周 璨
（长沙商贸旅游职业技术学院软件学院，长沙 ４１０１１６）
摘 要：为了提高农机产品的设计效率、缩短设计周期、降低设计成本，将基于智能制造的数字化方法引入到了农机产品的设计上，并采用大数据云平台技术为数字化虚拟设计和虚拟制造提供了存储和计算平台，从而实现了虚拟设计和制造的大数据存储和高速度仿真计算。以农机零部件的虚拟加工仿真为例，对比了单台计算机和云平台的设计计算效率，结果表明：采用云平台技术可以明显提高计算效率，进一步缩短设计周期，降低设计生产成本。
关键词：大数据云平台；数字化设计；虚拟仿真；智能制造；农机产品
中图分类号：Ｓ２２０．６；ＴＰ３９１．４４ 文献标识码：Ａ文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０２１）１１－０２３４－０５
０ 引言
数字与智能制造作为关键技术应用到数字化工厂，是现代工业化与信息化融合的体现，也是实现智能化
制造的必经之路。打造数字化工厂，是当前工业企业变革、突破的重要手段。随着农业现代化水平的不断提高，大型化和智能自动化农机被应用到了农业生产过程中，由于大型和智能化设备零部件的复杂性，给农机产品的设计带来了较大的挑战。采用传统的方法设计效率低、生产成本较高，如果将数字化智能制造技术引入到农机零部件的设计和制造过程中，可以有效缩短设计周期、降低生产成本，从而提高农机设计制造企业的竞争力。
１ 智能制造现状及其在农机数字化设计上的应用
在未来制造业的发展过程中，智能制造将会是其发展的重要方向，采用拟人智能化、自动化、互联网和传感器等，智能制造技术可以实现人机交互、智能感知和执行决策等重要的功能。在世界范围内，３Ｄ打印技术已由研发阶段转入到实验阶段，在智能化制造技术中已开始崭露头角，在先进加工制造过程中，智能制造技术已经可以贯穿于制造的整个过程，在很多国家，智能制造技术已经被上升到国家战略。
近年来，我国的智能制造技术发展迅速，但在发
收稿日期：２０２０－０１－１５
基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（１９Ｃ０１２９，１８Ｃ１８３１）
作者简介：周 璨（１９８１－），女，湖南邵阳人，讲师，硕士，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｚｈｏｕｃａｎｃａｎ１９８１ｓｙ＠ｑｑ．ｃｏｍ。展过程中也存在很多问题：①智能制造的理论和技术有待完善，特别是智能化控制系统的硬件和软件技术体系还不够完善；②智能制造长远发展战略的不足，特别是在技术发展的协调和管理方面还存在很大的不足；③对于先进的智能制造技术的依存度较高，目前工业机器人、芯片制造装备、汽车制造生产线、先进农业机械制造装备还严重依赖进口，包括智能制造的核心基础部件，也依赖于进口；④一个重要的不足是对于智能制造的软件系统重视程度不够，软件系统是实现智能算法的重要部分，通过软件系统的编程设计，可以将神经网络、遗传算法、蚁算法、模糊算法和蜂算法等控制算法应用到制造系统中，提高制造过程的智能化程度。
为了实现农机智能化制造，可以通过构建大数据云平台来实现农机智能数字化设计，包括农机零部件的三维建模、装配仿真、加工过程模拟及加工工艺优化等，如图１所示。采用大数据云平台可以对农机零部件数据库的海量数据进行存储，基于云平台协同设计可以实现农机零部件的团队协作设计，采用云平台的并行计算可以实现零部件的快速虚拟装配、加工动画模拟等，大数据云平台对于实现智能化制造具有重要的作用。
２ 基于大数据云平台的农机智能制造平台构建
基于智能制造技术可以打造农机生成的智能工厂，智能工厂和数字化制造具有交集，其交集部分是以三维仿真和智能装备为核心的模型设计及制造工艺过程的智能化。这个智能化包括三维模型的协同
设计智能化、零部件虚拟仿真和数字化模拟、智能制造过程管理与优化的数字化车间。以二维角度来看，智能制造和数字化工厂涉及的业务范围大致如图２所
电子煎药壶
示。
图１ 基于大数据云平台的农机数字化设计Ｆｉｇ．１ Ｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙｂａｓｅｄｏｎ
ｂｉｇｄａｔａｃｌｏｕｄｐｌａｔｆｏｒ
ｍ
图２ 基于智能制造的数字化工厂
Ｆｉｇ．２ Ｄｉｇｉｔａｌｆａｃｔｏｒｙｂａｓｅｄｏｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
在数字化工厂的设备层、车间层和企业层，从设计、工艺和生产都可以应用智能制造技术，三维模型的协同研制是智能制造和数字化设计的一个重要应用。例如，美国在设计飞机时已经利用数字化设计实现了无纸化设计和生产，如美国的波音７７７客机在使用数字化设计后设计周期缩短了２／３的研制周期，生产成本也大大降低。
仿真模拟是智能制造和数字化设计的另一个重要的应用，采用虚拟仿真技术可以对机械零部件的建模和虚拟装配进行仿真，可以对零部件的设计和加工制造进行虚拟仿真，也可以对零件从材料采购到生产加
液压滑环工一系列的环节进行模拟，其典型的应用如下：
１）加工仿真。该环节可以对加工的路径进行校验，查看是否存在刀具和工件的碰撞，切削余量是否合理，以便规划合理的加工工艺。
铣床飞刀２）装配仿真。装配仿真可以帮助工程师对设计的零部件进一步进行校核，验证零件之间是否存在干涉问题，并通过运动学和动力学仿真对设计的零件模型进行优化。
３）物流仿真。该环节可以对物流设施的容量、物流的路径规划和效率等进行仿真，以规划合理的生产规模。
４）工厂布局仿真。例如，新建厂房规划、生产线规划、仓储物流设施规划和分析等。
通过基于仿真模型的“预演”，可以及早发现设计中的问题，实现设计和加工过程的智能化和数字化优化。图３所示为三一重工开发的三维工厂布局规划平
台。
图３ 物流系统仿真
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｏｇｉｓｔｉｃｓｓｙｓｔｅｍ
通过对物流系统等项目和环境的仿真，可以有效缩短工厂的建设周期，降低设计成本。基于智能制造技术，结合大数据云平台可以构建农机的智能制造数字化平台，如图４所示。
基于大数据和云平台可以开发智能物料、智能产品和智能工厂的应用程序平台，并对设计和虚拟仿真的海量数据进行存储，保存虚拟仿真的过程和结果动画。基于智能物联网技术可以布置大量的传感器设备，并通过控制系统对执行器和移动设备等进行控制，实现智能化制造过程。
３ 农机零部件数字化智能制造虚拟仿真
在农机产品的生产过程中，很多企业的生产线都
采用了自动化生产线，如雷沃的自动化生产线（见图５），实现了拖拉机的智能化和数字化制造。采用数字化仿真手段，对制造过程中制造装备、制造工艺、制造系统以及产品性能进行定量描述，可以使农机工艺设计从基于经验的试凑向基于科学推理转变，进而提高
农机产品的智能化制造和数字化设计水平。
图４ 基于大数据云技术的农机智能制造平台
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙ
ｂａｓｅｄｏｎｂｉｇｄａｔａｃｌｏｕｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ
图５ 雷沃自动化生产线Ｆｉｇ．５ Ｌｏｖｏｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅ
在农机零部件产品批量生产之前，传统的方法是进行零部件的试制，然后进行试验得到加工的不足和缺陷，对加工工艺进行修改，再反复进行试制，直到得到合理的加工工艺。如果采用数字化设计和智能化虚拟制造，可以采用软件仿真的方法模拟加工出产品零件，然后对零件进行虚拟仿真实验，进而优化加工工艺。
虚拟加工制造得到的农机零部件产品如图６所示。产品模型是通过对建立的三维毛坯模型利用软件数字化仿真的方法进行虚拟加工得到的，数字化加工过程中可以对一系列的加工工艺参数进行设置，可视化界面如图７
所示。
图６ 零部件模拟制造成品
Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅｆｉｎｉｓｈｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆｐａｒｔｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎ
ｇ
图７ 零部件虚拟制造参数设置
Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇｏｆｐａｒｔｓｏｆｖｉｒｔｕａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
在导入农机零部件的三维模型后，对加工工艺参数进行设置，包括刀具参数和加工方法等，还可以通过编程的方法引入智能化算法；设置完成参数后，利用数字化仿真设计云平台对加工过程进行仿真，加工轨迹结果如图８所示。
采用云平台可以对加工轨迹数据进行保存，还可以对海量的加工过程动画进行保存，且采用云平台的计算效率较高，将其和单台计算机的效率进行了对比，结果如表１所示。
背板制作由表１可知：采用大数据云平台可以明显缩短设计和计算用时。这是由于云平台采用协同化设计和并行计算可以明显地提高设计和计算效率，对提升零
件的设计制造效率，
降低生产成本。
图８ 虚拟加工轨迹Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｒａｃｋ表１ 设计和计算时间对比
Ｔａｂｌｅ１ Ｔｈｅｔｉｍｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
止推片
加工模型编号
单台计算机
／ｈ云平台／ｈ１１２６．５９５．２２１３９．２１０２．３３１１２．８８１．６４１９６．３１３６．２５
１４５．２
１０９．６
４ 结论
为了提高农机产品的设计和加工制造效率，实现农机的数字化设计和智能制造，将智能制造技术和大数据云平台引入到了农机产品的设计和制造过程中，通过智能化虚拟建模和加工仿真，可以有效地缩短设计效率，提高加工制造质量。将采用单台计算机和云平台的虚拟设计和仿真计算效率进行了对比，结果表明：采用云平台技术有效提高了设计和仿真计算的速度，对进一步提高农机的数字化智能化设计制造水平具有重要的意义。参考文献：
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ＤｉｇｉｔａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＢａｓｅｄｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄＢｉｇＤａｔａＣｌｏｕｄＰｌａｔｆｏｒｍ
ＺｈｏｕＣａｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ，ＣｈａｎｇｓｈａＣｏｍｍｅｒｃｅ＆ＴｏｕｒｉｓｍＣｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０１１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｙｃｌｅａｎｄｓａｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｓｔ，ｉｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎ ｅｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ａｎｄｉｔｕｓｅｄｔｈｅｂｉｇｄａｔａｃｌｏｕｄｐｌａｔｆｏｒｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｓｔｏｒａｇｅａｎｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｄｉｇｉｔａｌｖｉｒｔｕａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｖｉｒｔｕａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｕｓｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｂｉｇｄａｔａｓｔｏｒａｇｅａｎｄｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｒｕｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙｐａｒｔｓａｓａｎｅｘａｍ ｐｌｅ，ｉｔｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｓｉｎｇ
ｌｅｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｃｌｏｕｄｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｒｅ ｓｕｌｔｓ，ｉｔｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｙｕｓｉｎｇｃｌｏｕｄｐｌａｔｆｏｒｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｕｒｔｈｅｒｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｙｃｌｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｇｄａｔａｃｌｏｕｄｐｌａｔｆｏｒｍ；ｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎ；ｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓ
mao sugiyama（上接第２３３页）
ＡｂｓｔｒａｃｔＩＤ：１００３－１８８Ｘ（２０２１）１１－０２３０－ＥＡ
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ３ＤＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＰａｔｈ
ＢａｓｅｄｏｎＥｍｂｅｄｄｅｄＰｌａｔｆｏｒｍａｎｄＡｒｃＧＩＳ
ＺｈａｎｇＧａｎｇ１，ＪｉｎＪｉｈｏｎｇ１，ＺｈａｎｇＹｏｎｇｈｕｉ２
（１．ＪｉａｏｚｕｏＴｅａｃｈｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉａｏｚｕｏＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｏｇｉｃｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓ ｔｅｍｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄａｐａｔｈｓｐａｃｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｐｌａｎｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎＡｒｃ ＧＩＳａｎｄＲＲＴｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉ ｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｃｈｅｍｅ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｄｒｉｖｅｒｌｅｓｓｔｒａｃｔｏｒａｓｔｈｅｔｅｓｔｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅｐａｔｈｉｓｍｏｄｅｌｅｄａｎｄｐｌａｎｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡｒｃＧＩＳｓｏｆｔ ｗａｒｅａｎｄＲＲＴａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｃｈｅｍｅｃａｎｑｕｉｃｋｌｙ
ｐｌａｎｔｈｅｐａｔｈｆｒｏｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｃｔｏｒｔｏｔｈｅｔａｒｇｅｔｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｓｈｏｒｔｅｓｔｐａｔｈｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｈｏｒｔｅｓｔｐａｔｈ，ｔｈｕｓｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｃｈｅｍｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄｐｌａｔｆｏｒｍ；ｓｐａｔｉａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙ
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