主要的方式有兩點(diǎn)，一種是以DSM聚類(lèi)作為基礎(chǔ)的模塊劃分方法，另一種則是以圖論作為基礎(chǔ)的模塊劃分方法。啟發(fā)式的劃分方法較為容易得出局部最優(yōu)解，而聚類(lèi)法則較為復(fù)雜，一些較為復(fù)雜的產(chǎn)品則并不適用。結(jié)合模塊劃分標(biāo)準(zhǔn)可以將模塊劃分手段分成以產(chǎn)品功能性、結(jié)構(gòu)、生命周期三個(gè)層面的模塊劃分方法。

1.1.2模塊的優(yōu)化及評(píng)價(jià)。產(chǎn)品的模塊化劃分較為靈活，而模塊化方案的不同，模塊度也會(huì)存在一定差異。根據(jù)模塊的系統(tǒng)和屬性等層面來(lái)探討模塊化產(chǎn)品的優(yōu)化問(wèn)題，找出影響產(chǎn)品優(yōu)化的因素，構(gòu)建系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)改善系統(tǒng)的運(yùn)作成本。而農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)則需要注意兩個(gè)層面的問(wèn)題：其一，農(nóng)業(yè)機(jī)械組件和功能性一般會(huì)存在一定的異質(zhì)性，同時(shí)組件間的耦合強(qiáng)度普遍較高。所以，在實(shí)現(xiàn)模塊劃分過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注其異質(zhì)性，對(duì)組件進(jìn)行同質(zhì)化約簡(jiǎn)。而且，因?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械組件較為復(fù)雜，所以需要進(jìn)一步考量產(chǎn)品生命周期的影響；其二，需要結(jié)合客戶(hù)的要求和設(shè)計(jì)知識(shí)支撐的系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。模塊化的設(shè)計(jì)需要有一個(gè)較為完備的應(yīng)用體系，不但要做到模塊劃分，而且還要設(shè)計(jì)好模塊主參數(shù)[1]。

1.2計(jì)算機(jī)輔助建模

目前，CAD計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)用作建模中，主要有PTCCreo參數(shù)化建模技術(shù)等，在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)中有著普遍的應(yīng)用。一般的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)并不能有效地支撐幾何構(gòu)造歷史等設(shè)計(jì)理念的傳遞，而通過(guò)以歷史作為基礎(chǔ)的參數(shù)化建模手段則能夠利用宏命令來(lái)實(shí)現(xiàn)CAD模型的交換。CAD建模需要利用設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)知識(shí)與計(jì)算機(jī)建模的結(jié)合，則能夠進(jìn)一步保證模型的適用性。CAD模型的設(shè)計(jì)知識(shí)分為尺寸、標(biāo)準(zhǔn)、材料特征等幾個(gè)層面的隱性知識(shí)。以NISTCPM作為基礎(chǔ)的面向并行工程的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)表示模型則將知識(shí)描述為三個(gè)層面，提出以知識(shí)為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用KBE技術(shù)把AGMA標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合在了直齒圓柱齒輪的CAD系統(tǒng)建模中。基于Web技術(shù)的CAD建模系統(tǒng)則能夠更加快速地產(chǎn)生CAD模型以及CNC代碼，形成一種CAD參數(shù)通用模型，利用嵌入式工程概念以及專(zhuān)家知識(shí)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)編程與原型軟件包結(jié)合的方式來(lái)創(chuàng)建CDM模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化開(kāi)發(fā)。

1.3虛擬仿真

1.3.1農(nóng)業(yè)機(jī)械中虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用。結(jié)合生物技術(shù)及農(nóng)藝技術(shù)，是集結(jié)先進(jìn)制造技術(shù)和智能控制技術(shù)以及新材料的先進(jìn)手段。農(nóng)業(yè)機(jī)械仿真涉及到了農(nóng)業(yè)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，目前仿真工具雖然能夠化解多數(shù)仿真問(wèn)題，不過(guò)若想進(jìn)一步滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)機(jī)械較為繁雜且多物理耦合的要求則需要根據(jù)各個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的仿真進(jìn)行分析。

1.3.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。VR技術(shù)的推廣也為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)了影響，針對(duì)一些結(jié)構(gòu)繁雜，設(shè)計(jì)起來(lái)難度較大的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，通過(guò)VR技術(shù)能夠針對(duì)其外觀、功能性、結(jié)構(gòu)等完成建模，并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬作業(yè)，對(duì)產(chǎn)品的功能性以及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，并實(shí)現(xiàn)人與農(nóng)業(yè)機(jī)械的靈活交互。現(xiàn)階段，VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的運(yùn)用已經(jīng)成為了各界所廣泛關(guān)注的話(huà)題，而這一技術(shù)的應(yīng)用也有著顯著的成效，主要應(yīng)用于虛擬裝配以及虛擬試驗(yàn)中。其一，虛擬裝配技術(shù)。和一般的裝配技術(shù)對(duì)比，虛擬裝配通過(guò)VA能夠在沉浸式的條件下實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的裝配，并在產(chǎn)品裝配的方向上來(lái)確定其可裝配性，并設(shè)計(jì)裝配方案。尤其是一些較為復(fù)雜的裝配工作，VA技術(shù)擁有著顯著的優(yōu)勢(shì)。由于VA技術(shù)的推廣，國(guó)內(nèi)外都針對(duì)虛擬裝配技術(shù)的裝配建模以及裝配流程設(shè)計(jì)等進(jìn)行了深入的研究；其二，虛擬試驗(yàn)。利用VR技術(shù)完成農(nóng)業(yè)機(jī)械的虛擬試驗(yàn)不但可以確定產(chǎn)品性能的預(yù)測(cè)，而且還可以為操作人員了解農(nóng)業(yè)機(jī)械提供條件。VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬試驗(yàn)中的應(yīng)用尚不夠成熟，而通過(guò)VR技術(shù)開(kāi)發(fā)的非道路車(chē)輛虛擬樣機(jī)系統(tǒng)則能夠完成模擬駕駛的目標(biāo)，通過(guò)這一手段可以還實(shí)現(xiàn)駕駛控制系統(tǒng)的評(píng)測(cè)。

2農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)的發(fā)展展望

2.1將客戶(hù)需要作為方向的個(gè)性化設(shè)計(jì)

對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，客戶(hù)的要求和選擇是多樣化的，也是層次化的。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)收集并整理客戶(hù)信息，分析客戶(hù)的需求和偏好，研究農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用、管理、客戶(hù)要求三者之間的聯(lián)系性，構(gòu)建用戶(hù)需求模型。除此之外，重點(diǎn)分析客戶(hù)要求以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)間的轉(zhuǎn)化方式，比如人工智能算法以及AD理論等，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)域到功能和結(jié)構(gòu)域的聯(lián)系性表現(xiàn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更加科學(xué)且高性能的農(nóng)業(yè)機(jī)械，以此來(lái)達(dá)到客戶(hù)們多樣化的要求。

2.2農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和互作機(jī)理

促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，保證糧食安全是農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展目標(biāo)，而針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏，以及產(chǎn)品質(zhì)量不足等現(xiàn)象，通過(guò)土壤—機(jī)械—作物系統(tǒng)的規(guī)律，以及相關(guān)裝置技術(shù)的研究，重點(diǎn)分析構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)化的農(nóng)田土壤力學(xué)參數(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械物理特性指標(biāo)、農(nóng)業(yè)機(jī)械荷載及結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程材料和農(nóng)業(yè)機(jī)械通用組件數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)等，以此來(lái)為農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化的設(shè)計(jì)基于支持。

2.3將知識(shí)重用作為動(dòng)力的建模技術(shù)

以農(nóng)業(yè)機(jī)械生命周期為角度，做到多系統(tǒng)、多層面、多環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享以及知識(shí)重用所需集成的產(chǎn)品建模至關(guān)重要，目前常見(jiàn)的建模技術(shù)有本體建模和MBD技術(shù)建模等，在航天、船舶中都有著普遍的應(yīng)用，能夠有效提高智能化設(shè)計(jì)和智能化生產(chǎn)的契合程度，特別是MBD技術(shù)，有效改善了農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)和研發(fā)模式，確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性，降低了針對(duì)其他信息的依賴(lài)性，促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品加工與制造、產(chǎn)品銷(xiāo)售的進(jìn)一步交流。所以，農(nóng)業(yè)機(jī)械生命周期視角下，開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品TDP，以及擁有統(tǒng)一化設(shè)計(jì)理念的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品模型，利用知識(shí)重用和生命周期流程的集成，以及信息共享則是農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)未來(lái)主要的研發(fā)方向[2]。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械，通過(guò)將先進(jìn)智能化技術(shù)與農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的充分融合，進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能性與效率性，推動(dòng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。基于此，針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析與研究至關(guān)重要，決定了未來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，及其在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]杜岳峰，傅生輝，毛恩榮，等.農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（9）：1-17.

[2]陳福云.農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2018，（5）：78-79.

作者：崔躍峰 單位：遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心