自動化技術在農業機械設計制造中的應用探討

任 棟

（太原工業學院，山西 太原 030000）

農業機械是農業生產和加工過程中的設備，提升農機設計制造水平是實現農業現代化的必由路徑，其對提升農業生產效率和加快農業經濟發展有著較大的促進作用。目前，自動化技術的不斷發展為農機設計制造水平的提升提供了堅實的支撐，相關研究人員應加強對自動化技術的研究，并將其合理應用在農機設計和制造中，提升農機的功能性和實用性，不斷推動農業機械化發展。

1 農機設計制造中自動化技術的優勢

農業機械設計制造過程中，使用自動化技術能夠提升設備的實際使用效果，具體操作應用較為簡單，智能化農機設備解放了人力，降低了生產成本，提高了作業效果，整體優勢較為明顯。1）農業機械自動化使用時，不再需要以人力的方式作業，降低了農民的勞動強度，有效提高了農業生產效率。2）農業機械自動化技術的應用能夠有效推動農業發展，在自動化技術的幫助下，農機設計水平不斷提升，并向著智能化、集約化、高效化方向發展，促進了我國農業經濟的發展。3）農業機械自動化技術能夠實現農民增產增收[1]。農機自動作業效率更高，同時能夠保持均勻的作業狀態，使種植、管理以及收獲過程保持較高質量，有效提高了種植業的產量和質量，減少了勞動成本，進而實現增產增收。

2 農業機械自動化發展現狀

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

3 農業機械設計制造中自動化技術的應用現狀

3.1 自動化技術水平較低

當前，我國自動化技術正處于快速發展階段，隨著國家對高科技技術研發的重視，我國自動化技術水平與發達國家的差距正逐漸縮小[2]。但在實際應用過程中，相比其他行業，自動化技術在農業機械設計制造中的投入較少。在農業機械設計制造過程中，過度模仿國外農業機械設備的功能特點，忽視設備在國內的適用性和生產成本，導致農機研發和制造成本較高，農民無法負擔，農業生產自動化水平也難以提升，產品質量問題頻發，阻礙了農業機械化發展。

3.2 缺乏創新研發能力

農業機械設計制造在融合自動化技術時，應結合農業生產加工需求創新研發農機設備。目前，農業機械設計中存在創新力度不足的情況，大部分研究人員選擇模仿復制國外先進設備，國內原創自動化農機設備尤其是高端農機設備相對較少，且質量水平不足，無法滿足實際農業生產需求。正因如此，自動化技術中的智能系統及虛擬技術無法與農業機械實現有機融合，使得農機設備的實際應用效果不甚理想，并且缺乏競爭力。

3.3 柔性自動化應用不足

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

3.4 信息集成設計不理想

信息集成系統是一種對分散信息整合協調的系統，在實際應用過程中，能夠更好地分析當前農機的狀態，并采取恰當的應對方式。該理念在農業機械設計中具有較強的適用性，但在具體實施過程中，硬件系統集成效果不理想，使軟件無法順利滲透，影響系統的控制效果和功能特點，需要進一步加大研發應用力度。

4 農機設計制造中自動化技術應用的路徑

4.1 加強自動化技術與農機設計制造的融合

在農業機械生產設計制造過程中，相關人員應根據實際需求結合不同自動化技術，形成核心技術，并加強技術的安全保障。在自動化控制系統設計中，應積極采取核心技術構建以農田為基礎的物聯網體系，使用衛星定位系統加強對農田環境作業過程和實際效果的監督和管理[3]。在物聯網技術實施過程中，需要在農田區域范圍內構建局域網，并將其與自動化系統進行結合，利用物聯網技術識別農田應用現狀和農田內設備的運行路線，從而提高設備的使用效率。在農業機械設備設計制造過程中，應根據設備類型和具體作業內容，模擬農機的運行軌跡，并根據實際的操作方式實現自動化控制設備。

以農田犁具的自動化設計為例，在犁具上安裝自動化控制系統，能夠感知農田環境，同時通過下發指令，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、下放以及轉彎等操作。在設備自動化控制系統編程時，需要設置明確的信息識別和處理系統，有效處理采集到的農田信息，識別農機的角度控制情況以及設備與地面的距離，使農機自動化控制系統能夠有效完成耕地作業。如在深松耕地時，需要識別當前環境情況，系統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，根據相應的計算方式，得到控制點與地面的距離，以便控制點以自身為原點調整深松鏟，確保深松的深度符合實際作業要求。在不同農田環境中，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上，計算較低變化情況，以便更好地控制農機，使其按照標準方式運行，提高實際的耕地質量。

4.2 借助虛擬技術及智能技術

借助虛擬技術及智能技術模擬復雜地形地勢結構的農田，有效控制農機運行情況，避免出現運行故障。在農機運行過程中，合理規劃路徑不僅能夠提高設備生產效率，同時能夠降低運行成本。因此，在農業機械設備中結合虛擬技術和智能技術，可以優化和調整自動化控制系統。智能農機在設計時，要求農機在無人干預情況下能夠在野外完成農田作業，其主要系統結構包括控制系統、感知系統以及硬件系統。其中，感知系統能夠智能識別環境情況，并在控制系統中進行環境建模，模擬外界環境，構建地圖信息，指引設備順利移動[4]。以農田作業路徑規劃為例進行分析，農機自動化系統控制傳感器可以收集農田作業區域的環境數據，并構建農田地圖信息，通過全覆蓋式信息收集，構建虛擬農田環境，智能農機能夠結合整個農田環境明確作業區域和障礙物，同時根據實際的作業類型，如種植、采收等操作，調整運行路徑，避免出現遺漏或重復率過大等情況。

自動化系統設計過程中，應根據農田環境的具體情況合理構建虛擬仿真地圖，在簡單農田環境中，由于此類環境較為理想，田地面積較大且無障礙物，整體路徑規劃可直接根據設備作業效率進行計算。但在對復雜農田環境進行分析時，由于該類型農田面積較小，并且存在一定障礙物，如農田邊界或中間區域等[5]，系統應模擬分析設備是否能夠通過，智能控制不同操作指令下的應對方式，如在規劃路徑前判斷障礙物數量，并根據實際作業要求合理規劃整體運行路徑，以充分提升農機作業效率[6]。

4.3 提升農機柔性自動化設計

在農業機械設計制造過程中，應注重柔性自動化技術的滲透作用，通過柔性設計，提高系統靈活性，提升其在農業生產過程中的實際應用效果。如果柔性化應用不足，將會直接影響設備的控制效果，容易對農作物造成損害，嚴重影響農民的生產效益。

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。因此，為降低該階段玉米采摘難度，應在傳統機械設備的基礎上增加柔性自動化技術，使農業機械在運行中能夠保持柔性低損的狀態[7]。在具體設計過程中，一方面應減少玉米與機械設備之間的碰撞；另一方面應避免直接切斷玉米植株而導致含雜率增加。同時，在采摘完成后的傳輸過程中應保持無損運輸。基于此，玉米摘穗農機的設計可以融合柔性自動化設計理念，在設備中安裝動態扭矩傳感器和過載保護裝置，設置控制器識別傳感器和電動機運行情況，結合實際的玉米收割過程，自動識別玉米果穗，并設置摘穗板，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，實現無損運輸。在該過程中，為提高玉米莖稈拉動效果，避免出現抓取失敗的情況，應加強對滑切式拉莖輥的設計和調整。拉莖輥的直徑應滿足：

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。

在完善采摘結構后，應構建柔性運輸裝置，避免玉米在運輸過程中出現碰撞損壞，從而影響玉米采摘質量。因此，可以在玉米摘穗農機上構建環形柔性撥穗帶，實現對玉米的柔性夾喂，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 基于農業機械構建信息集成化系統

在農業生產過程中，基于農業自動化生產構建信息集成系統，能夠增強農業機械的作業效果，可以利用信息化集成系統構建圖像采集技術，并將其與傳感器和自動控制系統結合，在圖像采集后自動識別，根據農作物的實際情況，智能判斷下一步作業內容[9]。

以玉米收割為例，將圖像采集軟件搭載到攝像機相關設備上，將其安裝在農業機械設備前方，以便有效獲取設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中，通過自動化系統控制設備移動切割和采集工具，判斷距離變化情況控制設備開關，在設備接觸到玉米時順利啟動，完成玉米的收割工作。在該系統中，需要對自動化控制系統進行PLC編程和設計，具體應在玉米收割前設置并檢查程序運行情況，確保系統正常運行，同時使設備的運行較為穩定；在玉米收割過程中實施環境監測，了解設備在農田范圍內的實際運行路線，控制玉米與設備之間的距離保持在45 cm左右，根據距離變化，系統自動控制設備的運行速度和作業狀態，以便提高整體的收割效果[10]。

農業機械設備中，自動化技術在液壓傳動系統中的應用同樣較為廣泛，在農業機械設計制造過程中，可借助信息集成系統，判斷當前的作業情況，自動調整液壓傳動系統的運行情況，根據不同的液壓作業情況調整設備轉速，確保符合不同地理條件的作業需求，同時降低并緩解液壓泵使用壓力。

5 結語

綜上所述，在現代化發展背景下，為進一步加快農村農業的發展，提升農民經濟收入水平，應加強對農業機械自動化技術的研究，在農業機械設備中結合不同的高新科技，積極融合智能化系統，提升農機的功能性和實用性。同時，不斷創新與中國農業實際發展情況更為契合的農業機械設備，提高農業生產效率，降低農業生產成本，加快農業農村現代化，進一步促進農業農村的快速發展。