农业机械设计与制造中自动化技术的应用研究

梅运东，李　倩，丁　祎

农业机械设计与制造中自动化技术的应用研究

梅运东，李倩*，丁祎

(黄河交通学院，河南 焦作 454950)

随着自动化技术与农业生产的发展，农业机械自动化已经成为未来农业发展的必经之路。在农业机械设计与制造中应用自动化技术，不仅能够提高农业生产效率，解放劳动力，还能够极大地促进农业生产的改革发展，推动农业生产向机械化、自动化、智能化发展，提高农业生产力，满足现代农业发展需求。通过分析农业机械自动化的价值与优势，提出了自动化技术在农业机械设计与制造中的应用方向与实例。

自动化技术；农业机械；机械设计

随着信息技术的发展，农业生产逐渐呈现由机械化向自动化、智能化发展的趋势。尤其是在网络基础设施、5G技术等不断发展完善的背景下，各种智能化、全过程自动化的农业机械迅速发展，成为节省人力、提升农业生产效率的关键，极大推动了三农事业的发展[1]。目前，我国农业机械中自动化技术应用不足，设施水平不高，对于农业智能化发展的支撑不够，在一定程度上制约农业现代化的发展。在农业机械设计与制造中积极使用自动化技术在未来有着广阔的应用价值与前景。

1　农业生产机械发展的趋势与价值

农业机械是现代农业生产的物质基础，农业的现代化发展离不开农业机械的现代化，农业机械也是农村生产能力的主要组成部分。在中央历年有关三农问题的文件中都有提及要顺应农业发展趋势，用现代技术来改造我国的农业生产，提高农业机械化和信息化应用水平。

1.1　农业生产机械发展趋势

综合国内外农业生产机械发展趋势，目前农业机械发展呈现自动化、信息化、智能化发展特点。

首先是自动化。农业机械自动化主要是指机械自动控制技术，通过计算机、传感器、电气控制等集成处理系统，对农业机械进行自动控制或实时控制。尤其是在机械作业环境较为恶劣的情况下，使用自动化技术进行农业生产的可靠性更强[2]。而且在机具出现故障后还可以进行自我诊断，确保农业生产的顺利进行。例如在农业机械内部安装控制系统与电子监视系统后，就可实现对农业机械的远程遥控或自动化控制。

其次是信息化。农业机械的信息化主要是借助5G、传感控制、机械电子等技术，在农业生产中实现对农业机械的远程控制，让农业生产更加安全、可靠、高效。例如华南农业大学的赵新等基于全球定位系统在农耕机械中加入“土壤耕作阻力测量装置”，使用传感器与信息技术分析、测量农业机械耕作过程中所产生的“土壤耕作阻力”，进而服务于耕种机械，让机械生产更加高效、节能。又如近年来开始采用各种遥感图像对农作物生长特征、生理参数、产品品质等内容进行监测与诊断，实时获取农作物生产信息，让农业生产更加精确化、信息化。

第三是智能化。农业机械的智能化也被称为“智慧农业”，随着现代人工智能以及图形处理技术的发展，农业机械开始出现智能化发展的趋势。例如在我国采茶机械设计中，使用视觉处理技术采茶机械可以有效代替人工进行优质茶叶的识别、采摘。欧美等国家的智能化农业机械在借助计算机模型计算后，能够自动识别农田杂草、病虫害等。目前我国的农业机械智能化与发达国家相比还存在些许差距[3]。

农业机械从机械化到自动化、智能化是其未来发展的主要趋势。2013年习近平总书记也指出要“让农业插上科技的翅膀”，积极推进农业信息化建设，进而提升中国农业现代化水平。

1.2　农业机械自动化发展价值

现阶段，我国农业机械自动化技术已经在收割机、插秧机等多种用途农业机械中有效推广，并得到农民的认可。这些机械设备的投入与使用能够在最大限度上解放人力，代替人工操作，提高农业生产力。除此之外，农业机械自动化发展还具备以下优势与价值。

(1)农业机械自动化发展能够节约农村劳动力，提高农业生产效率。我国农村传统农业生产主要以人力为主，生产效率低，投入与产出不成正比。在农业生产推广应用自动化机械能够在较短时间内完成劳动生产任务，降低农民劳动强度，提高农业产出与生产效率。

(2)农业生产自动化发展有利于增加农民收入，降低劳动成本。推广应用农业生产自动化机械后能够有效减少劳动生产中所耗费的劳动力成本，解放出来的劳动力可以投入到其他产业中，促进农民增产增收。同时，自动化机械的应用可以有效代替传统人力生产，优化农村产业结构与劳动力结构，推动各个产业之间的和谐发展。

(3)农业机械自动化发展能够提升农业综合发展水平。农业生产的现代化需要以农业机械、农业技术的现代化为引领。从国际发展经验看，农业机械自动化是衡量农业综合发展水平的重要标准。我国在农业机械设计与制造中引入更多自动化技术，能够促进农业机械技术升级与农业科技创新，引导我国农业向标准化、集约化、现代化发展。

2　农业机械设计中自动化技术的应用

在我国实际农业生产中，农业机械自动化、智能化在诸多领域还存在严重的不足，主要是受我国地域广阔、农业机械种类繁多、作业环境复杂、单一产品市场需求较少等因素影响，从而导致农业机械设计中自动化技术应用不广泛，不全面。以玉米收割机为例，基于图像采集技术进行自动化技术的具体设计，重点介绍图像识别后的自动收割技术的应用。

2.1　玉米收割机图像采集

正如前文所述，农业机械的自动化、智能化、信息化设计大多数都是基于现代信息技术，其中图像采集与识别技术是农业自动化的关键。只有精确识别农作物信息后，才能完成下一步对农作物的生长监控与采收。

在玉米收割机自动化设计中首要任务是做好图像采集与识别，进而完全代替人工完成其他工作。在进行图像采集的硬件设计时，将信息采集摄像头置于驾驶室前方，以便于机具获取玉米图像然后进行处理分析。一是设计摄像机时采用CCD传感技术，能够获得清晰、稳定的玉米株图像。二是使摄像头通过5G等通讯技术，将获取的信息上传后进行预处理。主要是计算玉米株之间的距离，确定收割机割台位置。例如针对相邻玉米叶相较、相互干扰的问题，通过图像分析与处理则可以去除其中的噪点，使玉米秸秆边缘更加平滑，让玉米秸秆更加明显，获得较为清晰的玉米植株图像，进而达到减少明显干扰因素的目的，使工作区域更加明显，方便后续位置锁定[4]。三是通过计算明确玉米株之间距离后，再运用相机对作业目标进行确定。

2.2　玉米自动收割系统控制

通过图像采集与分析技术对玉米秸秆距离进行确定后，需要使用自动化技术来控制割台。在设计过程中应用PLC控制技术和液压机械传动系统，有技术成熟、操作简单快捷、可靠性高等优势。

(1)PLC控制系统设计。在玉米收割机自动控制中选择PLC作为主要控制器，具有应用广泛、时效性可靠性强、结构模块化以及使用方便等优势，能够有效完成玉米收割机自动控制与故障检测等。在收割机工作时可控制割台上液压阀的开合来实现割台各个动作。①在收割开始工作之前，通过PLC对机械流程进行自检，检查各种信号、控制器是否有效；检验工作液压系统是否处于初始状态，检测无误后才能进行收割工作。同时在自控系统中配置手动模式，针对小型农场以及面积不大的地块可使用手动操作来完成收割。②使用传感器来测量割台位移情况，防止割台行程过大影响收割效果。传感器将获得的信息传递给PLC，借助PLC来调节割台位置。例如如果传感器传递给PLC的距离值等于或者小于450 mm，则折叠液压缸不需要展开，直接开启所有马达进行收割作业。如果采集到的距离值大于 550 mm，则左右两侧折叠液压缸全部展开，将左右割台全部展平，然后控制割台偏置液压缸伸长。直到传感器传递值等于传递给PLC的值，完成间距调节后，PLC才能控制马达的开关量，控制所有马达开始工作，开始玉米收割作业。

(2)液压机械传动系统设计。液压机械传动系统的主要作用是控制和调解玉米收割机割台，实现对行、折叠、摘穗辊的转动以及绞龙部分转动等动作。使用液压系统能够更好实现自动化控制，反应也更迅速。在设计液压控制回路时，由于所需的液压马达数量多，为了降低液压油的损耗，可将9个液压马达分为3组，每组3个，同时在三个支路上设置3个同步分流马达[5]。同步分流马达为齿轮式，外形与多联齿轮泵相似，它将最少两组的齿轮马达串联，使其保持相同的转速，当液压泵提供油液以后，可以很灵活地按设定的比例来分配油液供给给执行元件。在此过程中，可以做到完全不受执行元件的压力值的干扰。在设计摘穗辊油缸的回路时，为了平衡支路的油液，需要使用分集流阀，分集流阀是在液压同步系统中控制两个油缸或液压马达使其保持同速。

3　结语

以农业、农村、农民为代表的“三农”问题是我国乡村发展的关键，如何提高农业生产效率以及现代化水平直接关系着“三农”问题的发展。目前，随着我国人口流动的增加，农业生产从传统人工向现代机械化转变，农业生产机械化、自动化乃至智能化已成为未来农业的重要发展方向，可极大解决农村劳动力短缺问题，提升农业生产效率。在农业机械设计与生产中需要结合“三农”发展目标，将更多自动化、智能化技术应用其中，最终推动农业现代化发展。

[1] 毛安石.探析农业机械设计制造中自动化技术的应用[J].山西农经,2019(24):112，114.

[2] 任瑞恩.机械设计制造领域中自动化技术的应用研究[J].时代农机,2020,47(6):21-22.

[3] 刘兆林,蔡铖来,孙翔宇.我国机械自动化技术在机械制造业中的应用[J].南方农机,2017,48(3):107.

[4] 徐勇,李平安.现代制造技术在农业机械制造业中的应用研究[J].农机使用与维修,2015(7):14-16.

[5] 陈学庚,温浩军,张伟荣,等.农业机械与信息技术融合发展现状与方向[J].智慧农业(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

梅运东(1981—)，男，河南永城人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为机械工程。

李倩(1987—)，女，河南商丘人，大学本科，中级工程师，主要研究方向为机械工程。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立