自动化技术在农业机械设计制造中的应用探讨

任 栋

（太原工业学院，山西 太原 030000）

农业机械是农业生产和加工过程中的设备，提升农机设计制造水平是实现农业现代化的必由路径，其对提升农业生产效率和加快农业经济发展有着较大的促进作用。目前，自动化技术的不断发展为农机设计制造水平的提升提供了坚实的支撑，相关研究人员应加强对自动化技术的研究，并将其合理应用在农机设计和制造中，提升农机的功能性和实用性，不断推动农业机械化发展。

农业机械设计制造过程中，使用自动化技术能够提升设备的实际使用效果，具体操作应用较为简单，智能化农机设备解放了人力，降低了生产成本，提高了作业效果，整体优势较为明显。1）农业机械自动化使用时，不再需要以人力的方式作业，降低了农民的劳动强度，有效提高了农业生产效率。2）农业机械自动化技术的应用能够有效推动农业发展，在自动化技术的帮助下，农机设计水平不断提升，并向着智能化、集约化、高效化方向发展，促进了我国农业经济的发展。3）农业机械自动化技术能够实现农民增产增收[1]。农机自动作业效率更高，同时能够保持均匀的作业状态，使种植、管理以及收获过程保持较高质量，有效提高了种植业的产量和质量，减少了劳动成本，进而实现增产增收。

受农机自动化技术优势的积极影响，我国对农机自动化设计制造的重视程度不断加强。目前，在收割机、插秧机、农药播撒机等方面的研究和应用较为广泛，农民逐渐认识到农业机械自动化设备的应用优势，并主动去了解和购买相关设备。同时，国家为促进“三农”发展，出台了相应的农机购置补贴政策，极大地助推了农业机械化发展。但在实际发展过程中，仍存在一定的不足之处，不同区域自动化农机设备的研究与应用存在明显差异，部分经济水平较低的区域，相关农机设备的使用仍然较少，并且缺乏相关的研究和推广。此外，我国农机自动化技术的发展水平与国际水平相比，仍有着较大的提升空间。

3.1 自动化技术水平较低

当前，我国自动化技术正处于快速发展阶段，随着国家对高科技技术研发的重视，我国自动化技术水平与发达国家的差距正逐渐缩小[2]。但在实际应用过程中，相比其他行业，自动化技术在农业机械设计制造中的投入较少。在农业机械设计制造过程中，过度模仿国外农业机械设备的功能特点，忽视设备在国内的适用性和生产成本，导致农机研发和制造成本较高，农民无法负担，农业生产自动化水平也难以提升，产品质量问题频发，阻碍了农业机械化发展。

3.2 缺乏创新研发能力

农业机械设计制造在融合自动化技术时，应结合农业生产加工需求创新研发农机设备。目前，农业机械设计中存在创新力度不足的情况，大部分研究人员选择模仿复制国外先进设备，国内原创自动化农机设备尤其是高端农机设备相对较少，且质量水平不足，无法满足实际农业生产需求。正因如此，自动化技术中的智能系统及虚拟技术无法与农业机械实现有机融合，使得农机设备的实际应用效果不甚理想，并且缺乏竞争力。

3.3 柔性自动化应用不足

柔性自动化技术是一种新型的机电一体化技术，可以通过可变编程提高系统控制能力，使设备的灵活性更高。在农业机械设计制造过程中，对柔性自动化技术的需求较高，但在实际应用过程中，农业机械设备对柔性自动化技术的应用相对较少，并且使用较为单一。一般在设备制造时会使用数控机床等设备进行加工，但在农机上的应用并不明显，这对农业机械技术的发展产生了一定的制约。

3.4 信息集成设计不理想

信息集成系统是一种对分散信息整合协调的系统，在实际应用过程中，能够更好地分析当前农机的状态，并采取恰当的应对方式。该理念在农业机械设计中具有较强的适用性，但在具体实施过程中，硬件系统集成效果不理想，使软件无法顺利渗透，影响系统的控制效果和功能特点，需要进一步加大研发应用力度。

4.1 加强自动化技术与农机设计制造的融合

在农业机械生产设计制造过程中，相关人员应根据实际需求结合不同自动化技术，形成核心技术，并加强技术的安全保障。在自动化控制系统设计中，应积极采取核心技术构建以农田为基础的物联网体系，使用卫星定位系统加强对农田环境作业过程和实际效果的监督和管理[3]。在物联网技术实施过程中，需要在农田区域范围内构建局域网，并将其与自动化系统进行结合，利用物联网技术识别农田应用现状和农田内设备的运行路线，从而提高设备的使用效率。在农业机械设备设计制造过程中，应根据设备类型和具体作业内容，模拟农机的运行轨迹，并根据实际的操作方式实现自动化控制设备。

以农田犁具的自动化设计为例，在犁具上安装自动化控制系统，能够感知农田环境，同时通过下发指令，能够控制犁具的实际操作，如升臂、拉杆、下沉等，控制犁具的提升、下放以及转弯等操作。在设备自动化控制系统编程时，需要设置明确的信息识别和处理系统，有效处理采集到的农田信息，识别农机的角度控制情况以及设备与地面的距离，使农机自动化控制系统能够有效完成耕地作业。如在深松耕地时，需要识别当前环境情况，系统可以自动计算深松铲尖与地面的距离以及拉杆与地面的角度变化情况，根据相应的计算方式，得到控制点与地面的距离，以便控制点以自身为原点调整深松铲，确保深松的深度符合实际作业要求。在不同农田环境中，由于可能存在地面障碍物或地面坡度等情况，需要在计算控制点与地面距离的基础上，计算较低变化情况，以便更好地控制农机，使其按照标准方式运行，提高实际的耕地质量。

4.2 借助虚拟技术及智能技术

借助虚拟技术及智能技术模拟复杂地形地势结构的农田，有效控制农机运行情况，避免出现运行故障。在农机运行过程中，合理规划路径不仅能够提高设备生产效率，同时能够降低运行成本。因此，在农业机械设备中结合虚拟技术和智能技术，可以优化和调整自动化控制系统。智能农机在设计时，要求农机在无人干预情况下能够在野外完成农田作业，其主要系统结构包括控制系统、感知系统以及硬件系统。其中，感知系统能够智能识别环境情况，并在控制系统中进行环境建模，模拟外界环境，构建地图信息，指引设备顺利移动[4]。以农田作业路径规划为例进行分析，农机自动化系统控制传感器可以收集农田作业区域的环境数据，并构建农田地图信息，通过全覆盖式信息收集，构建虚拟农田环境，智能农机能够结合整个农田环境明确作业区域和障碍物，同时根据实际的作业类型，如种植、采收等操作，调整运行路径，避免出现遗漏或重复率过大等情况。

自动化系统设计过程中，应根据农田环境的具体情况合理构建虚拟仿真地图，在简单农田环境中，由于此类环境较为理想，田地面积较大且无障碍物，整体路径规划可直接根据设备作业效率进行计算。但在对复杂农田环境进行分析时，由于该类型农田面积较小，并且存在一定障碍物，如农田边界或中间区域等[5]，系统应模拟分析设备是否能够通过，智能控制不同操作指令下的应对方式，如在规划路径前判断障碍物数量，并根据实际作业要求合理规划整体运行路径，以充分提升农机作业效率[6]。

4.3 提升农机柔性自动化设计

在农业机械设计制造过程中，应注重柔性自动化技术的渗透作用，通过柔性设计，提高系统灵活性，提升其在农业生产过程中的实际应用效果。如果柔性化应用不足，将会直接影响设备的控制效果，容易对农作物造成损害，严重影响农民的生产效益。

以玉米摘穗机为例，目前鲜食玉米逐渐受到消费者的喜爱，越来越多的农民选择种植鲜食玉米。但在玉米收获时，由于该阶段玉米较为幼嫩，容易受到损伤而影响玉米品质。因此，为降低该阶段玉米采摘难度，应在传统机械设备的基础上增加柔性自动化技术，使农业机械在运行中能够保持柔性低损的状态[7]。在具体设计过程中，一方面应减少玉米与机械设备之间的碰撞；
另一方面应避免直接切断玉米植株而导致含杂率增加。同时，在采摘完成后的传输过程中应保持无损运输。基于此，玉米摘穗农机的设计可以融合柔性自动化设计理念，在设备中安装动态扭矩传感器和过载保护装置，设置控制器识别传感器和电动机运行情况，结合实际的玉米收割过程，自动识别玉米果穗，并设置摘穗板，玉米进入该范围后，控制板面滑切装置拉动玉米茎秆并切割，使玉米果穗顺利与茎秆分离，随后使其随着运输通道进入到储存空间，实现无损运输。在该过程中，为提高玉米茎秆拉动效果，避免出现抓取失败的情况，应加强对滑切式拉茎辊的设计和调整。拉茎辊的直径应满足：

式中，D为拉茎辊直径，单位为mm；
ds为穗部直径，单位为mm；
dg为玉米茎秆直径，单位为mm；
δ为辊间间隙，单位为mm；
μs、μg分别为拉茎辊对玉米穗部和茎秆的抓取系数。

在完善采摘结构后，应构建柔性运输装置，避免玉米在运输过程中出现碰撞损坏，从而影响玉米采摘质量。因此，可以在玉米摘穗农机上构建环形柔性拨穗带，实现对玉米的柔性夹喂，有效避免对玉米的二次损伤[8]，提高玉米采摘收割效果。

4.4 基于农业机械构建信息集成化系统

在农业生产过程中，基于农业自动化生产构建信息集成系统，能够增强农业机械的作业效果，可以利用信息化集成系统构建图像采集技术，并将其与传感器和自动控制系统结合，在图像采集后自动识别，根据农作物的实际情况，智能判断下一步作业内容[9]。

以玉米收割为例，将图像采集软件搭载到摄像机相关设备上，将其安装在农业机械设备前方，以便有效获取设备运行时前方的具体信息。在摄像机采集到玉米植株的图像后，将图像上传到控制系统中，通过自动化系统控制设备移动切割和采集工具，判断距离变化情况控制设备开关，在设备接触到玉米时顺利启动，完成玉米的收割工作。在该系统中，需要对自动化控制系统进行PLC编程和设计，具体应在玉米收割前设置并检查程序运行情况，确保系统正常运行，同时使设备的运行较为稳定；
在玉米收割过程中实施环境监测，了解设备在农田范围内的实际运行路线，控制玉米与设备之间的距离保持在45 cm左右，根据距离变化，系统自动控制设备的运行速度和作业状态，以便提高整体的收割效果[10]。

农业机械设备中，自动化技术在液压传动系统中的应用同样较为广泛，在农业机械设计制造过程中，可借助信息集成系统，判断当前的作业情况，自动调整液压传动系统的运行情况，根据不同的液压作业情况调整设备转速，确保符合不同地理条件的作业需求，同时降低并缓解液压泵使用压力。

综上所述，在现代化发展背景下，为进一步加快农村农业的发展，提升农民经济收入水平，应加强对农业机械自动化技术的研究，在农业机械设备中结合不同的高新科技，积极融合智能化系统，提升农机的功能性和实用性。同时，不断创新与中国农业实际发展情况更为契合的农业机械设备，提高农业生产效率，降低农业生产成本，加快农业农村现代化，进一步促进农业农村的快速发展。