農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用研究

梅運(yùn)東，李　倩，丁　祎

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用研究

梅運(yùn)東，李倩*，丁祎

(黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950)

隨著自動(dòng)化技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，不僅能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，解放勞動(dòng)力，還能夠極大地促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的改革發(fā)展，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向機(jī)械化、自動(dòng)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(jī)械自動(dòng)化的價(jià)值與優(yōu)勢(shì)，提出了自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用方向與實(shí)例。

自動(dòng)化技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；機(jī)械設(shè)計(jì)

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(jī)械化向自動(dòng)化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)。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(dòng)化的農(nóng)業(yè)機(jī)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(dòng)了三農(nóng)事業(yè)的發(fā)展[1]。目前，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械中自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用不足，設(shè)施水平不高，對(duì)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(jī)械設(shè)計(jì)與制造中積極使用自動(dòng)化技術(shù)在未來有著廣闊的應(yīng)用價(jià)值與前景。

1　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)與價(jià)值

農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械的現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)機(jī)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(shì)，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(jī)械化和信息化應(yīng)用水平。

1.1　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)

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

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

其次是信息化。農(nóng)業(yè)機(jī)械的信息化主要是借助5G、傳感控制、機(jī)械電子等技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的遠(yuǎn)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(jī)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(jī)械耕作過程中所產(chǎn)生的“土壤耕作阻力”，進(jìn)而服務(wù)于耕種機(jī)械，讓機(jī)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(duì)農(nóng)作物生長特征、生理參數(shù)、產(chǎn)品品質(zhì)等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測與診斷，實(shí)時(shí)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(jī)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(jī)械開始出現(xiàn)智能化發(fā)展的趨勢(shì)。例如在我國采茶機(jī)械設(shè)計(jì)中，使用視覺處理技術(shù)采茶機(jī)械可以有效代替人工進(jìn)行優(yōu)質(zhì)茶葉的識(shí)別、采摘。歐美等國家的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械在借助計(jì)算機(jī)模型計(jì)算后，能夠自動(dòng)識(shí)別農(nóng)田雜草、病蟲害等。目前我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化與發(fā)達(dá)國家相比還存在些許差距[3]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械從機(jī)械化到自動(dòng)化、智能化是其未來發(fā)展的主要趨勢(shì)。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(jìn)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，進(jìn)而提升中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。

1.2　農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展價(jià)值

現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在收割機(jī)、插秧機(jī)等多種用途農(nóng)業(yè)機(jī)械中有效推廣，并得到農(nóng)民的認(rèn)可。這些機(jī)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(jī)械自動(dòng)化發(fā)展還具備以下優(yōu)勢(shì)與價(jià)值。

(1)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展能夠節(jié)約農(nóng)村勞動(dòng)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(dòng)化機(jī)械能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成勞動(dòng)生產(chǎn)任務(wù)，降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)化發(fā)展有利于增加農(nóng)民收入，降低勞動(dòng)成本。推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械后能夠有效減少勞動(dòng)生產(chǎn)中所耗費(fèi)的勞動(dòng)力成本，解放出來的勞動(dòng)力可以投入到其他產(chǎn)業(yè)中，促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收。同時(shí)，自動(dòng)化機(jī)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(dòng)力結(jié)構(gòu)，推動(dòng)各個(gè)產(chǎn)業(yè)之間的和諧發(fā)展。

(3)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)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(jī)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(yàn)看，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化是衡量農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。我國在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中引入更多自動(dòng)化技術(shù)，能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)升級(jí)與農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，引導(dǎo)我國農(nóng)業(yè)向標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、現(xiàn)代化發(fā)展。

2　農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

在我國實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化、智能化在諸多領(lǐng)域還存在嚴(yán)重的不足，主要是受我國地域廣闊、農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)中自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用不廣泛，不全面。以玉米收割機(jī)為例，基于圖像采集技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化技術(shù)的具體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹圖像識(shí)別后的自動(dòng)收割技術(shù)的應(yīng)用。

2.1　玉米收割機(jī)圖像采集

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

在玉米收割機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)中首要任務(wù)是做好圖像采集與識(shí)別，進(jìn)而完全代替人工完成其他工作。在進(jìn)行圖像采集的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，將信息采集攝像頭置于駕駛室前方，以便于機(jī)具獲取玉米圖像然后進(jìn)行處理分析。一是設(shè)計(jì)攝像機(jī)時(shí)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(jìn)行預(yù)處理。主要是計(jì)算玉米株之間的距離，確定收割機(jī)割臺(tái)位置。例如針對(duì)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(diǎn)，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(jìn)而達(dá)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(jì)算明確玉米株之間距離后，再運(yùn)用相機(jī)對(duì)作業(yè)目標(biāo)進(jìn)行確定。

2.2　玉米自動(dòng)收割系統(tǒng)控制

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

(1)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在玉米收割機(jī)自動(dòng)控制中選擇PLC作為主要控制器，具有應(yīng)用廣泛、時(shí)效性可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)模塊化以及使用方便等優(yōu)勢(shì)，能夠有效完成玉米收割機(jī)自動(dòng)控制與故障檢測等。在收割機(jī)工作時(shí)可控制割臺(tái)上液壓閥的開合來實(shí)現(xiàn)割臺(tái)各個(gè)動(dòng)作。①在收割開始工作之前，通過PLC對(duì)機(jī)械流程進(jìn)行自檢，檢查各種信號(hào)、控制器是否有效；檢驗(yàn)工作液壓系統(tǒng)是否處于初始狀態(tài)，檢測無誤后才能進(jìn)行收割工作。同時(shí)在自控系統(tǒng)中配置手動(dòng)模式，針對(duì)小型農(nóng)場以及面積不大的地塊可使用手動(dòng)操作來完成收割。②使用傳感器來測量割臺(tái)位移情況，防止割臺(tái)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(tái)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(dá)進(jìn)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(tái)全部展平，然后控制割臺(tái)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(dá)的開關(guān)量，控制所有馬達(dá)開始工作，開始玉米收割作業(yè)。

(2)液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是控制和調(diào)解玉米收割機(jī)割臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行、折疊、摘穗輥的轉(zhuǎn)動(dòng)以及絞龍部分轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作。使用液壓系統(tǒng)能夠更好實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，反應(yīng)也更迅速。在設(shè)計(jì)液壓控制回路時(shí)，由于所需的液壓馬達(dá)數(shù)量多，為了降低液壓油的損耗，可將9個(gè)液壓馬達(dá)分為3組，每組3個(gè)，同時(shí)在三個(gè)支路上設(shè)置3個(gè)同步分流馬達(dá)[5]。同步分流馬達(dá)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(dá)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(jì)摘穗輥油缸的回路時(shí)，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(gè)油缸或液壓馬達(dá)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(dòng)的增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從傳統(tǒng)人工向現(xiàn)代機(jī)械化轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)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(dòng)力短缺問題，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中需要結(jié)合“三農(nóng)”發(fā)展目標(biāo)，將更多自動(dòng)化、智能化技術(shù)應(yīng)用其中，最終推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

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

[2] 任瑞恩.機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2020,47(6):21-22.

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

[4] 徐勇,李平安.現(xiàn)代制造技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)機(jī)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(jī)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(yùn)東(1981—)，男，河南永城人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

李倩(1987—)，女，河南商丘人，大學(xué)本科，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立