农业机械智能化产品设计研究

2021-12-02朱静静

农村实用技术 2021年1期

朱静静

（山东华宇工学院，山东德州 253000）

自动化控制技术在农业机械设计中起着重要的作用，因为农业机械的运行环境和设计都是复杂的。单靠检测和控制系统是无法实现高效生产的。因此，有必要加强研发工作，以实现更有效的信息收集、集成和处理。在这些条件下，产生了智能农业机械。智能农业机械可以对传感器反馈信号进行智能处理，同时与控制系统和操作者进行交互，完成信息交互，确保机械运行的可靠性和效率。

1 智能化设计技术概述

1.1 智能化设计

智能化设计是一种结合KBE和计算机辅助设计理论的现代设计方法。旨在模拟认知和行为特点，设计者在设计活动系统时可以使用大量的知识来设计、判断、决策来定制和对智能产品进行设计。

1.2 智能化设计特点

基于已有理论和现代设计方法，借鉴相关知识、人工智能等技术手段，实现传统CAD技术数值计算和图形处理工具，构建一个出现出色的自动化智能设计。伴随着大数据等概念的兴起，智能生产、并行工程、虚拟现实技术和模拟技术等，以及更高层次的自动化整合多学科知识和支持大规模。在未来，智能设计技术将“以人为本”的设计理念，强调环境中的多个独立代理合作网络和分布式数据库，实现并行性、协同，不断的整合网络产品设计。

产品设计过程本质上是一个重复决策过程，包括用户需求评估，设计决定过程，技术问题决策和评价决策。在决策的过程中，用户的需求模糊，模糊的设计空间，设计过程的复杂性，设计结果的多样性及其相对精度，使智能设计系统不同于其他智能系统特别困难。因此，就其具体改善措施而言：（1）有效的需求分析，描述用户的隐式和显式需求，以得到进一步的分析处理和映射关系的设计产品和用户的需求，从多方面的综合分析和市场需求，职业竞争力和公司的情况。（2）描述需要分解和任务设计，理清各个任务之间关系，如何分配相应的需求决定产品的决策单元。（3）充分表达各类型的知识，建立结构良好的知识库，合理地表示、分类、组织和管理不同类型的知识和数据。（4）知识推理机制有效融合和设计的产品是利用相应的推理机制，改善知识重用率和使用。根据重新设计的知识，可以确定产品重新设计的关键点和相应的参数。

2 农业机械智能化设计技术发展

2.1 农业机械的模块化设计

模块化设计是指在分析产品功能的条件下设计的一系列功能模块，这些模块的组合可以形成多种产品类型供客户选择。农业机械往往更为复杂，模块往往无法充分适应，因此它们往往无法利用模块化设计的优势。因此，农业机械的模块化设计必须在模块划分、优化和评价的各个方面进行。

2.1.1 模块的划分

今天，常用的划分方法是分组和模块划分。建立数学规划模型，并利用相应的算法得到模块除法的最优解。分组通过矩阵和网络的设计显示生成元素的拓扑关系。同时，根据分组算法，计算了各部分分组模块之间的区别。主要有两种形式：一种是基于DSM分组的模块分区方法，另一种是基于图论的模块分区方法。模块分区方法更容易得到局部最优解，而聚类定律更复杂，一些更复杂的乘积不适用。结合模块划分标准，模块划分方法可分为产品功能、结构和模块划分方法生命周期三个层次。

2.1.2 模块的优化及评价

产品的模块化划分更加灵活，不同的模块化程序在模块级别上也会有所不同。根据系统和模块属性等层次探索模块产品优化，确定影响产品优化的因素，构建系统成本结构，重点提高系统运行成本。然而，模块化设计在农业机械中的应用必须注意两个方面：第一，农业机械的部件和功能通常具有一定的异质性，而部件之间的耦合力一般较高。因此，在划分模块的过程中，我们必须关注模块的异质性，减少组件的同质性。此外，由于农业机械部件的复杂性，需要进一步考虑产品生命周期的影响；其次，需要结合客户需求和设计知识来支持系统模块参数的设计。模块化设计需要一个更完整的应用系统，不仅要对模块进行划分，还要设计模块的主要参数。

2.2 计算机辅助建模

目前，计算机辅助CAD系统主要用于参数化建模技术，在农业机械产品的数字设计中有广泛的应用。产品模型的一般数据和标准不能有效地支持几何结构等设计概念的转移。然而，通过基于历史的参数建模方法，宏命令可以用于交换CAD模型。CAD建模需要使用设计知识来实现智能设计，而设计知识和计算机建模的结合可以进一步保证模型的适用性。CAD模型设计知识分为几个层次的隐性知识，如尺寸、标准和材料特性。基于NISTCPM的面向并行工程的设计数据库表示模型将知识描述为三个层次，并提出了一个基于知识的参数化设计系统。这些系统结合了AGMA标准和使用KBE技术对CAD系统进行建模。基于web技术的CAD建模系统可以更快地生成广告模型和CNC代码，形成一个通用的CAD参数模型。CDM模型是通过使用集成的工程概念和专家知识，结合标准设计编程和原型包来实现产品开发的自动化而创建的。

2.3 虚拟仿真

2.3.1 农业机械中虚拟仿真技术的运用

生物技术与农业技术的结合是将先进制造技术与智能控制技术以及新材料结合起来的先进手段。农业机械模拟涉及许多学科，如农业科学、力学和控制学。目前，虽然仿真工具可以解决大多数仿真问题，但要满足农业机械复杂的、物理性的耦合要求，必须依靠多个农业机械领域的仿真。

2.3.2 虚拟现实技术的应用

VR技术的普及也对农业机械的设计产生了影响。对于一些结构复杂、设计困难的大型农业机械，VR技术可以对其外观、功能和结构进行建模，并通过虚拟现实技术进行虚拟操作。评估产品的功能和设计，实现人与农业机械的灵活互动。在这个阶段，VR技术在农业机械上的应用已经成为生活各方面的一个主要关注点。该技术的应用也取得了显著的成果，主要用于虚拟装配和虚拟实验。首先是虚拟装配技术。与一般的装配技术相比，VR虚拟装配可以实现农业机械在融入式条件下的装配，并在产品的装配方向上确定其装配能力，设计装配方案。特别是在一些最复杂的装配任务中，VR技术具有显著的优势。由于VR技术的推广，国内外对虚拟装配建模技术和装配工艺设计进行了深入的研究；第二，虚拟测试。利用VR技术完成农机虚拟测试，不仅可以预测产品性能，还可以让操作者了解农机状况。VR技术在农业机械虚拟实验中的应用还不够成熟，利用VR技术开发的非道路车辆虚拟样机系统可以达到模拟驾驶的目的。通过这种方式，也可以对驾驶控制系统进行评估。

3 农业机械智能化设计的发展展望

3.1 将客户需要作为方向的个性化设计

对于农业机械，客户的要求和选择是不同的且是分层的。利用大数据技术收集和组织客户信息，分析客户需求和偏好，研究农机使用、管理、客户需求三者之间的联系，构建用户需求模型。另外，重点分析客户需求和产品设计之间的转换，如人工智能算法和理论，实现客户领域对功能和领域的接触性能，进而设计出更加科学和高性能的农业机械，实现客户多样性的要求。

3.2 将知识重用作为动力的建模技术

从农业机械生命周期的角度来看，多系统、多方面、多层次的数据交换和知识重用于所需的集成产品建模至关重要。目前常用的建模技术有本体建模和MBD技术建模。它们在航空航天工业和船舶中有共同的应用。它们可以有效地提高智能设计与智能生产的兼容性，特别是MBD技术，有效地提高农业机械产品的生产和连接方式，保证设计数据的可靠性，减少对其他信息的依赖。促进产品设计、产品加工制造和产品销售的更广泛的交流。因此，从生命周期角度而言，农业机械、农业机械产品开发的模型以及农业机械产品设计统一的概念，使用知识重用和一体化进程的生命周期，包括交换信息，是未来智能农业机械设计的主要研发方向。