虚拟制造技术在农业机械设计中的应用与发展

杨宝珍

一、虚拟制造技术在农机设计中的重要性

我国是世界著名的农业大国。全国大约有80%的农民都在从事农业生产劳动，农业生产在国民经济中占据着非常重要地位。加强农业基础、增加农民收入、改善农民生活条件是目前我国国民经济的首要任务。现代化农业生产中农业机械承担了大部分劳动量，极大地减轻了农民的勞动负担。农业机械已经是现代农民生产劳动中不可缺少的重要劳动工具，它改进了农民劳动生产方式，极大的提高了生产效率。提高我国农业机械产品的实用性、可靠性是促进我国农业发展的重要条件之一。近几年，虚拟样机技术逐渐成为农业机械制造业的主要研究方向。在农业机械设计、制造、改进调试和设备运行维护中具有重要作用。农机设备新机型的现场调试过程非常复杂，具有很多非人为的不确定因素和危险性。因此，在设备调试前，建立三维模型使设计者全身心投入到三维虚拟环境中，运用数字模型从虚拟装配到产品展示过程等多方面对产品进行具体观察、运动仿真分析和调试改进，实现对农机设备的整体认识，初步改正设计缺陷，提高产品质量和可靠性，降低产品开发和设计成本，缩短研制周期，从而提高产品的市场竞争力。

二、 虚拟制造技术的内涵

虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，利用三维软件实现虚拟样机的建模，进行结构分析，对各个零部件进行建模，确定每个结构的建模顺序和各个零部件的特征，优化所建模型的特征。确保在后续的设计过程中每个零部件的主要参数不发生变化，确保与其相关零部件的参数和结构不产生变化。设计人员用计算机在虚拟环境中，利用虚拟环境的可视化和可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行设计开发、加工、装配、动态模拟。

三、虚拟装配

整个虚拟装配的目的是为了检验产品的设计可行性以及对产品整体的性能进行模拟仿真和检测。对装配体的检测主要包括间隙验证、碰撞检查、零部件之间空间关系有无干涉，从而避免装配体中的零部件在空间上出现相互重叠的现象。利用对产品的外型设计、色彩设计、功能展示、成品展示和性能检验过程建立多方面交互的计算机数字模型，来代替实物产品的一种设计方式。它能反映设计产品的实际特性，其中包括产品外观、运动学、动力学特性和各个零部件之间的空间关系、逻辑关系。还能进行各个零部件之间动态干涉检查等等。设计者在计算机上对产品进行三维可视化处理，实现产品从设计、生产、装配、调试和使用等整个生命周期，模拟在真实环境下，根据仿真结果对产品进行设计、改进和提高。

四、虚拟设计到批量生产的优势

虚拟样机对机械零件进行模拟仿真，将整个制造过程进行综合分析。选出最优的产品设计方案。在传统设计中，需要制造出几台样机，进行样机调试和性能试验是设计中必不可少的步骤。根据试验结果进行改进。有时候甚至需要生产多部样机多次、反复进行各种性能测试后才能将设计的新产品投入批量生产。传统设计方式研发过程周期长，增加了设计成本，耗资巨大。虚拟制造技术能够使设计产品在正式生产加工之前得到检验，在虚拟制造环境中，工程技术人员可以模拟现实生产环境直接对设计出的产品反复进行各种仿真实验，还可以检查产品的各项技术性能，提高了产品设计成功率。此外，虚拟制造技术在原型库中拥有大量类似的产品，工程技术人员在设计过程中可以将它们任意调出进行修改和应用，轻而易举的迅速生成新的产品。在产品的设计阶段就进行对产品制造全过程的虚拟集成，将产品的开发设计、生产、实验等全过程可能出现的所有问题解决，提高产品设计制造成功率。三维设计软件中的新建工程图可以将建成的三维实体模型转换成结构和尺寸标注都非常准确的二维工程图。还可以根据生产需要生成各种侧视图、轴测图、剖视图、局部放大图等。制成标准的二维工程图用于产品的批量生产。产品的整个虚拟设计到批量生产的过程降低了成本，减少投资，缩短产品开发周期，又对难以预测、瞬息万变的市场需求做出快速响应，形成企业强大的市场竞争优势。

五、虚拟制造技术在农机设计中的未来发展

农业机械设计过程中利用三维设计软件经过虚拟设计、装配、仿真调试以及完善修改，完成了虚拟样机的整个设计过程。虚拟制造技术是现代科学技术和生产技术发展的必然结果，是农业机械制造技术与系统发展的必然趋势。目前，小型农用无人驾驶飞机进行空中观察和农田洒药等作业，无人驾驶汽车以及各种智能机器人在现代社会中的发展已经不是新鲜事物了。我相信，在未来发展中农业机械总体设计的目标也会按人类需求不断提高，农业机械将通过三维软件虚拟设计制造技术，在深入研究人与农机设备和劳动生产环境三个主要要素各自性能及特征的基础上不断发展提高，从机器整个系统的整体性能出发，在操作农用机械的过程中，设备将信息通过视觉、触觉、听觉等感觉器官传输给工作人员，工作人员将信息通过中枢神经进行处理，然后指挥操纵机器。虚拟现实设计将通过人机工程学设计出的农业机械设备将更加先进、更加符合农业生产需求，更加人性化，智能化，能够进行独立的、复杂的生产劳动，操作简单，可操控性好，功能上符合农业生产要求，减轻农民劳动作业强度，外观符合人类审美要求，增加农民在劳动中的幸福感。

（作者单位：157000 黑龙江省农业机械工程科学研究院牡丹江农业机械化研究所）