計算機技術在農業機械及設計制造中的應用

0 引言

隨著我國總體科技水平的快速提升，傳統的機械相關行業正快速向自動化和智能化轉型，大量的智能生產加工設備、汽車、醫療器械與現代化的計算機技術實現融合，使機械裝備的工作精度、使用便捷性、工作合理性明顯提升。相對而言，農業機械的自動化與智能化的發展緩慢，在我國，受到農業機械使用環境和使用群體的限制，農機企業開發的產品更傾向于人工駕駛的機械類產品，農機產品與計算機、數字控制等先進技術結合仍不充分，與智能加工、汽車等行業相比相差甚遠。與發達國家的農機技術相比，我國農機技術的現代化程度已明顯不足，盡管近年來農業機械的普及率不斷上升，但平均技術水平不足成為制約農機化生產的新短板，如何在“增量的同時提質”是農機行業發展必須要思考的問題。

1 農機與計算機技術相融合的必要性

1.1 計算機技術是農機自動控制的核心

現代化的農業機械要向更加智能的方向發展，在提高電氣化成度的同時離不開計算機技術的控制功能，自動化農機很多功能實現離不開計算機技術的支持，例如各個零部件的轉速、位置、功能是否正常，在自動控制過程是需要計算機的系統和運算能力進行保證的，利用計算機處理復雜農機設備參數和故障監測相對于傳統的人工監測更加高效精準，有利于農機自動控制功能更好的實現。

1.2 計算機技術是替代人工決策的關鍵

現代的計算機技術具有良好的邏輯判斷能力，其能夠利用農業機械的功能、作業狀態、農田信息等代替人工進行生產決策，例如對不同功能農機進行工序安排、提高農業生產效率，或應用于生產過程中輔助駕駛人員進行決策，給出決策建議，降低農機駕駛員的勞動強度

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這項運動既能在戶外進行，又能在校園內進行，學生在學有余力之后還擁有了親近大自然的機會。這項運動不同于一般的耐力競跑運動，它要求參與者要能依靠指南針識別方向，并具備一定的應變能力。在定向越野過程中，學生不僅充分感受到體育運動的樂趣，還增強了對體育鍛煉的積極性。

1.3 計算機技術能突破傳統生產模式制約

計算機結合大數據技術能夠全面改變農業生產模式，計算機應用于農機化生產的方方面面后，能夠實現利用計算機管理全部的農機產品，并將農業生產與農作物長勢、病蟲害、氣候變化等眾多數據相結合，提高生產實施的科學性。

1.4 計算機技術是功能擴展的基礎

從計算機技術的應用來看，其能夠與大部分現代化技術良好融合，例如電氣技術、通信技術、網絡技術、衛星定位技術等，計算機技術在農業機械上的廣泛應用為未來農業機械的功能進一步擴展提供了可能。

2 計算機技術在農業機械中的應用

2.1 衛星定位與導航

對于復雜的中大型農機裝備，其結構復雜，零部件眾多，常規的二維圖紙設計開發，常出現生產制造后錯誤多，安裝、使用過程零部件間配合不合理等問題，且很多平面圖紙設計完成后很難實現機具效果的直觀展示，需等到樣機制造完成后方能進行整機的檢查與錯誤調整，常造成生產制造中的材料浪費和成本提高。計算機三維設計軟件的應用有效解決了農機產品設計過程直觀性不強的問題。利用現階段應用廣泛的三維機械設計軟件，如SolidWorks、PRO/E等，能夠實現單獨零件建模后的預裝配，并在裝配過程中解決設計中存在的配合不當、結構不合理、零部件運轉干涉等問題，空間展示更加直觀合理，便于設計成果的匯報、討論與優化。同時，三維圖形能夠快速生成平面圖紙，并實現三維圖形與圖紙的直接關聯，零部件修改和技術升級時只需修改三維圖結構即可實現平面圖紙的聯動修改，工作效率得到大幅提升。三維建模軟件在農業機械設計中的應用，有效加速了產品的開發過程，有利于先進技術產品快速投入市場。

2.2 視覺識別及數據獲取

1) 閥門計算書中相關數據。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；主管內徑d1=0.02 m；支管內徑d2=0.01 m；油站出油口壓力p1=12 MPa；工藝要求的閥門開關時間tR=10 s。

2.3 智能農機的開發

為了更好滿足品質農業的發展需求，瑞豐生態在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基地，主要生產源于歐洲技術的碳能結晶新型功能肥料，并且二期工程建設的128米高的30萬噸/年高塔造粒復合肥項目自今年8月18日奠基動工，僅僅歷時88天就成功封頂。瑞豐生態企業顧問于國輝在發言中講道：“安徽宣城高塔的雄起創造了‘瑞豐速度’！至此，瑞豐生態形成了擁有三大生產基地的全國生產布局，只為更好地為土壤修護事業作一份貢獻！”

在農業機械上安裝視覺設備的目的是使農機能夠模擬人的雙眼，從而提高對環境的認識能力。視覺識別看似是增加了一個或多個攝像頭，但攝像頭僅為視覺圖像的獲取裝備，要實現視覺識別的功能，必須依靠計算機技術對獲取的圖像數據進行復雜的處理。在進行視覺識別的過程中，攝像頭在獲取圖像信息后將其傳輸到計算機系統中進行處理，計算機需要完成以下的工作任務，一是對圖片進行色彩處理，根據不同的RGB選項生成多個圖形；二是去除圖形中的非重要元素；三是識別圖片中的關鍵信息；四是確定識別目標并將其定位和凸顯；五是驗證目標的有效性，并生成空間坐標數據；六是將識別的信息進行輸出或存儲，用于指導農機作業。基于計算機技術的視覺識別能顯著提高農機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器人，其利用視覺識別技術實現對番茄的定位

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2.4 智慧溫室大棚開發

CAD是現代機械設計的一次重大變革，其實現了利用計算機開展機械產品的圖紙設計，相對于傳統的人工繪制圖紙，利用計算機繪制的圖紙具有易于復制、查詢、保存、修改等優勢，尤其對于農業機械的設計與開發過程而言，需經過多年周期反復的試驗、改造、優化，CAD圖紙的高效率優勢得到進一步凸顯。以現階段應用最多的Autodesk CAD軟件為例，其不僅能夠實現計算機的常規繪圖，還配套有多種數據庫，能夠實現中國標準、國際標準等多種零件的直接調取，顯著提升工作效率，且Autodesk CAD能夠實現自動面積計算、公差智能標注、輔助力學計算等功能，其生成的平面圖紙可直接用于部分平面零件的數控加工，有利于提升生產便捷性

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3 計算機技術在農機設計制造的應用

3.1 CAD圖紙設計

近年來，我國溫室大棚實現了技術上的全面升級，溫室大棚的智能化程度得到了顯著提升。現代化的智慧大棚是先進技術的集合體，其利用計算機進行大部分功能的集中統一管理。在計算機的控制下，一方面，能夠對大棚內部的溫度、濕度、光照、肥力、病蟲害等數據進行統計，另一方面，更夠通過對數據的分析處理做出決策，指導自動控制設備執行遮陽、增濕、灌溉、施肥、藥物噴施等大棚生產任務(圖4)

。計算機技術的應用，促進了智慧大棚的無人化生產，幫助生產管理人員降低勞動量，同時，利用人機交互功能，管理人員還能便捷地更改大棚的相關數據，計算機能及時修正相關控制參數，并采用新修改的方案執行控制。

農業機械未來發展的大趨勢是智能化，而實現智能化的要求是農機的無人監管作業，要求農機不僅能實現農業作業的自動化，還需要實現自主管理、生產決策等功能。隨著農機智能化相關研究與產品開發的深入，農機技術與電氣、通信、視覺、衛星定位、遙感等眾多技術相整合，而連接一切技術的控制與運算核心就是計算機技術。利用計算機技術，農業機械在強大的運算支持下能實現自主駕駛、環境識別、內部感知等全部功能，并能將各個功能的相關信息與數據進行結合，使農業機械配備的智能功能成為一個整體，實現農機的高度智能化作業。圖3為日本研發的農用智能行駛平臺，其利用計算機技術控制該設備的全部功能，實現了全程的無人化行駛與動作執行。

3.2 三維模型化設計

衛星定位與導航是現階段農機合理化作業以及未來農機發展的必要功能之一，其能夠實現對農機位置的高精度定位。在定位功能實現的過程中，需要通過計算機系統統計農機上裝備的衛星定位終端與所搜索到的衛星之間的位置數據關系，并利用運算初步定位，再通過與農機附近田地的衛星基站進行位置糾偏運算，能夠實現對農機位置的精準定位。在精準定位功能的基礎上，為進一步提高農機行駛的合理性，導航技術廣泛應用到了農機化生產中，計算機技術能夠利用衛星定位數據與農田邊界信息進行農田作業路線的規劃，可指導駕駛員進行精確的行駛，并根據地理信息系統的數據規避障礙物和不良地形，駕駛員通過導航屏幕的指引能夠實現高精度的農機駕駛操作(圖1)，有效避免行駛路線偏離和行駛路線重復問題

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3.3 設計過程的仿真分析

仿真分析是在農業機械三維建模的基礎上實現了新功能，利用ANSYS、ADAMS等計算機軟件將三維模型導入后，能夠對零部件進行材料、受理等多項參數設計，利用計算機強大的運算能力進行機械結構的強度、剛性、受力狀態、運動狀態、塑性變形等進行數據分析，并生成直觀的數據圖。設計人員可利用仿真分析的結果進行設計優化。與傳統的人工受力計算和試驗驗證相比，計算機軟件仿真分析節省了大量的人力物力，能有效減少設計過程中選材不合理、零部件強度不足或零部件尺寸設計過大等問題，能實現在生產加工前對農機產品關鍵零件的進一步驗證，及時發現和改正設計的不足之處，提高農機產品的可靠性

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3.4 虛擬制造與工藝優化

在農業機械生產加工的過程中，傳統的農機數控制造過程通過試制零件完成生產工藝的優化，此過程常產生大量廢品，造成了材料浪費和生產加工時間的延長。利用計算機軟件對數控加工過程進行模擬，能便捷地驗證加工過程程序編制的正確性，并在此過程中進行加工工藝的修正，有利于提高試制零件的成功率，縮短生產制造周期，節約生產材料與成本，并提升加工制造的質量。

1.3 觀察指標 檢測并比較兩組患兒肺泡SIRT6含量、血清炎癥因子水平；記錄兩組患兒動脈血氣指標，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與炎癥因子及動脈血氣指標的相關性。

4 結語

綜上所述，計算機技術能夠對農業機械的功能及產品開發制造的過程產生積極的提升作用，尤其在自動化與智能化的新時代，農機企業應當做到與時俱進，積極轉變傳統的產品開發、設計、制造理念，將計算機技術應用到設計、制造及農產品的功能升級上，利用現代化的計算機技術全面提升農機企業的產品競爭力，實現國產農機技術智能化升級。

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