CAD/CAM在新型农业机械设计制造自动化中的应用及发展分析

李鹏飞 ，秦亚凡 ，赵 朔

（华北理工大学，河北 唐山 063210）

CAD（计算机辅助设计）和CAM（计算机辅助制造）是20世纪60年代兴起的一种计算机应用技术，主要依靠计算机、软件和各种外围设备进行工作，囊括二维平面图形设计、二维几何图形设计、数控加工编程、有限元分析、仿真模拟以及产品数据管理等内容。CAD/CAM技术经过长时间的发展普及，已经被广泛应用到机械制造的各个领域。CAD主要利用计算机及其图形处理能力帮助设计人员进行设计工作。CAM则主要利用计算机辅助整合从生产准备到产品制造的整个流程活动[1]。相较于烦琐的传统设计流程，CAD技术能够大幅度提升整个企业的设计效率，易于优化更改方案的特点，缩短了设计周期。CAM技术将计算机、生产过程和制造设备联系到一起，统一了整个生产流程，实现了高度的自动化，大大减少了人力成本和管理费用。

1 我国农业机械现状

1）从效率方面来看，目前我国的农业机械化率还有待提高，截至2018年年底，多项农作物产品种植、施肥、收获机械化率均未到25%，因国产变速箱、后桥等必要设施故障频发，故障率极高，直接影响了农业机械的利用效率和使用频率。由于农业生产与收获时间有限，导致农业机械作业时间较短，使用率较低的情况下更易导致零部件的老化和损耗，同时也因为作业时间较短，迭代频率与其他机械相比持续走低，智能化效率也难以提升。

2）从创新性方面来看，国产农业机械主要以中小型为主，低端、低质量产品较多，国外持续发展大型、宽幅和高效的农业机械。国产农业机械制造者为追求更高的使用效率，一味地创新和发展高马力的发动机，而液压系统、底盘技术、加工工艺等多方面无法和高马力设备匹配。另外，不断复制低端、低智能产品，创新发展不够，在农业机械中还存在着个别配件创新极端的问题，国家大力提倡科技创新在一定程度上改变了这一状态。但和其他机械相比、和国外发达国家相比，我国农业机械创新性仍有很大的不足。

3）从购买指向性来看，从事农业生产的农民平均年龄为41.7岁，文化程度较低，即使近年来不断有社会各界下乡普及知识，但对于智能化程度较高的农业机械仍需具备一定文化素养才能操作，农民的购买需求指向性为实用性、价廉性和简便性。我国目前主要生产中小型农业机械，国产农业机械还存在很多弊端，大型农业机械主要以进口为主，价格较高，不符合农民的购买指向性。现如今农民更倾向于购买简便性更高的联合收割机，但由于每年作业时间较短，更新换代所需时间较长，更加智能的农业机械不符合农民的购买指向性和可用性。

2 CAD/CAM技术在新型农业机械设计制造及其自动化中的应用

2.1 CAD在三维设计农机零部件中的应用

在三维CAD设计建模下，可以对农机的常用零部件进行直观的机构分析，避免了由于二维图设计不精确而造成实物拆卸的情况，缩短了设计周期。在设计耕整机械时，常常因为其型号较多、结构复杂、工作环境不同而出现设备标准化程度低、产品质量不佳的情况，从而影响企业效益。具体而言，按耕地机械划分，可分为耕整机、微耕机、田园管理机、浅耕深松机等；按整地机械划分，可分为悬耕机、滚轧耙、镇压器等。在CAD三维设计中，虽然各型号的耕整机械零部件种类参数不同，但其所实现的产品功能基本一致，故CAD三维设计更有利于播种机械结构的模块参数设计，更有助于缩短产品的研发及生产周期，从而减少设计制造成本，提高经济效益[2]。

2.2 CAD在现代化农机普及教学中的应用

CAD技术具有直观的表达方式，可以实现3D构件的展示，容易被各个领域想要了解农机的人们理解，在教学和农机普及中体现出了十分显著的利用价值。对于二维图表达十分复杂的零件，通过CAD软件可以灵活地用半剖视图、全剖视图对零件进行合理表达，还可以对作业中的结构进行运动仿真，对于现代农机设计的标准化起到了不可或缺的作用[3]。

2.3 CAM技术在农机装备制造中的应用

在农机装备制造中，CAM计算机辅助制造技术可以有效地实现农机零部件的切削加工，在各类零部件中，轴承类零件、发动机类零件等受其作用尤其突出。

2.3.1 轴承类零件

轴承类零件大多数是回转体的圆形表面，这些零件表面具有短而薄的特点，这些零件必须在各种天气条件下可靠运转，在各种极具挑战的情况下运行，需要满足使用寿命长、耐潮湿腐蚀、高压工况下持久耐用的要求[4]。因此，要求对零件进行精密加工，利用CAM计算机辅助制造技术能够有效地满足加工时对零件的各种要求。农机中常用的为球类轴承，此类轴承既要承受径向力，同时也要承受轴向力。由此产生的变形对于零件有着更高的精度要求，而CAM数控加工技术可以有效满足这些零件所要求的细节，有效保证了该类零件的使用期望。

2.3.2 发动机类零件

农机设备出现故障的成因按照特点分类可分为磨损性故障、错用性故障、固有薄弱性故障。其中，磨损性故障和固有薄弱性故障只能通过使用性能更好的材料以及改善发动机结构才能解决[5]。而在加工复合材料等难加工的材料时，CAM辅助加工制造技术则可以在保证精度的同时，对一些使用普通手段难以加工的有复杂腔壁的零件实现充分加工，精准切割，解决精度控制的问题，有效避免由于机械加工产生的瑕疵。此外，利用CAM技术辅助加工时，还可对发动机中易磨损的零件进行模块化生产，减小维修压力，缩短维修时间，使发动机零件的生产变得高效化、低成本化。

2.3.3 悬挂类零件

在农机设备进行挂接与升降的过程时，需要悬挂装置来进行工作。对于悬挂类装置，一是要保证连杆位置可以满足国家规定的相关要求，二是要保障在运行过程中牵引装置与不同的农具接口有着一定的互换性，使得农机在运行中有稳定的牵引力。这就需要有关人员利用计算机辅助设计技术对限位机构进行合理设计，将摆动幅度控制在有效范围内，通过计算机对活动杆的应力、强度以及刚度的精确分析，来设计满足生产载荷的结构，从而提高机械作业的稳定性。在传统加工技术中，无法满足新型农机设备悬挂系统中悬挂与众多电子元件、传感器等扩展部件的复杂结构的配合加工需求，而通过数控加工进行计算机辅助应用，即可有效配合产品的各种加工需求。

3 CAD/CAM技术在农机制造中的应用特点及其优缺点

3.1 CAD/CAM在农机制造的应用特点

一直以来，我国农业机械企业都偏向于采用传统的设计制造方法，所以已经远远落后于汽车、航天、数控机床等行业，而我国农业机械的生产制造又存在设计重复度高、生产规模分散、自动化程度低等问题[6]。

农业机械为了适应各种地形和农作物，有着大量不同的型号和结构类型，但是机械结构大多比较稳定，复杂程度也比较低。对于不同农作物的不同生长周期，农业机械也只能选择在特定时间进行试验，进一步延长了农机的开发周期。从当前的情况来看，我国农业机械企业近些年效益不佳，导致大多数农业机械企业对CAD/CAM等新技术的引进应用也持保守态度，没有足够的经济实力将新技术引进并投入到农业机械设计生产中。

引进应用CAD/CAM等新技术具有诸多益处，可以提高农业机械智能化程度，大幅度缩短农业机械的开发周期，并节约成本。在一些零件的设计过程中，可以使用软件对二维图形进行工程图纸的绘制，再根据图形参数利用三维图形软件进行零件的三维图形设计。根据生成的模型形状和数控机床刀具的各种参数，得到完整的零件加工轨迹[7]。

3.2 CAD/CAM技术的优缺点分析

CAD/CAM技术在农业机械的加工设计中主要通过二维的软件绘图来代替传统的手工绘图，一直以来，传统手工绘图都是影响机械设计生产效率的因素之一，传统绘图依赖于设计人员的多方面沟通交流，其中修改和绘图占据了绝大部分时间，非常影响设计效率。而图形程序库对于尺寸参数的自动调整提高了设计方案的质量和效果，三维立体空间造型也保证了小型零件的加工精度。在CAD/CAM技术的辅助下，整个设计生产制造流程将会变得十分可控，设计人员和生产人员可以运用自己的设计经验和判断能力来控制整个设计和生产制造过程，一旦发现质量问题，可以立即采取有效措施予以纠正[8]。

目前，CAD/CAM技术在农业机械研发应用方面普遍存在规模小、人才短缺、创新能力弱、新产品开发周期长等问题。二维制图能力薄弱，三维技术应用不足，导致许多农业机械企业仍然无法利用CAD/CAM技术进行产品的开发。我国的农业机械企业迫切需要CAD/CAM技术的具体支持，以达到开发新产品、缩短研发周期、节约生产成本的目的[9]。

4 CAD/CAM技术在农业机械领域的发展前景

按照规划，到2035年我国将实现农业全程全面机械化，而实现农业全程全面机械化也是实现农业现代化目标的基础。

随着CAD/CAM辅助设计制造技术不断被应用到各种农业机械设计及工艺加工之中，对于农业机械的原理分析、方案设计、结构总体设计、基本绘制和分析都有着极大的辅助作用。而近年来随着大数据技术的不断发展，CAD/CAM辅助设计制造技术能够更好地拟合数据分析曲线并进行对比，对力的分析和更加节约能源的建构方法进行模拟，达到更高的数据分析要求，这将在很大程度上降低性能成本、完善设计的工艺性，辅助农业机械实现创新性和完全性的发展。

目前，国内的大型农业机械主要以进口为主，而CAD/CAM辅助设计制造技术的大范围普及会在很大程度上帮助国内推进大型农业机械的生产与创新，提高中小型农业机械的智能化程度和稳定性，在设计生产中通过数据拟合能够直接降低故障率，同时降低生产成本[10]。通过材料与加工工艺的改进，生产更加绿色环保的农业机械，将CAD/CAM技术与液压及电器控制相结合，提高农业机械的智能化水平和生产效率。未来我国农业机械将朝着更加机械化、智能化、绿色化、现代化的方向发展，更加贴合可持续发展的理念和目标。

5 结语

综上所述，随着农业机械制造行业的不断发展，农业机械制造行业对于计算机智能制造方面的要求逐渐提高，行业自动化水平大幅提升，CAD/CAM技术在农业机械自动化发展中起到了显著的解放农业生产力的作用。由普通制造转为智能制造是我国农业机械制造领域的一次重要的产业变革，增强了我国在世界农业机械制造行业的影响力。然而目前我国与国际顶尖的农业机械制造水平仍有一定的距离，应该积极推动新技术在农业机械制造行业的广泛应用，抓住良好的发展契机，提高我国农业机械的国际竞争力，促进我国实现农业全程全面机械化。