任 棟

（太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000）

農(nóng)業(yè)機械是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和加工過程中的設(shè)備，提升農(nóng)機設(shè)計制造水平是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必由路徑，其對提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和加快農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展有著較大的促進作用。目前，自動化技術(shù)的不斷發(fā)展為農(nóng)機設(shè)計制造水平的提升提供了堅實的支撐，相關(guān)研究人員應(yīng)加強對自動化技術(shù)的研究，并將其合理應(yīng)用在農(nóng)機設(shè)計和制造中，提升農(nóng)機的功能性和實用性，不斷推動農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展。

1 農(nóng)機設(shè)計制造中自動化技術(shù)的優(yōu)勢

農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造過程中，使用自動化技術(shù)能夠提升設(shè)備的實際使用效果，具體操作應(yīng)用較為簡單，智能化農(nóng)機設(shè)備解放了人力，降低了生產(chǎn)成本，提高了作業(yè)效果，整體優(yōu)勢較為明顯。1）農(nóng)業(yè)機械自動化使用時，不再需要以人力的方式作業(yè)，降低了農(nóng)民的勞動強度，有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。2）農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)的應(yīng)用能夠有效推動農(nóng)業(yè)發(fā)展，在自動化技術(shù)的幫助下，農(nóng)機設(shè)計水平不斷提升，并向著智能化、集約化、高效化方向發(fā)展，促進了我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。3）農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)民增產(chǎn)增收[1]。農(nóng)機自動作業(yè)效率更高，同時能夠保持均勻的作業(yè)狀態(tài)，使種植、管理以及收獲過程保持較高質(zhì)量，有效提高了種植業(yè)的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少了勞動成本，進而實現(xiàn)增產(chǎn)增收。

2 農(nóng)業(yè)機械自動化發(fā)展現(xiàn)狀

受農(nóng)機自動化技術(shù)優(yōu)勢的積極影響，我國對農(nóng)機自動化設(shè)計制造的重視程度不斷加強。目前，在收割機、插秧機、農(nóng)藥播撒機等方面的研究和應(yīng)用較為廣泛，農(nóng)民逐漸認識到農(nóng)業(yè)機械自動化設(shè)備的應(yīng)用優(yōu)勢，并主動去了解和購買相關(guān)設(shè)備。同時，國家為促進“三農(nóng)”發(fā)展，出臺了相應(yīng)的農(nóng)機購置補貼政策，極大地助推了農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展。但在實際發(fā)展過程中，仍存在一定的不足之處，不同區(qū)域自動化農(nóng)機設(shè)備的研究與應(yīng)用存在明顯差異，部分經(jīng)濟水平較低的區(qū)域，相關(guān)農(nóng)機設(shè)備的使用仍然較少，并且缺乏相關(guān)的研究和推廣。此外，我國農(nóng)機自動化技術(shù)的發(fā)展水平與國際水平相比，仍有著較大的提升空間。

3 農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造中自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 自動化技術(shù)水平較低

當(dāng)前，我國自動化技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，隨著國家對高科技技術(shù)研發(fā)的重視，我國自動化技術(shù)水平與發(fā)達國家的差距正逐漸縮小[2]。但在實際應(yīng)用過程中，相比其他行業(yè)，自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造中的投入較少。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造過程中，過度模仿國外農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的功能特點，忽視設(shè)備在國內(nèi)的適用性和生產(chǎn)成本，導(dǎo)致農(nóng)機研發(fā)和制造成本較高，農(nóng)民無法負擔(dān)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化水平也難以提升，產(chǎn)品質(zhì)量問題頻發(fā)，阻礙了農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展。

3.2 缺乏創(chuàng)新研發(fā)能力

農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造在融合自動化技術(shù)時，應(yīng)結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工需求創(chuàng)新研發(fā)農(nóng)機設(shè)備。目前，農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中存在創(chuàng)新力度不足的情況，大部分研究人員選擇模仿復(fù)制國外先進設(shè)備，國內(nèi)原創(chuàng)自動化農(nóng)機設(shè)備尤其是高端農(nóng)機設(shè)備相對較少，且質(zhì)量水平不足，無法滿足實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。正因如此，自動化技術(shù)中的智能系統(tǒng)及虛擬技術(shù)無法與農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)有機融合，使得農(nóng)機設(shè)備的實際應(yīng)用效果不甚理想，并且缺乏競爭力。

3.3 柔性自動化應(yīng)用不足

柔性自動化技術(shù)是一種新型的機電一體化技術(shù)，可以通過可變編程提高系統(tǒng)控制能力，使設(shè)備的靈活性更高。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造過程中，對柔性自動化技術(shù)的需求較高，但在實際應(yīng)用過程中，農(nóng)業(yè)機械設(shè)備對柔性自動化技術(shù)的應(yīng)用相對較少，并且使用較為單一。一般在設(shè)備制造時會使用數(shù)控機床等設(shè)備進行加工，但在農(nóng)機上的應(yīng)用并不明顯，這對農(nóng)業(yè)機械技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了一定的制約。

3.4 信息集成設(shè)計不理想

信息集成系統(tǒng)是一種對分散信息整合協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，在實際應(yīng)用過程中，能夠更好地分析當(dāng)前農(nóng)機的狀態(tài)，并采取恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對方式。該理念在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中具有較強的適用性，但在具體實施過程中，硬件系統(tǒng)集成效果不理想，使軟件無法順利滲透，影響系統(tǒng)的控制效果和功能特點，需要進一步加大研發(fā)應(yīng)用力度。

4 農(nóng)機設(shè)計制造中自動化技術(shù)應(yīng)用的路徑

4.1 加強自動化技術(shù)與農(nóng)機設(shè)計制造的融合

在農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)設(shè)計制造過程中，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)實際需求結(jié)合不同自動化技術(shù)，形成核心技術(shù)，并加強技術(shù)的安全保障。在自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)積極采取核心技術(shù)構(gòu)建以農(nóng)田為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)體系，使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)加強對農(nóng)田環(huán)境作業(yè)過程和實際效果的監(jiān)督和管理[3]。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實施過程中，需要在農(nóng)田區(qū)域范圍內(nèi)構(gòu)建局域網(wǎng)，并將其與自動化系統(tǒng)進行結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)識別農(nóng)田應(yīng)用現(xiàn)狀和農(nóng)田內(nèi)設(shè)備的運行路線，從而提高設(shè)備的使用效率。在農(nóng)業(yè)機械設(shè)備設(shè)計制造過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)備類型和具體作業(yè)內(nèi)容，模擬農(nóng)機的運行軌跡，并根據(jù)實際的操作方式實現(xiàn)自動化控制設(shè)備。

以農(nóng)田犁具的自動化設(shè)計為例，在犁具上安裝自動化控制系統(tǒng)，能夠感知農(nóng)田環(huán)境，同時通過下發(fā)指令，能夠控制犁具的實際操作，如升臂、拉桿、下沉等，控制犁具的提升、下放以及轉(zhuǎn)彎等操作。在設(shè)備自動化控制系統(tǒng)編程時，需要設(shè)置明確的信息識別和處理系統(tǒng)，有效處理采集到的農(nóng)田信息，識別農(nóng)機的角度控制情況以及設(shè)備與地面的距離，使農(nóng)機自動化控制系統(tǒng)能夠有效完成耕地作業(yè)。如在深松耕地時，需要識別當(dāng)前環(huán)境情況，系統(tǒng)可以自動計算深松鏟尖與地面的距離以及拉桿與地面的角度變化情況，根據(jù)相應(yīng)的計算方式，得到控制點與地面的距離，以便控制點以自身為原點調(diào)整深松鏟，確保深松的深度符合實際作業(yè)要求。在不同農(nóng)田環(huán)境中，由于可能存在地面障礙物或地面坡度等情況，需要在計算控制點與地面距離的基礎(chǔ)上，計算較低變化情況，以便更好地控制農(nóng)機，使其按照標(biāo)準(zhǔn)方式運行，提高實際的耕地質(zhì)量。

4.2 借助虛擬技術(shù)及智能技術(shù)

借助虛擬技術(shù)及智能技術(shù)模擬復(fù)雜地形地勢結(jié)構(gòu)的農(nóng)田，有效控制農(nóng)機運行情況，避免出現(xiàn)運行故障。在農(nóng)機運行過程中，合理規(guī)劃路徑不僅能夠提高設(shè)備生產(chǎn)效率，同時能夠降低運行成本。因此，在農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中結(jié)合虛擬技術(shù)和智能技術(shù)，可以優(yōu)化和調(diào)整自動化控制系統(tǒng)。智能農(nóng)機在設(shè)計時，要求農(nóng)機在無人干預(yù)情況下能夠在野外完成農(nóng)田作業(yè)，其主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)以及硬件系統(tǒng)。其中，感知系統(tǒng)能夠智能識別環(huán)境情況，并在控制系統(tǒng)中進行環(huán)境建模，模擬外界環(huán)境，構(gòu)建地圖信息，指引設(shè)備順利移動[4]。以農(nóng)田作業(yè)路徑規(guī)劃為例進行分析，農(nóng)機自動化系統(tǒng)控制傳感器可以收集農(nóng)田作業(yè)區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，并構(gòu)建農(nóng)田地圖信息，通過全覆蓋式信息收集，構(gòu)建虛擬農(nóng)田環(huán)境，智能農(nóng)機能夠結(jié)合整個農(nóng)田環(huán)境明確作業(yè)區(qū)域和障礙物，同時根據(jù)實際的作業(yè)類型，如種植、采收等操作，調(diào)整運行路徑，避免出現(xiàn)遺漏或重復(fù)率過大等情況。

自動化系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)農(nóng)田環(huán)境的具體情況合理構(gòu)建虛擬仿真地圖，在簡單農(nóng)田環(huán)境中，由于此類環(huán)境較為理想，田地面積較大且無障礙物，整體路徑規(guī)劃可直接根據(jù)設(shè)備作業(yè)效率進行計算。但在對復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境進行分析時，由于該類型農(nóng)田面積較小，并且存在一定障礙物，如農(nóng)田邊界或中間區(qū)域等[5]，系統(tǒng)應(yīng)模擬分析設(shè)備是否能夠通過，智能控制不同操作指令下的應(yīng)對方式，如在規(guī)劃路徑前判斷障礙物數(shù)量，并根據(jù)實際作業(yè)要求合理規(guī)劃整體運行路徑，以充分提升農(nóng)機作業(yè)效率[6]。

4.3 提升農(nóng)機柔性自動化設(shè)計

在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造過程中，應(yīng)注重柔性自動化技術(shù)的滲透作用，通過柔性設(shè)計，提高系統(tǒng)靈活性，提升其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用效果。如果柔性化應(yīng)用不足，將會直接影響設(shè)備的控制效果，容易對農(nóng)作物造成損害，嚴重影響農(nóng)民的生產(chǎn)效益。

以玉米摘穗機為例，目前鮮食玉米逐漸受到消費者的喜愛，越來越多的農(nóng)民選擇種植鮮食玉米。但在玉米收獲時，由于該階段玉米較為幼嫩，容易受到損傷而影響玉米品質(zhì)。因此，為降低該階段玉米采摘難度，應(yīng)在傳統(tǒng)機械設(shè)備的基礎(chǔ)上增加柔性自動化技術(shù)，使農(nóng)業(yè)機械在運行中能夠保持柔性低損的狀態(tài)[7]。在具體設(shè)計過程中，一方面應(yīng)減少玉米與機械設(shè)備之間的碰撞；另一方面應(yīng)避免直接切斷玉米植株而導(dǎo)致含雜率增加。同時，在采摘完成后的傳輸過程中應(yīng)保持無損運輸。基于此，玉米摘穗農(nóng)機的設(shè)計可以融合柔性自動化設(shè)計理念，在設(shè)備中安裝動態(tài)扭矩傳感器和過載保護裝置，設(shè)置控制器識別傳感器和電動機運行情況，結(jié)合實際的玉米收割過程，自動識別玉米果穗，并設(shè)置摘穗板，玉米進入該范圍后，控制板面滑切裝置拉動玉米莖稈并切割，使玉米果穗順利與莖稈分離，隨后使其隨著運輸通道進入到儲存空間，實現(xiàn)無損運輸。在該過程中，為提高玉米莖稈拉動效果，避免出現(xiàn)抓取失敗的情況，應(yīng)加強對滑切式拉莖輥的設(shè)計和調(diào)整。拉莖輥的直徑應(yīng)滿足：

式中，D為拉莖輥直徑，單位為mm；ds為穗部直徑，單位為mm；dg為玉米莖稈直徑，單位為mm；δ為輥間間隙，單位為mm；μs、μg分別為拉莖輥對玉米穗部和莖稈的抓取系數(shù)。

在完善采摘結(jié)構(gòu)后，應(yīng)構(gòu)建柔性運輸裝置，避免玉米在運輸過程中出現(xiàn)碰撞損壞，從而影響玉米采摘質(zhì)量。因此，可以在玉米摘穗農(nóng)機上構(gòu)建環(huán)形柔性撥穗帶，實現(xiàn)對玉米的柔性夾喂，有效避免對玉米的二次損傷[8]，提高玉米采摘收割效果。

4.4 基于農(nóng)業(yè)機械構(gòu)建信息集成化系統(tǒng)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，基于農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)構(gòu)建信息集成系統(tǒng)，能夠增強農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效果，可以利用信息化集成系統(tǒng)構(gòu)建圖像采集技術(shù)，并將其與傳感器和自動控制系統(tǒng)結(jié)合，在圖像采集后自動識別，根據(jù)農(nóng)作物的實際情況，智能判斷下一步作業(yè)內(nèi)容[9]。

以玉米收割為例，將圖像采集軟件搭載到攝像機相關(guān)設(shè)備上，將其安裝在農(nóng)業(yè)機械設(shè)備前方，以便有效獲取設(shè)備運行時前方的具體信息。在攝像機采集到玉米植株的圖像后，將圖像上傳到控制系統(tǒng)中，通過自動化系統(tǒng)控制設(shè)備移動切割和采集工具，判斷距離變化情況控制設(shè)備開關(guān)，在設(shè)備接觸到玉米時順利啟動，完成玉米的收割工作。在該系統(tǒng)中，需要對自動化控制系統(tǒng)進行PLC編程和設(shè)計，具體應(yīng)在玉米收割前設(shè)置并檢查程序運行情況，確保系統(tǒng)正常運行，同時使設(shè)備的運行較為穩(wěn)定；在玉米收割過程中實施環(huán)境監(jiān)測，了解設(shè)備在農(nóng)田范圍內(nèi)的實際運行路線，控制玉米與設(shè)備之間的距離保持在45 cm左右，根據(jù)距離變化，系統(tǒng)自動控制設(shè)備的運行速度和作業(yè)狀態(tài)，以便提高整體的收割效果[10]。

農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中，自動化技術(shù)在液壓傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用同樣較為廣泛，在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計制造過程中，可借助信息集成系統(tǒng)，判斷當(dāng)前的作業(yè)情況，自動調(diào)整液壓傳動系統(tǒng)的運行情況，根據(jù)不同的液壓作業(yè)情況調(diào)整設(shè)備轉(zhuǎn)速，確保符合不同地理條件的作業(yè)需求，同時降低并緩解液壓泵使用壓力。

5 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代化發(fā)展背景下，為進一步加快農(nóng)村農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提升農(nóng)民經(jīng)濟收入水平，應(yīng)加強對農(nóng)業(yè)機械自動化技術(shù)的研究，在農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中結(jié)合不同的高新科技，積極融合智能化系統(tǒng)，提升農(nóng)機的功能性和實用性。同時，不斷創(chuàng)新與中國農(nóng)業(yè)實際發(fā)展情況更為契合的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，進一步促進農(nóng)業(yè)農(nóng)村的快速發(fā)展。