虚拟技术在农机设计制造中应用及实现方法研究

刘晓明，王 锋，刘洋大川

(黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨 150088)

传统农机设计制造过程中需根据实际作业要求，通过反复设计、试验、检测完成设计制造。虚拟制造技术出现后，可以通过该技术，对农机产品功能进行相应的运动仿真校核检测，预测农机产品实际作业可能出现的情况，使设计、加工、使用人员更清晰地了解产品的性能，以便更加科学合理的做出改进方案。

一、虚拟制造技术的含义分析

虚拟制造技术是以计算机仿真技术为基础，设计、制造全流程模拟，可有效模拟预测产品性能、可制造性、制造成本等，达到更灵活、更经济组织产品设计、制造、管理，实现企业资源更高效配置，达到开发周期短、成本最小化、产品质量最优化、生产效率最高化的目标。

农机虚拟制造技术主要是通过应用虚拟技术实现农机产品的开发、制造、管理等各个环节的虚拟化控制[1]；是对农机产品制造系统知识进行系统组织，对产品进行全面数字建模，对其制造过程的各项活动进行虚拟模拟与工艺管理，实现设计、生产一体化管理，有效提高设计制造及过程管理水平，提升制造过程各阶段控制、决策能力。

二、农机产品虚拟制造应用系统设计

1.虚拟制造系统设计

农机产品虚拟制造，需要运用三维仿真软件和虚拟软件构建虚拟制造应用系统，将农机产品设计、制造过程输入系统中，有效地将农机零部件的现代制造工艺进行真实的评估，从而检验农机零部件的设计、制造过程的可靠性，并探讨农机零部件的生产效率以及投资生产的可行性，改良产品制造环境等[2]。农机产品虚拟设计制造过程中，将实际农机产品进行虚拟化，引入虚拟设计和仿真技术，可以有效降低生产成本，提高农机零部件的生产效率。在农机设计制造过程中，系统可以与实际制造过程进行比较并反馈，制造工艺更加灵活，可以有效缩短农机制造周期，提高生产效率；系统可以根据农机零部件虚拟制造程序，反映农机零部件生产信息、零部件加工工艺编码等，由此提高农机零部件生产系统的管理效率；该系统可以系统地设计农机零部件虚拟制造基本框架，进行农机零部件虚拟仿真模拟，如果模拟结果与实际相符，就会输出设计制造结果，如果不符合实际要求，则需要重新校正设计制造参数，规划工序，经过多次虚拟仿真模拟验证，最终设计制造出较高质量的农机零部件。当下已初步构建虚拟制造应用系统，初步实现了集研发设计、工艺设计、生产、服务、营销为一体，主要有NX、SW、CAXA、ADAMS、ANSYS、3Dmax、EON、Unity3D等计算机软件构成。例如，由NX、SW、ADAMS、ANSYS设计农机产品三维实体/装配体并实施部件运动仿真、动力学仿真分析等(CAD/CAE)、NX与CAXA实现零件加工工艺规划及产品生命周期管理(CAM/CAPP/PDM/PLM)等，农机产品三维设计模型通过3Dmax生成EON、Unity3D可读文件格式，应用EON、Unity3D渲染、虚拟仿真等。

2.智能化制造辅助工艺系统设计

构建智能化农机零部件制造辅助工艺系统，必须将相应的零部件加工装配人员、零部件加工生产机器设备、产品监测工具和产品加工制造环境关联，这些基本条件的满意度决定着农机零部件制造的质量和效率。应用制造辅助工艺系统，在制造过程中不断调整加工工序，检测监控零部件加工过程中工序误差，强化控制零部件加工过程中的数据异常，实现标准化转换，从根本上提高产品的质量和生产效率。

对于智能化农机零部件制造辅助工艺系统的设计，要重点整理收集农机零部件工艺结构特点，系统地设计规划加工工艺过程，通过对工艺系统的优化应用，实现农机零部件加工工艺过程的自动化，并可设定检查系统稳定性、准确性的控制节点。在辅助工艺系统中进行虚拟加工，首先，要通过UG等三维设计软件建立农机零部件三维模型；其次，形成加工模块系统控制的加工环境(如机床及装夹具)；第三，形成加工工艺流程，设定系统加工参数和制造方法；第四，形成农机零部件的虚拟加工轨迹；最后，零部件加工车间依据辅助工艺系统确定加工工序目标值，核定产品质量考核标准，强化产品制造重要步骤，材料大小、特性、类型以及处理方法等，保证农机零部件总体特征、加工精度，详细记录产品编号和名称，生产日期、批量生产的总量等，并且将产品制造表面形态、产品生产误差范围、加工精准度等特征全部输入加工系统中，由系统判定加工产品的误差状况，对产品进行检查校对，达到实时监控农机零部件加工过程中关键加工误差状况，提高虚拟制造系统的智能化监测水平和农机零部件加工质量。

3.智能化制造产品生命周期管理系统设计

构建产品制造数据管理系统(PLM)，规范产品数据流方向，建立标准规范的技术体系，集成研发、采购、生产等部门管理数据，形成统一规范标准的数据库，其主要包括产品模型库、工序库、工艺装备库、设备库、材料库等，实现产品自研发设计到工艺设计、生产、服务、营销等全流程的数据统一管理。

通过企业产品生命周期数据中心的建立构建产品生命周期管理系统，一是可规范产品设计及改良过程，实现产品设计数据由图纸传递向数据传递、设计产品数据可在线共享和便捷查询等，可极大提高设计人员工作效率，实现知识资产积累，做到共享和快速传递；二是实现研发、工艺、生产等多部门数据共享，可有效提高工艺及生产部门工作效率，提高生产设备利用率，降低出错率；三是实现与物采部门数据共享，物采部门可以提前做好采购准备工作，可有效缩短生产准备时间。四是能强化过程管理，实现各模块化功能的配置，如产品结构管理、加工工艺管理、生产材料管理、生产工具管理、生产流程管理、电子审签等，可有效保证核心数据不丢失。

三、加强虚拟技术在农机领域应用创新发展

1.确立农机领域虚拟技术创新应用战略目标

首先，农机虚拟技术创新应用要贯穿农业生产的每一个环节，要在农产品种植生产过程中以服务国家战略提升整个粮食综合生产能力、绿色发展、节省农民投入成本、大幅度提高农民收入促进乡村振兴为目标，推动农机装备设计生产能力的持续发展，尤其是强化推动发展智能型农业装备、土地保护性耕作技术装备的设计研发制造能力。

其次，要不断强化虚拟技术在高校农机相关专业教育教学方面的应用，建设农机相关虚拟仿真实训基地，着力解决农作物生长周期长、农业机械配套和使用成本高、机械设备工作流程、原理较难描述、拆装设备危险系数大等一系列教学难题，构建院校主导、企业协同具有大农机大农业特色的实训基地建设模式，建设丰富的虚拟教育教学资源，有效推动专业人才培养，全面提升人才培养水平。

2.全面提升农机零部件设计、制造的虚拟技术水平

农机装备的创新发展，是保护土地资源、保证绿色发展、提高农业产量和效益的关键。现代农业生产正在发生快速转变，生物基因重组技术、农业信息技术等已广泛应用于现代农业生产中，在农机零部件设计制造过程中，应深度结合自动化技术、遥控信息化控制技术等，以快速提升农业装备设计制造水平。在农机零部件设计制造过程中，应通过农机虚拟技术的强化应用，以解决单一机械技术运用和机电一体化技术综合运用、农业机器人代替人工作业不够成熟，农机虚拟技术系统不够完善，以及在农机装备制造业中大多只采用普通机械制造工艺装备，缺乏激光切割等特种加工设备加工工艺技术等问题。所以，在农机装备设计制造中，进一步加大资金投入虚拟技术的设计及应用，加快农业技术装备的精细化、科学化，加快实现农业现代化的步伐，加快发展农业作业信息技术[3]，并且促进农业装备技术的更新改造，全面提高农业装备技术和制造技术水平。

3.整合资源促进农机虚拟技术科技创新体系的建设

想要提升我国农机虚拟技术的创新能力，必须建立农机零部件工艺系统技术创新体系，对于发展农业技术的各种资源进行合理配置，建立以科研单位为主，联动高校和经营企业为主体的科技创新体系，并同时建立科技服务体系，坚决避免农机零部件设计制造科研工作的分散化、短期化、小型化，缺乏前瞻性的规划[4]。必须整合各方资源，突出重点，充分发挥联合研发优势，将研发与产业化结合，增强农业企业主动参与研发动力，以便找准研发主攻方向，加快和调整研发项目进程，将虚拟技术与实际农机零部件研发项目结合起来，为农业机械科技创新提供有力支撑，便于解决我国农机产品的技术性问题，为农机零部件制造技术的实施发挥重大作用。

4.加大投入保证农机零部件科研和制造工作的持续发展

推动农机零部件虚拟技术能否有序开展，其主要依托于农机科研单位的创新研发结果，而创新研发的进程则必须进行大量的投入，研发要建立在大量资金投入的基础上，同时还要组织农业系统大量的科研人员共同进行研发工作，这些资源的投入是保证农机零部件设计研发工作顺利进行的前提条件，只有对研发项目进行高额的投入，才能保证农机零部件虚拟技术应用的提高。在实现农业现代化的过程中，政府对农业科技事业的财政支持是至关重要的，是关系到农机研发项目顺利实施的必要条件，也是能否快速实现农业现代化的关键因素，保证坚定不移地落实相关农业科技研究创新的扶持政策，加快农业科技的研发进程，将农业科技研发结果运用于实际的农机零部件制造中产生效益，从而形成良性的研发收益过程以及科学的科研资源分配机制，最大效率地运用现有科研资源，保证农机科研机构具备技术研究持久性，最终建立一个持久的科研管理机制和约束机制，提高科研成果的投入产出比，以保证农机科研工作可持续性发展。

四、农机虚拟技术应用系统设计发展所采取的策略

1.加强农机虚拟技术应用人才的培养

人才是技术发展的关键，只有牢牢把握现代农业装备科技人才的培养方向，落实以德树人的基本任务，扎扎实实抓好培养培训机制，才能培养大批具有高素质、懂专业、有技术的农业装备研发制造人才。培养过程中要积极践行社会主义核心价值观，强化三农教育，建设懂农、爱农、兴农的现代“三农”育人体系；积极探索农机零部件设计生产中虚拟技术应用实施过程与效果，落实虚拟技术应用软件培训渠道，面向农机零部件虚拟技术的发展，重点培养创新型、能动性强的综合技能人才，从现代农业技术、虚拟技术、机电一体化、物联网信息技术以及农业装备维修技能为基本点，构建多方位、多渠道、多层次的培训体系，培养意志坚定、技术技能突出的农业装备专业技术人才，为农业现代化发展奠定人才基础。

2.努力提升农机零部件虚拟技术创新服务平台

现代农业装备的使用、维护、推广与新型农民培养及服务基地建设成为现代农业发展的重要基础。以现代农业农场实验基地建设为主要载体，不断引进、吸收虚拟技术、人工智能技术、工农业互联网技术以及高端智能制造技术，通过农场的实验生产构建包含人才培养、技术创新、产教融合、科学技术推广、创新创业服务平台建设等的一体化技术技能创新服务平台，充分结合虚拟技术开展新产品研发、新装备创新设计推广、农业装备作业实践培训、产教融合成果转化、团队交流等功能于一体的现代化农业高新技术实验基地，实现创新团队培养、科研成果孵化并且进一步推广实施虚拟技术应用，广泛进行信息资源共享交流，进行虚拟资源库的数据更新和充实，实现农业装备创新设计、应用和推广。

3.提高农机虚拟设计和制造水平

在农机零部件虚拟设计制造过程中，依托数字化智能加工技术，结合大数据技术，拓展工业机器人研发与应用，开展农业装备产业化工程研究。首先，不断强化技术信息共享，根据农机零部件虚拟设计制造需求，广泛采用讲座、研讨、交流等形式开展智能制造技术、工业机器人控制技术等相关培训，提升技术人员综合技术应用水平，提高农业装备设计制造创新能力。其次，进一步强化农机零部件工艺信息资源建设，建立工艺信息资源共享服务平台，提供信息共享服务，强化农机零部件生产过程中各部门的信息环节畅通[5]。再次，加快农机零部件数字化技术创新发展，结合快速成型技术形成产品开发与设计一体化科学创新服务体系，开展科普教育培训工作，建立科普教育孵化基地，建设决策咨询的技术创新服务平台，助力农机零部件虚拟设计制造水平提升，实现农机装备产业数字化、智能化的进程，增强农业装备服务区域农业发展能力，形成能够有效支撑农业发展、推进农业现代化建设的现代综合性技术服务体系，全面实现农机零部件虚拟设计制造水平。

4.加大大农机大农业特色虚拟实训基地建设投入，提升高校虚拟技术应用能力

以培养高校学生尤其是农业机械类专业学生综合能力为出发点，基于NX、CAXA、3Dmax、EON、Unity3D等虚拟仿真软件，主要以丰富专业教学内容、提高专业教师教学能力、拓展专业实践领域、培养学生创新实践动手能力为目的，建设大农机大农业特色的虚拟实训基地[6]。该虚拟实训基地应以大农业、大农机为背景，开发大田作业虚拟环境、虚拟大型农业装备等，结合农艺形成开放式虚拟仿真实训教学管理与共享平台。例如，玉米种植全流程作业模拟，实施耕种管收全流程机械化作业虚拟现实模拟、各类农业装备虚拟拆装、工作机构分析、故障诊断等(图1收割机虚拟拆装)。

五、结论

虚拟制造技术的运用与发展，必将极大的提高农业机械制造企业研发制造及创新能力。虽然我国在农机产品设计制造中有了较大的进步，但在虚拟制造技术的应用方面，还有很多问题。为此，农业机械制造企业在应用虚拟制造技术时，应该深入探索虚拟制造技术综合应用平台的建设[1]，系统结合现代农业技术，高度结合数字化技术、智能制造技术、智能机械加工管理系统等，重点实现农机零部件设计制造信息化管理、物流智能化管理等。