計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械及設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

0 引言

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

1 農(nóng)機(jī)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合的必要性

1.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)是農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制的核心

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)機(jī)械要向更加智能的方向發(fā)展，在提高電氣化成度的同時(shí)離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制功能，自動(dòng)化農(nóng)機(jī)很多功能實(shí)現(xiàn)離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持，例如各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)速、位置、功能是否正常，在自動(dòng)控制過程是需要計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)和運(yùn)算能力進(jìn)行保證的，利用計(jì)算機(jī)處理復(fù)雜農(nóng)機(jī)設(shè)備參數(shù)和故障監(jiān)測相對(duì)于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測更加高效精準(zhǔn)，有利于農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制功能更好的實(shí)現(xiàn)。

1.2 計(jì)算機(jī)技術(shù)是替代人工決策的關(guān)鍵

現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)具有良好的邏輯判斷能力，其能夠利用農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能、作業(yè)狀態(tài)、農(nóng)田信息等代替人工進(jìn)行生產(chǎn)決策，例如對(duì)不同功能農(nóng)機(jī)進(jìn)行工序安排、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，或應(yīng)用于生產(chǎn)過程中輔助駕駛?cè)藛T進(jìn)行決策，給出決策建議，降低農(nóng)機(jī)駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度

。

這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)既能在戶外進(jìn)行，又能在校園內(nèi)進(jìn)行，學(xué)生在學(xué)有余力之后還擁有了親近大自然的機(jī)會(huì)。這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)不同于一般的耐力競跑運(yùn)動(dòng)，它要求參與者要能依靠指南針識(shí)別方向，并具備一定的應(yīng)變能力。在定向越野過程中，學(xué)生不僅充分感受到體育運(yùn)動(dòng)的樂趣，還增強(qiáng)了對(duì)體育鍛煉的積極性。

1.3 計(jì)算機(jī)技術(shù)能突破傳統(tǒng)生產(chǎn)模式制約

計(jì)算機(jī)結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠全面改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，計(jì)算機(jī)應(yīng)用于農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)的方方面面后，能夠?qū)崿F(xiàn)利用計(jì)算機(jī)管理全部的農(nóng)機(jī)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(jié)合，提高生產(chǎn)實(shí)施的科學(xué)性。

1.4 計(jì)算機(jī)技術(shù)是功能擴(kuò)展的基礎(chǔ)

從計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用來看，其能夠與大部分現(xiàn)代化技術(shù)良好融合，例如電氣技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)等，計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的廣泛應(yīng)用為未來農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能進(jìn)一步擴(kuò)展提供了可能。

2 計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

2.1 衛(wèi)星定位與導(dǎo)航

對(duì)于復(fù)雜的中大型農(nóng)機(jī)裝備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，常規(guī)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)開發(fā)，常出現(xiàn)生產(chǎn)制造后錯(cuò)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?jiān)O(shè)計(jì)完成后很難實(shí)現(xiàn)機(jī)具效果的直觀展示，需等到樣機(jī)制造完成后方能進(jìn)行整機(jī)的檢查與錯(cuò)誤調(diào)整，常造成生產(chǎn)制造中的材料浪費(fèi)和成本提高。計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用有效解決了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程直觀性不強(qiáng)的問題。利用現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，如SolidWorks、PRO/E等，能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)零件建模后的預(yù)裝配，并在裝配過程中解決設(shè)計(jì)中存在的配合不當(dāng)、結(jié)構(gòu)不合理、零部件運(yùn)轉(zhuǎn)干涉等問題，空間展示更加直觀合理，便于設(shè)計(jì)成果的匯報(bào)、討論與優(yōu)化。同時(shí)，三維圖形能夠快速生成平面圖紙，并實(shí)現(xiàn)三維圖形與圖紙的直接關(guān)聯(lián)，零部件修改和技術(shù)升級(jí)時(shí)只需修改三維圖結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)平面圖紙的聯(lián)動(dòng)修改，工作效率得到大幅提升。三維建模軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有效加速了產(chǎn)品的開發(fā)過程，有利于先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品快速投入市場。

2.2 視覺識(shí)別及數(shù)據(jù)獲取

1) 閥門計(jì)算書中相關(guān)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(guān)時(shí)間tR=10 s。

2.3 智能農(nóng)機(jī)的開發(fā)

為了更好滿足品質(zhì)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(shù)的碳能結(jié)晶新型功能肥料，并且二期工程建設(shè)的128米高的30萬噸/年高塔造粒復(fù)合肥項(xiàng)目自今年8月18日奠基動(dòng)工，僅僅歷時(shí)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(hù)事業(yè)作一份貢獻(xiàn)！”

在農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝視覺設(shè)備的目的是使農(nóng)機(jī)能夠模擬人的雙眼，從而提高對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)能力。視覺識(shí)別看似是增加了一個(gè)或多個(gè)攝像頭，但攝像頭僅為視覺圖像的獲取裝備，要實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別的功能，必須依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的處理。在進(jìn)行視覺識(shí)別的過程中，攝像頭在獲取圖像信息后將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)需要完成以下的工作任務(wù)，一是對(duì)圖片進(jìn)行色彩處理，根據(jù)不同的RGB選項(xiàng)生成多個(gè)圖形；二是去除圖形中的非重要元素；三是識(shí)別圖片中的關(guān)鍵信息；四是確定識(shí)別目標(biāo)并將其定位和凸顯；五是驗(yàn)證目標(biāo)的有效性，并生成空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)；六是將識(shí)別的信息進(jìn)行輸出或存儲(chǔ)，用于指導(dǎo)農(nóng)機(jī)作業(yè)?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的視覺識(shí)別能顯著提高農(nóng)機(jī)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(jī)器人，其利用視覺識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的定位

。

2.4 智慧溫室大棚開發(fā)

CAD是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的一次重大變革，其實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)開展機(jī)械產(chǎn)品的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工繪制圖紙，利用計(jì)算機(jī)繪制的圖紙具有易于復(fù)制、查詢、保存、修改等優(yōu)勢，尤其對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程而言，需經(jīng)過多年周期反復(fù)的試驗(yàn)、改造、優(yōu)化，CAD圖紙的高效率優(yōu)勢得到進(jìn)一步凸顯。以現(xiàn)階段應(yīng)用最多的Autodesk CAD軟件為例，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)的常規(guī)繪圖，還配套有多種數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)中國標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)等多種零件的直接調(diào)取，顯著提升工作效率，且Autodesk CAD能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)面積計(jì)算、公差智能標(biāo)注、輔助力學(xué)計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用

3.1 CAD圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

近年來，我國溫室大棚實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的全面升級(jí)，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(jìn)技術(shù)的集合體，其利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大部分功能的集中統(tǒng)一管理。在計(jì)算機(jī)的控制下，一方面，能夠?qū)Υ笈飪?nèi)部的溫度、濕度、光照、肥力、病蟲害等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，另一方面，更夠通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理做出決策，指導(dǎo)自動(dòng)控制設(shè)備執(zhí)行遮陽、增濕、灌溉、施肥、藥物噴施等大棚生產(chǎn)任務(wù)(圖4)

。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)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(dòng)量，同時(shí)，利用人機(jī)交互功能，管理人員還能便捷地更改大棚的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)能及時(shí)修正相關(guān)控制參數(shù)，并采用新修改的方案執(zhí)行控制。

農(nóng)業(yè)機(jī)械未來發(fā)展的大趨勢是智能化，而實(shí)現(xiàn)智能化的要求是農(nóng)機(jī)的無人監(jiān)管作業(yè)，要求農(nóng)機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)作業(yè)的自動(dòng)化，還需要實(shí)現(xiàn)自主管理、生產(chǎn)決策等功能。隨著農(nóng)機(jī)智能化相關(guān)研究與產(chǎn)品開發(fā)的深入，農(nóng)機(jī)技術(shù)與電氣、通信、視覺、衛(wèi)星定位、遙感等眾多技術(shù)相整合，而連接一切技術(shù)的控制與運(yùn)算核心就是計(jì)算機(jī)技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，農(nóng)業(yè)機(jī)械在強(qiáng)大的運(yùn)算支持下能實(shí)現(xiàn)自主駕駛、環(huán)境識(shí)別、內(nèi)部感知等全部功能，并能將各個(gè)功能的相關(guān)信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，使農(nóng)業(yè)機(jī)械配備的智能功能成為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)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(tái)，其利用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制該設(shè)備的全部功能，實(shí)現(xiàn)了全程的無人化行駛與動(dòng)作執(zhí)行。

3.2 三維模型化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星定位與導(dǎo)航是現(xiàn)階段農(nóng)機(jī)合理化作業(yè)以及未來農(nóng)機(jī)發(fā)展的必要功能之一，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)位置的高精度定位。在定位功能實(shí)現(xiàn)的過程中，需要通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)農(nóng)機(jī)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(guān)系，并利用運(yùn)算初步定位，再通過與農(nóng)機(jī)附近田地的衛(wèi)星基站進(jìn)行位置糾偏運(yùn)算，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)位置的精準(zhǔn)定位。在精準(zhǔn)定位功能的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高農(nóng)機(jī)行駛的合理性，導(dǎo)航技術(shù)廣泛應(yīng)用到了農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠利用衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)與農(nóng)田邊界信息進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)路線的規(guī)劃，可指導(dǎo)駕駛員進(jìn)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(dǎo)航屏幕的指引能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的農(nóng)機(jī)駕駛操作(圖1)，有效避免行駛路線偏離和行駛路線重復(fù)問題

。

3.3 設(shè)計(jì)過程的仿真分析

仿真分析是在農(nóng)業(yè)機(jī)械三維建模的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了新功能，利用ANSYS、ADAMS等計(jì)算機(jī)軟件將三維模型導(dǎo)入后，能夠?qū)α悴考M(jìn)行材料、受理等多項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛性、受力狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、塑性變形等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并生成直觀的數(shù)據(jù)圖。設(shè)計(jì)人員可利用仿真分析的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。與傳統(tǒng)的人工受力計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相比，計(jì)算機(jī)軟件仿真分析節(jié)省了大量的人力物力，能有效減少設(shè)計(jì)過程中選材不合理、零部件強(qiáng)度不足或零部件尺寸設(shè)計(jì)過大等問題，能實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)加工前對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵零件的進(jìn)一步驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改正設(shè)計(jì)的不足之處，提高農(nóng)機(jī)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(jī)械生產(chǎn)加工的過程中，傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)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(fèi)和生產(chǎn)加工時(shí)間的延長。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行模擬，能便捷地驗(yàn)證加工過程程序編制的正確性，并在此過程中進(jìn)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(zhì)量。

1.3 觀察指標(biāo) 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(dòng)脈血?dú)庵笜?biāo)，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(dòng)脈血?dú)庵笜?biāo)的相關(guān)性。

4 結(jié)語

綜上所述，計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠?qū)r(nóng)業(yè)機(jī)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(dòng)化與智能化的新時(shí)代，農(nóng)機(jī)企業(yè)應(yīng)當(dāng)做到與時(shí)俱進(jìn)，積極轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造理念，將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)、制造及農(nóng)產(chǎn)品的功能升級(jí)上，利用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)全面提升農(nóng)機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品競爭力，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)農(nóng)機(jī)技術(shù)智能化升級(jí)。

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