農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造中自動化技術(shù)的應(yīng)用研究

梅運東，李　倩，丁　祎

農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造中自動化技術(shù)的應(yīng)用研究

梅運東，李倩*，丁祎

(黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950)

隨著自動化技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械自動化已經(jīng)成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造中應(yīng)用自動化技術(shù)，不僅能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，解放勞動力，還能夠極大地促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的改革發(fā)展，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向機械化、自動化、智能化發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。通過分析農(nóng)業(yè)機械自動化的價值與優(yōu)勢，提出了自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用方向與實例。

自動化技術(shù)；農(nóng)業(yè)機械；機械設(shè)計

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸呈現(xiàn)由機械化向自動化、智能化發(fā)展的趨勢。尤其是在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、5G技術(shù)等不斷發(fā)展完善的背景下，各種智能化、全過程自動化的農(nóng)業(yè)機械迅速發(fā)展，成為節(jié)省人力、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，極大推動了三農(nóng)事業(yè)的發(fā)展[1]。目前，我國農(nóng)業(yè)機械中自動化技術(shù)應(yīng)用不足，設(shè)施水平不高，對于農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展的支撐不夠，在一定程度上制約農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造中積極使用自動化技術(shù)在未來有著廣闊的應(yīng)用價值與前景。

1　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械發(fā)展的趨勢與價值

農(nóng)業(yè)機械是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)機械的現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)機械也是農(nóng)村生產(chǎn)能力的主要組成部分。在中央歷年有關(guān)三農(nóng)問題的文件中都有提及要順應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢，用現(xiàn)代技術(shù)來改造我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)機械化和信息化應(yīng)用水平。

1.1　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械發(fā)展趨勢

綜合國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械發(fā)展趨勢，目前農(nóng)業(yè)機械發(fā)展呈現(xiàn)自動化、信息化、智能化發(fā)展特點。

首先是自動化。農(nóng)業(yè)機械自動化主要是指機械自動控制技術(shù)，通過計算機、傳感器、電氣控制等集成處理系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)機械進行自動控制或?qū)崟r控制。尤其是在機械作業(yè)環(huán)境較為惡劣的情況下，使用自動化技術(shù)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可靠性更強[2]。而且在機具出現(xiàn)故障后還可以進行自我診斷，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進行。例如在農(nóng)業(yè)機械內(nèi)部安裝控制系統(tǒng)與電子監(jiān)視系統(tǒng)后，就可實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的遠程遙控或自動化控制。

其次是信息化。農(nóng)業(yè)機械的信息化主要是借助5G、傳感控制、機械電子等技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的遠程控制，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加安全、可靠、高效。例如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙新等基于全球定位系統(tǒng)在農(nóng)耕機械中加入“土壤耕作阻力測量裝置”，使用傳感器與信息技術(shù)分析、測量農(nóng)業(yè)機械耕作過程中所產(chǎn)生的“土壤耕作阻力”，進而服務(wù)于耕種機械，讓機械生產(chǎn)更加高效、節(jié)能。又如近年來開始采用各種遙感圖像對農(nóng)作物生長特征、生理參數(shù)、產(chǎn)品品質(zhì)等內(nèi)容進行監(jiān)測與診斷，實時獲取農(nóng)作物生產(chǎn)信息，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加精確化、信息化。

第三是智能化。農(nóng)業(yè)機械的智能化也被稱為“智慧農(nóng)業(yè)”，隨著現(xiàn)代人工智能以及圖形處理技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械開始出現(xiàn)智能化發(fā)展的趨勢。例如在我國采茶機械設(shè)計中，使用視覺處理技術(shù)采茶機械可以有效代替人工進行優(yōu)質(zhì)茶葉的識別、采摘。歐美等國家的智能化農(nóng)業(yè)機械在借助計算機模型計算后，能夠自動識別農(nóng)田雜草、病蟲害等。目前我國的農(nóng)業(yè)機械智能化與發(fā)達國家相比還存在些許差距[3]。

農(nóng)業(yè)機械從機械化到自動化、智能化是其未來發(fā)展的主要趨勢。2013年習(xí)近平總書記也指出要“讓農(nóng)業(yè)插上科技的翅膀”，積極推進農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，進而提升中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。

1.2　農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展價值

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)已經(jīng)在收割機、插秧機等多種用途農(nóng)業(yè)機械中有效推廣，并得到農(nóng)民的認可。這些機械設(shè)備的投入與使用能夠在最大限度上解放人力，代替人工操作，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。除此之外，農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展還具備以下優(yōu)勢與價值。

(1)農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展能夠節(jié)約農(nóng)村勞動力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。我國農(nóng)村傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以人力為主，生產(chǎn)效率低，投入與產(chǎn)出不成正比。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)推廣應(yīng)用自動化機械能夠在較短時間內(nèi)完成勞動生產(chǎn)任務(wù)，降低農(nóng)民勞動強度，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出與生產(chǎn)效率。

(2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展有利于增加農(nóng)民收入，降低勞動成本。推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化機械后能夠有效減少勞動生產(chǎn)中所耗費的勞動力成本，解放出來的勞動力可以投入到其他產(chǎn)業(yè)中，促進農(nóng)民增產(chǎn)增收。同時，自動化機械的應(yīng)用可以有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力生產(chǎn)，優(yōu)化農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與勞動力結(jié)構(gòu)，推動各個產(chǎn)業(yè)之間的和諧發(fā)展。

(3)農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展能夠提升農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展水平。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化需要以農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化為引領(lǐng)。從國際發(fā)展經(jīng)驗看，農(nóng)業(yè)機械自動化是衡量農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展水平的重要標準。我國在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與制造中引入更多自動化技術(shù)，能夠促進農(nóng)業(yè)機械技術(shù)升級與農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，引導(dǎo)我國農(nóng)業(yè)向標準化、集約化、現(xiàn)代化發(fā)展。

2　農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中自動化技術(shù)的應(yīng)用

在我國實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化在諸多領(lǐng)域還存在嚴重的不足，主要是受我國地域廣闊、農(nóng)業(yè)機械種類繁多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、單一產(chǎn)品市場需求較少等因素影響，從而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中自動化技術(shù)應(yīng)用不廣泛，不全面。以玉米收割機為例，基于圖像采集技術(shù)進行自動化技術(shù)的具體設(shè)計，重點介紹圖像識別后的自動收割技術(shù)的應(yīng)用。

2.1　玉米收割機圖像采集

正如前文所述，農(nóng)業(yè)機械的自動化、智能化、信息化設(shè)計大多數(shù)都是基于現(xiàn)代信息技術(shù)，其中圖像采集與識別技術(shù)是農(nóng)業(yè)自動化的關(guān)鍵。只有精確識別農(nóng)作物信息后，才能完成下一步對農(nóng)作物的生長監(jiān)控與采收。

在玉米收割機自動化設(shè)計中首要任務(wù)是做好圖像采集與識別，進而完全代替人工完成其他工作。在進行圖像采集的硬件設(shè)計時，將信息采集攝像頭置于駕駛室前方，以便于機具獲取玉米圖像然后進行處理分析。一是設(shè)計攝像機時采用CCD傳感技術(shù)，能夠獲得清晰、穩(wěn)定的玉米株圖像。二是使攝像頭通過5G等通訊技術(shù)，將獲取的信息上傳后進行預(yù)處理。主要是計算玉米株之間的距離，確定收割機割臺位置。例如針對相鄰玉米葉相較、相互干擾的問題，通過圖像分析與處理則可以去除其中的噪點，使玉米秸稈邊緣更加平滑，讓玉米秸稈更加明顯，獲得較為清晰的玉米植株圖像，進而達到減少明顯干擾因素的目的，使工作區(qū)域更加明顯，方便后續(xù)位置鎖定[4]。三是通過計算明確玉米株之間距離后，再運用相機對作業(yè)目標進行確定。

2.2　玉米自動收割系統(tǒng)控制

通過圖像采集與分析技術(shù)對玉米秸稈距離進行確定后，需要使用自動化技術(shù)來控制割臺。在設(shè)計過程中應(yīng)用PLC控制技術(shù)和液壓機械傳動系統(tǒng)，有技術(shù)成熟、操作簡單快捷、可靠性高等優(yōu)勢。

(1)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計。在玉米收割機自動控制中選擇PLC作為主要控制器，具有應(yīng)用廣泛、時效性可靠性強、結(jié)構(gòu)模塊化以及使用方便等優(yōu)勢，能夠有效完成玉米收割機自動控制與故障檢測等。在收割機工作時可控制割臺上液壓閥的開合來實現(xiàn)割臺各個動作。①在收割開始工作之前，通過PLC對機械流程進行自檢，檢查各種信號、控制器是否有效；檢驗工作液壓系統(tǒng)是否處于初始狀態(tài)，檢測無誤后才能進行收割工作。同時在自控系統(tǒng)中配置手動模式，針對小型農(nóng)場以及面積不大的地塊可使用手動操作來完成收割。②使用傳感器來測量割臺位移情況，防止割臺行程過大影響收割效果。傳感器將獲得的信息傳遞給PLC，借助PLC來調(diào)節(jié)割臺位置。例如如果傳感器傳遞給PLC的距離值等于或者小于450 mm，則折疊液壓缸不需要展開，直接開啟所有馬達進行收割作業(yè)。如果采集到的距離值大于 550 mm，則左右兩側(cè)折疊液壓缸全部展開，將左右割臺全部展平，然后控制割臺偏置液壓缸伸長。直到傳感器傳遞值等于傳遞給PLC的值，完成間距調(diào)節(jié)后，PLC才能控制馬達的開關(guān)量，控制所有馬達開始工作，開始玉米收割作業(yè)。

(2)液壓機械傳動系統(tǒng)設(shè)計。液壓機械傳動系統(tǒng)的主要作用是控制和調(diào)解玉米收割機割臺，實現(xiàn)對行、折疊、摘穗輥的轉(zhuǎn)動以及絞龍部分轉(zhuǎn)動等動作。使用液壓系統(tǒng)能夠更好實現(xiàn)自動化控制，反應(yīng)也更迅速。在設(shè)計液壓控制回路時，由于所需的液壓馬達數(shù)量多，為了降低液壓油的損耗，可將9個液壓馬達分為3組，每組3個，同時在三個支路上設(shè)置3個同步分流馬達[5]。同步分流馬達為齒輪式，外形與多聯(lián)齒輪泵相似，它將最少兩組的齒輪馬達串聯(lián)，使其保持相同的轉(zhuǎn)速，當(dāng)液壓泵提供油液以后，可以很靈活地按設(shè)定的比例來分配油液供給給執(zhí)行元件。在此過程中，可以做到完全不受執(zhí)行元件的壓力值的干擾。在設(shè)計摘穗輥油缸的回路時，為了平衡支路的油液，需要使用分集流閥，分集流閥是在液壓同步系統(tǒng)中控制兩個油缸或液壓馬達使其保持同速。

3　結(jié)語

以農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民為代表的“三農(nóng)”問題是我國鄉(xiāng)村發(fā)展的關(guān)鍵，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率以及現(xiàn)代化水平直接關(guān)系著“三農(nóng)”問題的發(fā)展。目前，隨著我國人口流動的增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從傳統(tǒng)人工向現(xiàn)代機械化轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化、自動化乃至智能化已成為未來農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，可極大解決農(nóng)村勞動力短缺問題，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與生產(chǎn)中需要結(jié)合“三農(nóng)”發(fā)展目標，將更多自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用其中，最終推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

[1] 毛安石.探析農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造中自動化技術(shù)的應(yīng)用[J].山西農(nóng)經(jīng),2019(24):112，114.

[2] 任瑞恩.機械設(shè)計制造領(lǐng)域中自動化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].時代農(nóng)機,2020,47(6):21-22.

[3] 劉兆林,蔡鋮來,孫翔宇.我國機械自動化技術(shù)在機械制造業(yè)中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機,2017,48(3):107.

[4] 徐勇,李平安.現(xiàn)代制造技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械制造業(yè)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)機使用與維修,2015(7):14-16.

[5] 陳學(xué)庚,溫浩軍,張偉榮,等.農(nóng)業(yè)機械與信息技術(shù)融合發(fā)展現(xiàn)狀與方向[J].智慧農(nóng)業(yè)(中英文),2020,2(4):1-16.

Application of automation technology in agricultural machinery design and manufacturing

MEI Yundong, LI Qian*, DING Yi

(Yellow River Transportation College, Jiaozuo, Henan 454950, China)

With the development of automation technology and agricultural production, agricultural machinery automation has become the only way for future agricultural development. The application of automation technology in the design and manufacture of agricultural machinery can not only improve the efficiency of agricultural production and liberate the labor force, but also greatly promote the reform and development of agricultural production, promote the development of agricultural production to mechanization, automation, and intelligence, improve agricultural productivity and meet the needs of modern agricultural development. Based on the analysis of the value and advantage of the automation of agricultural machinery, the application direction and examples of automation technology in the design and manufacture of agricultural machinery were put forward.

automation technology; agricultural machinery; mechanical design

S220

A

2096–8736(2021)06–0029–03

梅運東(1981—)，男，河南永城人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為機械工程。

李倩(1987—)，女，河南商丘人，大學(xué)本科，中級工程師，主要研究方向為機械工程。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立