农机数字化车间制造过程研究——基于物联网和智能大数据云存储

张自敏，樊艳英，陈冠萍，李碧青

(贺州学院，广西 贺州 542899)

0 引言

数字化技术和先进制造技术的结合，给我国的制造业带来巨大的冲击，前景无限光明。数字化设计制造主要包括设计数字化、制造数字化和制造装备数字化。其中，设计数字化可以设计农机零部件的基本模型，还可以在虚拟的环境中对零部件进行装配整合，进行结构优化和强度分析等；制造数字化可以规划加工路线，并对加工路线进行仿真和优化；装备数字化主要是采用数控加工设备，利用编程的方式自动加工。物联网和智能大数据云存储技术可以将设计数字化、制造数字化和装备数字化紧密的结合到一起，形成数字化加工管理方案。如果将其使用在农机数字化车间管理学系统中，可以有效提高农机部件加工的效率和质量，对于提升车间的作业生产能力和创新能力具有重要的作用。

1 基于物联网和大数据存储的智能数字化加工技术

随着智能数字化加工技术的出现，机械制造行业面临着前所未有的挑战，当然也给机械设计制造行业带来了无限契机。农机设计制造行业在机械行业中占有重要的地位，随着农业自动化技术的不断提升，越来越多的农业机械被使用在农业生产过程中，极大地促进了农机设计制造行业的发展。农机数字化设计制造过程中，为了提高设计效率，往往会采用数字化仿真软件和经验数据库，而要保证数字化设计数据资源的共享和协同性，将海量数据分享给每个设计师，并保持实时互动，则需要一个大数据存储和物联网通信的服务平台。其主要解决以下问题：

1)设计制造过程的建模与仿真。建模和仿真是农机数字化设计的基础，建模和仿真是指采用计算机软件对加工零部件进行建模，然后通过拟合加工路径得到刀位轨迹曲线，最后进行试加工，以调整加工误差，优化加工工艺参数，确保得到性价比最好的符合要求的机械零部件。

2)网络化设计与制造。网络化敏捷设计与制造重点发展领域应包括敏捷信息基础结构、敏捷产品设计技术、敏捷工艺设计技术、基于网络的研究开发和敏捷生产技术。为了使设计制造的工程师之间和各个部门之间能够协同工作，可以引入物联网技术，实现数据的实时通信和共享。

3)虚拟产品开发。虚拟产品开发有4个核心要素，包括数字化产品和过程模型、产品信息管理、高性能计算与通讯和组织及管理的改变。通过开发虚拟产品可以预先得到加工产品的模型，利用优化手段使模型达到最优后进行产品的加工制造。

采用数字化加工技术可以有效地提高农机零部件设计加工的效率，将物联网和大数据存储系统引入更加能够提高数据的共享和存储效率，从而实现数字化车间的自动化生产。

2 农机数字化车间核心技术及物联网智能云平台

从一般意义上来说，整个数字化设计制造过程主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、快速成型、三坐标测量和数控加工等。其中，计算机辅助设计和计算机辅助制造是两个密不可分的整体，在模具或者单件小批量加工时，CAD/CAM表现出了强大的优势。CAD/CAM一般是指利用计算机硬件和软件手段进行产品的三维造型、图纸设计、虚拟装配仿真、加工工艺仿真和数控编程等。其中，三维造型是非常重要的，因为从三维造型到数控加工可以自动化生成加工程序。产品的三维造型可以通过两种方式来实现：一是正向设计，从产品的概念到数字模型的产生都是由工程师独立设计；二是逆向设计，通过对已有产品实物的测量和外形分析，反求出原始的设计数据，并在次数据的基础上进行改进和设计开发，从而可以大大缩短设计周期，降低产品的设计成本。目前，最常用的CAD/CAM设计工具有UG、Pro/E、CATIA等大型通用软件。以拖拉机齿轮的加工为例，其流程如图1所示。

图1 拖拉机变速箱齿轮数字化加工流程

在拖拉机变速箱数字化加工过程中，可以利用数字化设计加工和仿真软件进行模型的成型和刀具轨迹的规划。刀具轨迹具体可以采用曲线拟合的手段，通过拟合型值点，反求加工刀具的走刀控制点，最终形成完整的数控加工路线。为了使各模块顺利运行，还需要车间集成管理系统，如图2所示。

图2 车间数字化集成管理系统

根据数字化加工流程，为了实现车间的数字化加工还需要对车间进行集成化管理，主要包括数据采集模块、实时监测模块和信息管理模块。各部分功能的实现可以由软件系统来协调，如图3所示。

图3 软件系统结构框图

根据数字化车间集成管理的服务需求，可以架构系统的软件结构。从总体来说，主要分为3个层次，包括管理层、数据层和底层设备层。这3个层次可以根据具体的应用需求进行设计，其基础是基于物联网的通信，如图4所示。

图4 基于物联网的数据通信模块

数据通信模块主要包括人机互动模块、任务管理模块、设备驱动模块和数据的上传与通信模块，结合物联网和云平台可以架构数字化车间的智能服务系统，如图5所示。基于云平台技术可以构建数字化车间的智能服务系统，云服务系统主要由3大模块组成，包括软件即服务SaaS、平台(即服务PaaS)和基础设施即服务IaaS，通过3大模块可以有效地提高数字化车间的自动化管理水平和效率。

图5 基于云平台的智能服务系统

3 基于物联网和云服务平台的农机车间数字化设计

为了验证云服务平台方案在数字化车间使用的可行性，以农机变速箱的齿轮设计制造为例，对智能化云服务平台进行验证。齿轮是各种农机变速箱必有的机械零部件其外形毛坯，如图6、图7所示。

图6 变速箱齿轮

当前直齿轮的设计已经趋于成熟，但随时农机功率和运行速度的增加，斜齿轮和涡轮更多地被应用到变速箱。斜齿轮和涡轮的设计和加工过程较为复杂，而采用数字化设计将有效地提高设计效率。

图7 数字化设计零部件毛坯模型

在数字化设计过程中，可以利用云服务平台对零部件的模型进行创建，利用物联网共享数据库信息和经验数据可以对刀具等参数进行选择，设计效率较高。刀具的选择如图8所示。为了保证数控加工的准确性和高效性，可以在数控加工之前进行加工仿真，调整加工误差，再生成加工程序，根据刀具的需求参数可以选择相应的数控加工刀具的相应参数，如图9所示。

刀具选择好之后，利用云服务系统仿真软件对加工路径进行了拟合，然后通过提取点得到刀位的轨迹图；最后，自动生成了加工程序，将利用数字化车间加工方法和传统加工方法进行了对比，得到了如表1所示的数据统计表。

图8 刀具数字化选择

图9 刀具数字化参数选择

加工工序编号传统加工方法周期/d数字化加工方法周期/d13.52.824.23.634.63.943.82.953.32.662.11.5

为了验证基于物联网云平台在农机数字化加工车间使用的可行性，对数字化加工方法和传统加工方法的效率进行了对比，结果表明：数字化加工方法可以有效地提高加工效率，缩短加工周期。由此验证了方案的可行性。

4 结论

在现代化农机装备的生产设计过程中，为了实现农机车间的数字化生产过程，提高自动化作业能力，将物联网和智能大数据云平台引入到了数字化车间，使数字化车间具有建模、仿真、工艺规划和数据共享等功能。为了验证方案的可行性，以农机齿轮的加工为例，进行了数字化加工实验验证，并将不同加工工序的工期和传统加工方法进行了对比。结果表明：采用本次设计的数字化加工方案可以有效地提高加工效率，缩短加工周期，对于农机车间加工能力和加工水平的提升具有重要的作用。