河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 李昕 馬志凱 袁永偉 張博

1 河北農(nóng)機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

河北東臨渤海，西倚太行，北與內(nèi)蒙古、遼寧交界，地形復(fù)雜多樣，山地、丘陵、平原等類型齊全，包含了水田和旱地，農(nóng)作物種植多樣化，耕地類型復(fù)雜。農(nóng)業(yè)機械是科學(xué)技術(shù)向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求轉(zhuǎn)化的成果，農(nóng)業(yè)機械的狀況反映了制造業(yè)的發(fā)展水平。河北擁有一大批農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)企業(yè)，比如河北圣和農(nóng)業(yè)機械有限公司、河北久豐農(nóng)業(yè)機械有限公司、河北雷肯農(nóng)業(yè)機械有限公司、河北農(nóng)哈哈機械集團、河北英虎農(nóng)業(yè)機械制造有限公司、河北博亞農(nóng)業(yè)機械制造有限公司等，研發(fā)和生產(chǎn)各種還田機、深松機、旋耕機、收獲機、打捆機、拖拉機等。河北省農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品的研發(fā)以結(jié)構(gòu)簡單、中小功率的產(chǎn)品為主。中小型農(nóng)業(yè)機械設(shè)備具有體積小、重量輕、行走靈活的特點，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)的重要設(shè)備，有廣闊的潛在市場。目前，中小型農(nóng)業(yè)機械設(shè)備特點為以下幾方面。

1.1 農(nóng)業(yè)機械設(shè)備功能多，專業(yè)化強

用戶對功能的需求呈現(xiàn)多樣化的特點，對產(chǎn)品所具備的功能并非都需要，無形中為多余功能承擔(dān)了不必要的費用。

1.2 單一設(shè)備需求量小

針對用戶實際需求進行小批量生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，加大了用戶的負(fù)擔(dān)[1]。

1.3 農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)過程系統(tǒng)性差，效率低

先進生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用不普及，生產(chǎn)與設(shè)計過程相分離，客戶參與度低，缺乏客戶協(xié)同設(shè)計的支撐技術(shù)[2]。

農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品與用戶需求脫節(jié)，造成了農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的積壓，增加了營銷和庫存等環(huán)節(jié)的費用。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)、先進制造技術(shù)的推廣和滲透，傳統(tǒng)的農(nóng)機制造業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型和變革。農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品的特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，專用性強，定制生產(chǎn)模式是發(fā)展農(nóng)機制造業(yè)的重要切入點，定制化生產(chǎn)和服務(wù)成為農(nóng)機制造業(yè)有力的競爭手段。

2 定制生產(chǎn)模式

定制生產(chǎn)利用網(wǎng)絡(luò)信息平臺，為客戶提供個性化的產(chǎn)品，并且接近批量化生產(chǎn)的成本，以迎合多樣化的市場需求，提高企業(yè)生存空間和競爭能力。定制生產(chǎn)模式的基本特征如下。

2.1 以客戶需求為核心指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)

定制生產(chǎn)模式強調(diào)客戶參與，關(guān)注客戶需求，是一種訂單拉動型生產(chǎn)模式。以訂單為導(dǎo)向，進行產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)全過程的規(guī)劃和實施。

2.2 對市場做到快速響應(yīng)

利用產(chǎn)品在功能、結(jié)構(gòu)方面的相似性，將產(chǎn)品分解為標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可操作的單元，通過單元接口重構(gòu)為變化的方案，將單件生產(chǎn)全部或部分轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)，具有很高的柔性，效率高，靈活性強。

2.3 技術(shù)是生產(chǎn)實施基礎(chǔ)，定制生產(chǎn)模式的關(guān)鍵技術(shù)如下

2.3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)包含了虛擬建模技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、虛擬裝配技術(shù)和虛擬制造技術(shù)。虛擬建模技術(shù)是利用計算機軟硬件建立虛擬可視化零件模型。隨著建模理論的發(fā)展，虛擬建模技術(shù)已不是早期對點、線、面、幾何體等簡單圖素的堆砌，而是具有工程約束和尺寸驅(qū)動功能的參數(shù)化特征建模技術(shù)。虛擬裝配技術(shù)將零件模型按照一定的配合關(guān)系、約束關(guān)系組裝在一起，為產(chǎn)品設(shè)計提供了完整的結(jié)構(gòu)信息。裝配模型可以分解為爆炸圖，零件在空間中按一定距離分散，目的是展示零部件之間的相互位置關(guān)系[3]。虛擬仿真技術(shù)模擬真實的系統(tǒng)和環(huán)境，進行產(chǎn)品生產(chǎn)或工作過程仿真，目的是預(yù)測產(chǎn)品制造可行性，以及產(chǎn)品的工作性能。工作過程仿真可以進行非載荷狀態(tài)下的運動學(xué)模擬，也可以進行載荷狀態(tài)下的動力學(xué)模擬，以檢驗產(chǎn)品運行過程中，零部件的干涉情況，運動軌跡、參數(shù)的變化，以及震動、變形情況。從而避免失誤，降低投資風(fēng)險。虛擬制造以產(chǎn)品設(shè)計方案模型為核心，對產(chǎn)品加工可行性、生產(chǎn)經(jīng)濟性進行分析與預(yù)測，進行工藝規(guī)劃、工序制定、數(shù)控編程、加工制造等環(huán)節(jié)的決策與控制。產(chǎn)品虛擬開發(fā)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品虛擬開發(fā)系統(tǒng)組成

2.3.2 柔性制造技術(shù)

伴隨著計算機軟硬件、信息技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展，和成組技術(shù)、物流技術(shù)、數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用，柔性制造技術(shù)（FMT）產(chǎn)生。柔性制造系統(tǒng)是高自動化程度的生產(chǎn)系統(tǒng)，由多臺數(shù)控加工設(shè)備組成，能夠根據(jù)加工對象的變化，不斷調(diào)整加工步驟和刀具、夾具等工藝裝備，在時空上具有高度靈活性。柔性制造系統(tǒng)主要由物料系統(tǒng)、加工設(shè)備和信息系統(tǒng)幾部分組成。物料系統(tǒng)包含了自動化倉庫、自動運輸車、工業(yè)機器人，負(fù)責(zé)物料的存儲和運輸。加工設(shè)備包括數(shù)控加工機床和加工中心，實現(xiàn)零件的切削加工。信息系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程中的物料控制和加工控制，檢測系統(tǒng)監(jiān)視整個生產(chǎn)過程，能夠進行數(shù)據(jù)信息的采集與處理，根據(jù)結(jié)果對生產(chǎn)過程進行反饋與控制。柔性制造技術(shù)在生產(chǎn)多品種、中小批量的產(chǎn)品時，相比傳統(tǒng)大規(guī)模單一生產(chǎn)技術(shù)，經(jīng)濟效益顯著。柔性制造系統(tǒng)組成如圖2所示[3]。

圖2 柔性制造系統(tǒng)組成

2.3.3 CIMS

CIMS即計算機集成制造系統(tǒng)，是基于系統(tǒng)觀點，運用信息技術(shù)、自動化技術(shù)、管理技術(shù)，進行組織生產(chǎn)和管理的方法。包含了時間集成和空間集成，時間集成指CIMS涵蓋了制造系統(tǒng)生命周期的各個階段和環(huán)節(jié)，考慮從上游到下游的各項工作，將串行工程轉(zhuǎn)化為并行工程?？臻g集成是將不同的功能單元，比如CAD、CAE、CAPP、CAM等，借助于硬件、軟件、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字接口，整合到系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換。CIMS是集產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、管理、銷售、維護于一體的多層次復(fù)雜系統(tǒng)。完成了由自動化孤島的“點”狀加工，到多臺加工設(shè)備連接而成的“線”狀加工，乃至企業(yè)全部運作流程系統(tǒng)化的“網(wǎng)狀”加工。CIMS借助于信息技術(shù)、物流管理系統(tǒng)，構(gòu)建產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，為客戶、企業(yè)和供應(yīng)商提供了高效的合作交流平臺[3]。CIMS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CIMS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

3 定制生產(chǎn)在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展為定制設(shè)計提供了技術(shù)支持，在客戶和企業(yè)之間建立了一個良好的溝通橋梁。客戶通過網(wǎng)絡(luò)定制系統(tǒng)對產(chǎn)品提出個性化要求，參與到企業(yè)的設(shè)計生產(chǎn)過程中。定制生產(chǎn)核心是實現(xiàn)操作者、設(shè)備和環(huán)境的和諧、統(tǒng)一。

以農(nóng)用拖拉機為例，客戶在系統(tǒng)定制界面選擇所需要的類型，提供動力、輪距、軸距、時速、功率、輸出軸轉(zhuǎn)速、標(biāo)定牽引力、尺寸、前輪距、后輪距等一系列整機基本參數(shù)，根據(jù)參數(shù)范圍進行選擇。依據(jù)性能指標(biāo)確定拖拉機底盤類型，對部件模塊，如行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、牽引裝置、動力輸出裝置等根據(jù)功能需求進行配置[4]。駕駛室是操作者作業(yè)的主要場所，內(nèi)飾設(shè)計要充分考慮操作的安全性與舒適性，依據(jù)人機工程學(xué)理論，符合人體尺寸、運動特征和認(rèn)知特征，滿足操作舒適性需求，視野范圍安全適宜，顯示裝置布局合理，圖形符號識別性強，有助于提高操作人員的工作效率。設(shè)置轉(zhuǎn)向盤、踏板、操縱桿、儀表盤等選項模塊，操作者根據(jù)個人工作習(xí)慣進行選擇。外觀設(shè)計注重整體造型統(tǒng)一，與環(huán)境相協(xié)調(diào)，客戶可以選擇拖拉機機罩、機罩通風(fēng)口、前大燈等設(shè)計要素。依據(jù)美學(xué)原理列出色彩搭配方案，供客戶選擇。定制系統(tǒng)界面實時顯示拖拉機三維模型，能夠進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)操作，可以在各個角度觀察模型的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。改變定制選項，價格隨之改變，直到客戶得到滿意的定制結(jié)果。

企業(yè)層面采用數(shù)字設(shè)計技術(shù)、機器人技術(shù)、柔性制造技術(shù)、計算機集成制造系統(tǒng)等先進信息化制造技術(shù)，基于模塊化和產(chǎn)品族的思想，重新組織產(chǎn)品制造過程，構(gòu)建物料協(xié)同供應(yīng)鏈，保持批量生產(chǎn)的低成本、高效率和高質(zhì)量的特點。農(nóng)用拖拉機可視化定制生產(chǎn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 農(nóng)用拖拉機可視化定制生產(chǎn)系統(tǒng)

4 河北省農(nóng)機制造前景展望

受區(qū)域、地形、作物品種、生長環(huán)境、種植習(xí)慣等因素的影響，客戶對農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品有不同的需求。定制生產(chǎn)模式能夠為農(nóng)機市場提供個性化產(chǎn)品和服務(wù)，并且具有成本低、周期短、質(zhì)量高的特點?；诳沙掷m(xù)發(fā)展理念，今后農(nóng)機產(chǎn)品要走“綠色化”產(chǎn)業(yè)道路，重點關(guān)注生態(tài)、環(huán)保產(chǎn)品的研究，采用新能源，減少排放和污染。為適應(yīng)中國制造2025和農(nóng)業(yè)4.0的需求，關(guān)注自動駕駛農(nóng)機技術(shù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)、農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的研究，加快智能農(nóng)機產(chǎn)業(yè)化的步伐。此外，還要不斷完善農(nóng)機定制開發(fā)體系，充實產(chǎn)品和技術(shù)等信息化資源，樹立企業(yè)品牌形象，推動企業(yè)農(nóng)機產(chǎn)品創(chuàng)新，提升企業(yè)農(nóng)機產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。