計算機技術在農(nóng)業(yè)機械及設計制造中的應用

0 引言

隨著我國總體科技水平的快速提升，傳統(tǒng)的機械相關行業(yè)正快速向自動化和智能化轉型，大量的智能生產(chǎn)加工設備、汽車、醫(yī)療器械與現(xiàn)代化的計算機技術實現(xiàn)融合，使機械裝備的工作精度、使用便捷性、工作合理性明顯提升。相對而言，農(nóng)業(yè)機械的自動化與智能化的發(fā)展緩慢，在我國，受到農(nóng)業(yè)機械使用環(huán)境和使用群體的限制，農(nóng)機企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品更傾向于人工駕駛的機械類產(chǎn)品，農(nóng)機產(chǎn)品與計算機、數(shù)字控制等先進技術結合仍不充分，與智能加工、汽車等行業(yè)相比相差甚遠。與發(fā)達國家的農(nóng)機技術相比，我國農(nóng)機技術的現(xiàn)代化程度已明顯不足，盡管近年來農(nóng)業(yè)機械的普及率不斷上升，但平均技術水平不足成為制約農(nóng)機化生產(chǎn)的新短板，如何在“增量的同時提質”是農(nóng)機行業(yè)發(fā)展必須要思考的問題。

1 農(nóng)機與計算機技術相融合的必要性

1.1 計算機技術是農(nóng)機自動控制的核心

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)機械要向更加智能的方向發(fā)展，在提高電氣化成度的同時離不開計算機技術的控制功能，自動化農(nóng)機很多功能實現(xiàn)離不開計算機技術的支持，例如各個零部件的轉速、位置、功能是否正常，在自動控制過程是需要計算機的系統(tǒng)和運算能力進行保證的，利用計算機處理復雜農(nóng)機設備參數(shù)和故障監(jiān)測相對于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測更加高效精準，有利于農(nóng)機自動控制功能更好的實現(xiàn)。

1.2 計算機技術是替代人工決策的關鍵

現(xiàn)代的計算機技術具有良好的邏輯判斷能力，其能夠利用農(nóng)業(yè)機械的功能、作業(yè)狀態(tài)、農(nóng)田信息等代替人工進行生產(chǎn)決策，例如對不同功能農(nóng)機進行工序安排、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，或應用于生產(chǎn)過程中輔助駕駛人員進行決策，給出決策建議，降低農(nóng)機駕駛員的勞動強度

。

這項運動既能在戶外進行，又能在校園內(nèi)進行，學生在學有余力之后還擁有了親近大自然的機會。這項運動不同于一般的耐力競跑運動，它要求參與者要能依靠指南針識別方向，并具備一定的應變能力。在定向越野過程中，學生不僅充分感受到體育運動的樂趣，還增強了對體育鍛煉的積極性。

1.3 計算機技術能突破傳統(tǒng)生產(chǎn)模式制約

計算機結合大數(shù)據(jù)技術能夠全面改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，計算機應用于農(nóng)機化生產(chǎn)的方方面面后，能夠實現(xiàn)利用計算機管理全部的農(nóng)機產(chǎn)品，并將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)作物長勢、病蟲害、氣候變化等眾多數(shù)據(jù)相結合，提高生產(chǎn)實施的科學性。

1.4 計算機技術是功能擴展的基礎

從計算機技術的應用來看，其能夠與大部分現(xiàn)代化技術良好融合，例如電氣技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、衛(wèi)星定位技術等，計算機技術在農(nóng)業(yè)機械上的廣泛應用為未來農(nóng)業(yè)機械的功能進一步擴展提供了可能。

2 計算機技術在農(nóng)業(yè)機械中的應用

2.1 衛(wèi)星定位與導航

對于復雜的中大型農(nóng)機裝備，其結構復雜，零部件眾多，常規(guī)的二維圖紙設計開發(fā)，常出現(xiàn)生產(chǎn)制造后錯誤多，安裝、使用過程零部件間配合不合理等問題，且很多平面圖紙設計完成后很難實現(xiàn)機具效果的直觀展示，需等到樣機制造完成后方能進行整機的檢查與錯誤調整，常造成生產(chǎn)制造中的材料浪費和成本提高。計算機三維設計軟件的應用有效解決了農(nóng)機產(chǎn)品設計過程直觀性不強的問題。利用現(xiàn)階段應用廣泛的三維機械設計軟件，如SolidWorks、PRO/E等，能夠實現(xiàn)單獨零件建模后的預裝配，并在裝配過程中解決設計中存在的配合不當、結構不合理、零部件運轉干涉等問題，空間展示更加直觀合理，便于設計成果的匯報、討論與優(yōu)化。同時，三維圖形能夠快速生成平面圖紙，并實現(xiàn)三維圖形與圖紙的直接關聯(lián)，零部件修改和技術升級時只需修改三維圖結構即可實現(xiàn)平面圖紙的聯(lián)動修改，工作效率得到大幅提升。三維建模軟件在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用，有效加速了產(chǎn)品的開發(fā)過程，有利于先進技術產(chǎn)品快速投入市場。

2.2 視覺識別及數(shù)據(jù)獲取

1) 閥門計算書中相關數(shù)據(jù)。閥桿所受的總力矩MΣ=19 042.19 N·m；活塞直徑DH=0.42 m；閥桿直徑dF=0.12 m；油缸容積VH=0.01 m3；主管內(nèi)徑d1=0.02 m；支管內(nèi)徑d2=0.01 m；油站出油口壓力p1=12 MPa；工藝要求的閥門開關時間tR=10 s。

2.3 智能農(nóng)機的開發(fā)

為了更好滿足品質農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，瑞豐生態(tài)在2018年投資3.5億元人民幣打造安徽宣城50萬噸新型肥料生產(chǎn)基地，主要生產(chǎn)源于歐洲技術的碳能結晶新型功能肥料，并且二期工程建設的128米高的30萬噸/年高塔造粒復合肥項目自今年8月18日奠基動工，僅僅歷時88天就成功封頂。瑞豐生態(tài)企業(yè)顧問于國輝在發(fā)言中講道：“安徽宣城高塔的雄起創(chuàng)造了‘瑞豐速度’！至此，瑞豐生態(tài)形成了擁有三大生產(chǎn)基地的全國生產(chǎn)布局，只為更好地為土壤修護事業(yè)作一份貢獻！”

在農(nóng)業(yè)機械上安裝視覺設備的目的是使農(nóng)機能夠模擬人的雙眼，從而提高對環(huán)境的認識能力。視覺識別看似是增加了一個或多個攝像頭，但攝像頭僅為視覺圖像的獲取裝備，要實現(xiàn)視覺識別的功能，必須依靠計算機技術對獲取的圖像數(shù)據(jù)進行復雜的處理。在進行視覺識別的過程中，攝像頭在獲取圖像信息后將其傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)中進行處理，計算機需要完成以下的工作任務，一是對圖片進行色彩處理，根據(jù)不同的RGB選項生成多個圖形；二是去除圖形中的非重要元素；三是識別圖片中的關鍵信息；四是確定識別目標并將其定位和凸顯；五是驗證目標的有效性，并生成空間坐標數(shù)據(jù)；六是將識別的信息進行輸出或存儲，用于指導農(nóng)機作業(yè)。基于計算機技術的視覺識別能顯著提高農(nóng)機田間形式的避障能力，并有利于同步獲取田間信息。圖2為約翰迪爾研制的番茄采摘機器人，其利用視覺識別技術實現(xiàn)對番茄的定位

。

2.4 智慧溫室大棚開發(fā)

CAD是現(xiàn)代機械設計的一次重大變革，其實現(xiàn)了利用計算機開展機械產(chǎn)品的圖紙設計，相對于傳統(tǒng)的人工繪制圖紙，利用計算機繪制的圖紙具有易于復制、查詢、保存、修改等優(yōu)勢，尤其對于農(nóng)業(yè)機械的設計與開發(fā)過程而言，需經(jīng)過多年周期反復的試驗、改造、優(yōu)化，CAD圖紙的高效率優(yōu)勢得到進一步凸顯。以現(xiàn)階段應用最多的Autodesk CAD軟件為例，其不僅能夠實現(xiàn)計算機的常規(guī)繪圖，還配套有多種數(shù)據(jù)庫，能夠實現(xiàn)中國標準、國際標準等多種零件的直接調取，顯著提升工作效率，且Autodesk CAD能夠實現(xiàn)自動面積計算、公差智能標注、輔助力學計算等功能，其生成的平面圖紙可直接用于部分平面零件的數(shù)控加工，有利于提升生產(chǎn)便捷性

。

3 計算機技術在農(nóng)機設計制造的應用

3.1 CAD圖紙設計

近年來，我國溫室大棚實現(xiàn)了技術上的全面升級，溫室大棚的智能化程度得到了顯著提升。現(xiàn)代化的智慧大棚是先進技術的集合體，其利用計算機進行大部分功能的集中統(tǒng)一管理。在計算機的控制下，一方面，能夠對大棚內(nèi)部的溫度、濕度、光照、肥力、病蟲害等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，另一方面，更夠通過對數(shù)據(jù)的分析處理做出決策，指導自動控制設備執(zhí)行遮陽、增濕、灌溉、施肥、藥物噴施等大棚生產(chǎn)任務(圖4)

。計算機技術的應用，促進了智慧大棚的無人化生產(chǎn)，幫助生產(chǎn)管理人員降低勞動量，同時，利用人機交互功能，管理人員還能便捷地更改大棚的相關數(shù)據(jù)，計算機能及時修正相關控制參數(shù)，并采用新修改的方案執(zhí)行控制。

農(nóng)業(yè)機械未來發(fā)展的大趨勢是智能化，而實現(xiàn)智能化的要求是農(nóng)機的無人監(jiān)管作業(yè)，要求農(nóng)機不僅能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動化，還需要實現(xiàn)自主管理、生產(chǎn)決策等功能。隨著農(nóng)機智能化相關研究與產(chǎn)品開發(fā)的深入，農(nóng)機技術與電氣、通信、視覺、衛(wèi)星定位、遙感等眾多技術相整合，而連接一切技術的控制與運算核心就是計算機技術。利用計算機技術，農(nóng)業(yè)機械在強大的運算支持下能實現(xiàn)自主駕駛、環(huán)境識別、內(nèi)部感知等全部功能，并能將各個功能的相關信息與數(shù)據(jù)進行結合，使農(nóng)業(yè)機械配備的智能功能成為一個整體，實現(xiàn)農(nóng)機的高度智能化作業(yè)。圖3為日本研發(fā)的農(nóng)用智能行駛平臺，其利用計算機技術控制該設備的全部功能，實現(xiàn)了全程的無人化行駛與動作執(zhí)行。

3.2 三維模型化設計

衛(wèi)星定位與導航是現(xiàn)階段農(nóng)機合理化作業(yè)以及未來農(nóng)機發(fā)展的必要功能之一，其能夠實現(xiàn)對農(nóng)機位置的高精度定位。在定位功能實現(xiàn)的過程中，需要通過計算機系統(tǒng)統(tǒng)計農(nóng)機上裝備的衛(wèi)星定位終端與所搜索到的衛(wèi)星之間的位置數(shù)據(jù)關系，并利用運算初步定位，再通過與農(nóng)機附近田地的衛(wèi)星基站進行位置糾偏運算，能夠實現(xiàn)對農(nóng)機位置的精準定位。在精準定位功能的基礎上，為進一步提高農(nóng)機行駛的合理性，導航技術廣泛應用到了農(nóng)機化生產(chǎn)中，計算機技術能夠利用衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)與農(nóng)田邊界信息進行農(nóng)田作業(yè)路線的規(guī)劃，可指導駕駛員進行精確的行駛，并根據(jù)地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)避障礙物和不良地形，駕駛員通過導航屏幕的指引能夠實現(xiàn)高精度的農(nóng)機駕駛操作(圖1)，有效避免行駛路線偏離和行駛路線重復問題

。

3.3 設計過程的仿真分析

仿真分析是在農(nóng)業(yè)機械三維建模的基礎上實現(xiàn)了新功能，利用ANSYS、ADAMS等計算機軟件將三維模型導入后，能夠對零部件進行材料、受理等多項參數(shù)設計，利用計算機強大的運算能力進行機械結構的強度、剛性、受力狀態(tài)、運動狀態(tài)、塑性變形等進行數(shù)據(jù)分析，并生成直觀的數(shù)據(jù)圖。設計人員可利用仿真分析的結果進行設計優(yōu)化。與傳統(tǒng)的人工受力計算和試驗驗證相比，計算機軟件仿真分析節(jié)省了大量的人力物力，能有效減少設計過程中選材不合理、零部件強度不足或零部件尺寸設計過大等問題，能實現(xiàn)在生產(chǎn)加工前對農(nóng)機產(chǎn)品關鍵零件的進一步驗證，及時發(fā)現(xiàn)和改正設計的不足之處，提高農(nóng)機產(chǎn)品的可靠性

。

3.4 虛擬制造與工藝優(yōu)化

在農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)加工的過程中，傳統(tǒng)的農(nóng)機數(shù)控制造過程通過試制零件完成生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，此過程常產(chǎn)生大量廢品，造成了材料浪費和生產(chǎn)加工時間的延長。利用計算機軟件對數(shù)控加工過程進行模擬，能便捷地驗證加工過程程序編制的正確性，并在此過程中進行加工工藝的修正，有利于提高試制零件的成功率，縮短生產(chǎn)制造周期，節(jié)約生產(chǎn)材料與成本，并提升加工制造的質量。

1.3 觀察指標 檢測并比較兩組患兒肺泡SIRT6含量、血清炎癥因子水平；記錄兩組患兒動脈血氣指標，包括血氧分壓(partial pressure of oxygen，PaO2)、PaO2/FiO2及血二氧化碳分壓(partial pressure of carbon dioxide，PaCO2)。分析SIRT6與炎癥因子及動脈血氣指標的相關性。

4 結語

綜上所述，計算機技術能夠對農(nóng)業(yè)機械的功能及產(chǎn)品開發(fā)制造的過程產(chǎn)生積極的提升作用，尤其在自動化與智能化的新時代，農(nóng)機企業(yè)應當做到與時俱進，積極轉變傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)、設計、制造理念，將計算機技術應用到設計、制造及農(nóng)產(chǎn)品的功能升級上，利用現(xiàn)代化的計算機技術全面提升農(nóng)機企業(yè)的產(chǎn)品競爭力，實現(xiàn)國產(chǎn)農(nóng)機技術智能化升級。

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