基于MBD和数控编程控制的智能化农机制造技术研究

张卫卫

(洛阳职业技术学院，河南 洛阳 471000)

0 引言

目前，国内外机械制造业的数字化技术发展迅猛，三维数字化产品和工艺的数字化设计更是得到了广泛的应用，但在农机设计制造行业采用数字化设计方案的还不多，三维数字化模型没有贯穿于整个农机的设计制造过程中。在设计制造过程中，由于大量采用二维图纸，三维模型的变化将导致繁琐的二维数据的更新和发布，从而降低设计制造效率，延长设计周期。而如果采用基于MBD的数字化设计管理方案，可以利用三维数字化技术将设计制造一体化集成，利用三维数字化模型贯穿于整个设计制造过程中，避免了繁琐的二维数据变更，从而提高农机的设计效率和设计水平。

1 基于MBD的农机数字化设计

随着数字化设计制造技术的飞速发展，特别是CAD三维设计技术的普及，农机的研发模式正在发生根本性的变化，数字化设计方法开始逐步取代传统的设计方法，成为新型农机研制的技术依据。随着计算机技术的发展和三维CAD技术的成熟和普及，数字化产品定义经历了二维到三维模型发展的3个阶段。

如图1所示：基于MBD的数字化发展历程主要经历了4个阶段，包括2D图纸、2D图纸+3D模型、3D模型+简化标注图纸及3D独立模型。3D独立模型是新一代的产品定义技术，包含产品的形状和制造特征的三维注释标注。基于MBD的农机数字化设计方法主要包括4个步骤：首先是模型的设计和建立，在建模之前首先需要分析设计需求；然后，创建几何模型和控制器分析与集成；第3步是离线仿真和实时仿真；最后，根据仿真结果对工艺路线进行优化，进行加工制造。

图1 基于MBD的数字化发展历程Fig.1 Digital development process based on MBD

2 基于MBD和数控编程技术的农机制造流程和平台设计

传统的农机制造过程一般都是阶段性的设计，包括产品的概念设计、模型设计、工艺设计、加工制造，以及销售服务等，采用过墙式的序列号设计思路，各部门按部就班的工作，把本部门工作做好后很少考虑其他部分的工作需求。如果农机设计制造采用这种流程的话只能满足设计初期的设计需求，不能顾及整个设计生命周期，从而会使设计的产品缺陷较多，设计方案会反复被修改，最终导致产品的设计周期加长。农机设计制造长期以来采用的便是如图2所示的产品研发模式，利用这种研发模式会导致产品的设计只能从主体单向的传递，下游的设计开发和主体之间的联系较少，很容易造成设计产品的返工，使得产品研发过程得不到统一的管理，最终导致农机产品设计研发的周期加长。

图2 农机传统方式制造流程Fig.2 The traditional manufacturing process of agricultural machinery

为了提高设计效率，改进传统的制造工艺，利用MBD和数控编程技术对农机制造流程进行了改进，将设计模型直接导入到数字化协同应用平台中。设计人员通过人机交互的方式对工艺进行规划和仿真，利用仿真过程提出修改意见，然后传送经验数据库，并根据已有的设计经验对加工制造过程进行修改，其流程如图3所示。

传统农机制造流程的改进将有效提高农机的设计效率，依据产品的MBD模型和工艺仿真软件，可以对产品进行可视化工艺仿真。以装配工艺为例，工艺设计人员可以根据需求对不同的阶段进行不同的工艺内容仿真，利用这种方案可以实现并行设计和异地设计部门的协同交流交互，对于工艺信息的输入和规划及工艺仿真等提出了更高的要求。

图3 基于MBD的农机传统制造流程改进Fig.3 Improvement of traditional manufacturing process of agricultural machinery based on MBD

如图4所示：MBD技术的应用是建立在产品三维模型基础上的，装配工艺规划与仿真、工艺文件的生成与更改都是在三维环境中进行的，各种数据之间可以利用交互工具进行交流，其工艺规划的总体流程如图5所示。

图4 基于MBD的农机装配工艺规划与仿真平台Fig.4 Agricultural machinery assembly process planning and simulation platform based on MBD

图5 工艺规划过程总体流程图Fig.5 The general flow chart of process planning process

基于MBD和数控加工及仿真技术，可以建立基于PDM的UG/CAM系统、Vericut仿真优化系统和DNC加工验证系统，利用工艺规划和仿真模块对产品加工制造过程进行修正，最终输出加工效率和精度较高的工艺规划文件。

3 农机智能化制造验证

MBD制造技术体系是一种集成的应用体系，利用MBD和数控技术采用CAD系统借助产品标准管理体系可以实现农机的智能化制造，并可以纳入PDM系统进行管理，通过CAE、CAM系统实现农机工艺设计、分析及虚拟制造。

随着农业现代化的推进，大马力拖拉机被使用在农业生产过程中(见图6)，随着拖拉机功率的增加，拖拉机的性能和零部件的要求也更高，许多零件都需要进行重新的设计。如果采用传统的设计方式，设计周期较长，而采用MBD智能化服务体系，可以有效地缩短设计周期，提高设计效率。基于CAD的MBD模型示意图如图7所示。

采用MBD进行建模时需要依据农机零部件的三维模型，特别是一些初步设计的几何信息，可以采用机械类建模和编程软件将所需要建立的模型可视化显示出来。在进行农机设计制造时，可以利用MBD得到产品的几何模型信息和备注信息，如模型的尺寸和公差、粗糙度及热处理方法等。以零部件的MBD管理树为例，其结构如图8所示。

图6 重型拖拉机装置示意图Fig.6 The schematic diagram of a heavy tractor device

图7 基于CAD系统的MBD模型示意图Fig.7 The schematic diagram of MBD model based on CAD system

图8 基于MBD的零件模型管理树示意图Fig.8 The schematic diagram of part model management tree based on MBD

零件模型管理树的每一个节点都和零件制造过程的某个状态相对应，将制造模型按照树状结构进行管理后，通过一个节点对应一个MBD零件模型可以有效解决不同制造阶段对数据的使用，实现协同化和智能化制造过程。以刀具的智能化管理为例，如图9所示。

图9 刀具MBD管理对话框Fig.9 The dialog box of tool MBD Management

刀具的信息也可以采用MBD树型管理体系，将不同的刀具按照树状排列，并进行编号；然后，每个编号都对应相应的刀具信息，采用这个模式和原理最后设计出了如图10所示的智能化加工和仿真系统。

图10 智能化数控加工和仿真优化系统框架Fig.10 The system framework of Intelligent CNC machining and simulation optimization

工艺设计人员可以利用智能化数控加工仿真系统对农机设计制造工艺进行优化，采用UG/CAM编程、加工仿真优化和DNC系统/机床试切的模式，最终确定加工方案，实现农机加工过程的自动化。

4 结论

为了提高农机制造的智能化水平，将MBD和数控编程技术引入到了农机设计制造数字一体化平台，利用并行设计方案，将各个部门协同起来，通过设计方案和工艺修改意见反馈的方式，实现了农机设计制造工艺方法的实时优化，从而有效提高了农机产品的研发效率。以拖拉机零部件的设计制造为例，对MBD数控编程智能化制造平台进行了验证，并以零件树、和刀具参数树的形式设计了智能化数控加工和仿真优化系统框架，旨在为农机现代数字化技术的研究提供参考。