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当前农业机械智能化设计技术发展状况和发展前景

2020-06-24 325 上传者：管理员

摘要：目前,我国农业的高速发展,对于农业作业形式也有着更高的需求。传统的农耕模式逐渐无法满足农业的发展要求,而智能化农业机械的应用也获得了广泛的认可,成为了农业发展的必然趋向。由于我国具备人口多、人均耕地面积少等特征,所以农业资源的利用率也相对不高,对于农业的发展来说较为不利。而为了能够改善这一现状,农业机械的智能化发展至关重要,是保证农业生产效率以及农业经济发展的重要条件。

关键词：
优化及评价
农业机械
发展现状
技术发展
智能化设计技术
自动化控制技术
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自动化控制技术在农业机械设计方面发挥着重要作用,因为农业机械的运作环境以及设计都较为复杂,单单凭借着传感系统以及控制系统并不能实现生产的高效化,所以需要加大研发力度,针对其信息实现更高效地收集、整合、处理。在这一条件下,智能化的农业机械便由此而生,智能化农业机械能够实现针对传感器反馈信号的智能化处理,同时和控制系统与操作人员完成信息的交互,进而保证机械作业的可靠性和效率性。

1、农业机械智能化设计技术发展

1.1农业机械的模块化设计

模块化设计指的是在分析产品功能性的条件下设计的一系列功能模块,而这些模块的结合则能够组成各种类型的产品供客户选择。农业机械通常较为复杂,并且模块常常无法充分适应,所以时常无法发挥模块化设计的优点。所以,对于农业机械的模块化设计需要针对模块的划分、优化和评价几个方面开展。

1.1.1模块的划分。

如今常见的划分手段有聚类式及启发式等,启发式结合工程适用背景来建立数学规划模型,利用相应的算法来获得模块划分的最优解。聚类式通过矩阵和网络的设计来表现产品元素拓扑关系,同时根据聚类算法来计算其中零件的成组模块区分,最主要的方式有两点,一种是以DSM聚类作为基础的模块划分方法,另一种则是以图论作为基础的模块划分方法。启发式的划分方法较为容易得出局部最优解,而聚类法则较为复杂,一些较为复杂的产品则并不适用。结合模块划分标准可以将模块划分手段分成以产品功能性、结构、生命周期三个层面的模块划分方法。

1.1.2模块的优化及评价。

产品的模块化划分较为灵活,而模块化方案的不同,模块度也会存在一定差异。根据模块的系统和属性等层面来探讨模块化产品的优化问题,找出影响产品优化的因素,构建系统成本结构,重点改善系统的运作成本。而农业机械中应用模块化设计则需要注意两个层面的问题:其一,农业机械组件和功能性一般会存在一定的异质性,同时组件间的耦合强度普遍较高。所以,在实现模块划分过程中,需要重点关注其异质性,对组件进行同质化约简。而且,因为农业机械组件较为复杂,所以需要进一步考量产品生命周期的影响;其二,需要结合客户的要求和设计知识支撑的系统模块参数设计问题。模块化的设计需要有一个较为完备的应用体系,不但要做到模块划分,而且还要设计好模块主参数[1]。

1.2计算机辅助建模

目前,CAD计算机辅助系统用作建模中,主要有PTCCreo参数化建模技术等,在农机产品数字化设计中有着普遍的应用。一般的产品模型数据与标准并不能有效地支撑几何构造历史等设计理念的传递,而通过以历史作为基础的参数化建模手段则能够利用宏命令来实现CAD模型的交换。CAD建模需要利用设计知识来实现智能化的设计,而设计知识与计算机建模的结合,则能够进一步保证模型的适用性。CAD模型的设计知识分为尺寸、标准、材料特征等几个层面的隐性知识。以NISTCPM作为基础的面向并行工程的设计数据库表示模型则将知识描述为三个层面,提出以知识为基础的参数化设计系统。这类系统通过运用KBE技术把AGMA标准结合在了直齿圆柱齿轮的CAD系统建模中。基于Web技术的CAD建模系统则能够更加快速地产生CAD模型以及CNC代码,形成一种CAD参数通用模型,利用嵌入式工程概念以及专家知识和设计标准编程与原型软件包结合的方式来创建CDM模型,实现产品的自动化开发。

1.3虚拟仿真

1.3.1农业机械中虚拟仿真技术的运用。

结合生物技术及农艺技术,是集结先进制造技术和智能控制技术以及新材料的先进手段。农业机械仿真涉及到了农业科学、机械学、控制学等多个学科领域,目前仿真工具虽然能够化解多数仿真问题,不过若想进一步满足农业机械较为繁杂且多物理耦合的要求则需要根据各个农业机械领域的仿真进行分析。

1.3.2虚拟现实技术的应用。

VR技术的推广也为农业机械设计带来了影响,针对一些结构繁杂,设计起来难度较大的大型农业机械来说,通过VR技术能够针对其外观、功能性、结构等完成建模,并通过虚拟现实技术来实现虚拟作业,对产品的功能性以及设计方案进行评价,并实现人与农业机械的灵活交互。现阶段,VR技术在农业机械中的运用已经成为了各界所广泛关注的话题,而这一技术的应用也有着显著的成效,主要应用于虚拟装配以及虚拟试验中。其一,虚拟装配技术。和一般的装配技术对比,虚拟装配通过VA能够在沉浸式的条件下实现农业机械的装配,并在产品装配的方向上来确定其可装配性,并设计装配方案。尤其是一些较为复杂的装配工作,VA技术拥有着显著的优势。由于VA技术的推广,国内外都针对虚拟装配技术的装配建模以及装配流程设计等进行了深入的研究;其二,虚拟试验。利用VR技术完成农业机械的虚拟试验不但可以确定产品性能的预测,而且还可以为操作人员了解农业机械提供条件。VR技术在农业机械虚拟试验中的应用尚不够成熟,而通过VR技术开发的非道路车辆虚拟样机系统则能够完成模拟驾驶的目标,通过这一手段可以还实现驾驶控制系统的评测。

2、农业机械智能化设计的发展展望

2.1将客户需要作为方向的个性化设计

对于农业机械来说,客户的要求和选择是多样化的,也是层次化的。利用大数据技术来收集并整理客户信息,分析客户的需求和偏好,研究农业机械的使用、管理、客户要求三者之间的联系性,构建用户需求模型。除此之外,重点分析客户要求以及产品设计间的转化方式,比如人工智能算法以及AD理论等,实现客户域到功能和结构域的联系性表现,进而设计出更加科学且高性能的农业机械,以此来达到客户们多样化的要求。

2.2农业机械设计基础数据和互作机理

促进农业发展,保证粮食安全是农业机械的发展目标,而针对农业机械设计数据缺乏,以及产品质量不足等现象,通过土壤—机械—作物系统的规律,以及相关装置技术的研究,重点分析构建基于网络化的农田土壤力学参数和农业机械物理特性指标、农业机械荷载及结构力学、工程材料和农业机械通用组件数字化设计数据库等,以此来为农业机械智能化的设计基于支持。

2.3将知识重用作为动力的建模技术

以农业机械生命周期为角度,做到多系统、多层面、多环节的数据共享以及知识重用所需集成的产品建模至关重要,目前常见的建模技术有本体建模和MBD技术建模等,在航天、船舶中都有着普遍的应用,能够有效提高智能化设计和智能化生产的契合程度,特别是MBD技术,有效改善了农业机械产品的生产和研发模式,确保设计数据的可靠性,降低了针对其他信息的依赖性,促进了产品设计、产品加工与制造、产品销售的进一步交流。所以,农业机械生命周期视角下,开发农业机械产品TDP,以及拥有统一化设计理念的农业机械产品模型,利用知识重用和生命周期流程的集成,以及信息共享则是农业机械智能化设计未来主要的研发方向[2]。

3、结语

综上所述,现代农业的发展离不开智能化农业机械,通过将先进智能化技术与农业机械设计与制造的充分融合,进一步加强农业机械的功能性与效率性,推动了现代农业的稳定发展。基于此,针对农业机械智能化设计技术的发展现状以及未来发展趋势进行分析与研究至关重要,决定了未来农业机械的发展,及其在农业发展中的价值。

参考文献：

[1]杜岳峰,傅生辉,毛恩荣,等.农业机械智能化设计技术发展现状与展望[J].农业机械学报,2019,50(9):1-17.

[2]陈福云.农业机械智能化的发展现状与前景[J].农业科技与装备,2018,(5):78-79.

崔跃峰.农业机械智能化设计技术发展现状与展望[J].农业开发与装备,2020(06):9+11.