宋其福

湖南省岳陽(yáng)市屈原農場(chǎng)農機局

(2005年中國農機化學(xué)會(huì )論文)

摘要  激光控制平地技術(shù)是與大規模、現代化農業(yè)生產(chǎn)相適應的先進(jìn)平地技術(shù)。實(shí)踐證明，激光平地是一項節水、增產(chǎn)、增效的成熟技術(shù)措施。對農業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有十分重要的意義。但由于激光平地系統沒(méi)有實(shí)現國產(chǎn)化，不僅價(jià)格昂貴，而且維修、故障處理及零配件的更換不方便，不利于該技術(shù)的推廣。因此實(shí)現激光平地系統的國產(chǎn)化已成為發(fā)展農業(yè)生產(chǎn)急需解決的問(wèn)題。

屈原農場(chǎng)農機局心系農業(yè)發(fā)展大計，聯(lián)合岳陽(yáng)市農機研究所，在消化吸收國外技術(shù)的基礎上，結合自己在應用實(shí)踐中積累的經(jīng)驗，成功研制出IJP-200型激光平地機，實(shí)現了全套系統的國產(chǎn)化，降低了成本，填補了國內空白。整體技術(shù)達到了國內領(lǐng)先水平，具有及其廣闊的推廣前景。

關(guān)鍵詞  激光  平地系統  研制  應用

0  引言

屈原農場(chǎng)農機局于2001年引進(jìn)美國光譜精儀有限公司的L600型激光平地機組，在屈原農場(chǎng)的四分場(chǎng)、二分場(chǎng)進(jìn)行了較大面積的水田平整。在作業(yè)中，各項作業(yè)指標完全達到甚至超過(guò)了預定的農藝標準，收到了良好的效果，得到了全農場(chǎng)干群的認可。特別是在幾次大型農機演示現場(chǎng)會(huì )上進(jìn)行激光平地技術(shù)現場(chǎng)演示后，我國南方各省市的一些相關(guān)單位對激光平地技術(shù)評價(jià)很高，要求引進(jìn)激光平地設備和技術(shù)。但是目前國內所使用的激光平地系統都是從國外進(jìn)口的，還沒(méi)有實(shí)現國產(chǎn)化，不僅價(jià)格高昂，而且在使用過(guò)程中的維修、故障處理及零配件的更換都不方便，不利于該項目的迅速推廣利用。因此，非常必要對激光平地系統進(jìn)行國產(chǎn)化研制。

1  立項研制，確定方案

屈原農場(chǎng)農機局在激光平地作業(yè)的過(guò)程中，通過(guò)三年的實(shí)踐，充分掌握了激光平地系統的原理性能、適應性、可靠性、經(jīng)濟性，積累了豐富的經(jīng)驗。于2003年確立了對激光平地系統進(jìn)行研制的課題，決定在消化吸收國外技術(shù)的基礎上，實(shí)現全套設備的國產(chǎn)化。岳陽(yáng)市科技局于2004年將該項目納入了科研工作計劃，在上級科技部門(mén)的大力支持下，屈原農場(chǎng)農機局聯(lián)合岳陽(yáng)市農機化研究所和蘇州一光鐳射儀器有限公司成立了課題組，正式啟動(dòng)了該項目。啟動(dòng)后，立即確定方案，參照從美國引進(jìn)的激光平地系統，將該系統的組成分四部分：第一部分為激光發(fā)射接收；第二部分為電路控制；第三部分為液壓執行機構；第四部分為刮土鏟。對上述四個(gè)部分能否實(shí)現國產(chǎn)化，課題組的全體工作人員進(jìn)行了大量的調研、咨詢(xún)和可行性分析。經(jīng)過(guò)反復論證，**后確定具體方案如下：選用國產(chǎn)的JP300激光掃平儀進(jìn)行改進(jìn)，作為激光發(fā)射源，全方位激光探測儀采集光信號后并加以處理，然后以穩定的信號方式輸出，也就是將平地設備的即時(shí)高度信息以電信號的方式輸入電控部件，電控部件將該信號加以處理后，控制液壓部件的工作，隨時(shí)調整平地設備的高低，使平地設備準確地維持在比較精確的工作面內，實(shí)施平地作業(yè)。

2  工作原理及結構特點(diǎn)

2.1  工作原理

IJP-200型激光平地系統主要由JP300激光發(fā)射器、JFP-20全方位激光接收器、控制箱和液壓閥組成。激光發(fā)射器僅發(fā)射一束極細的能旋轉360o的光線(xiàn)，為整個(gè)施工場(chǎng)地提供一個(gè)恒定的坡度基準。全方位激光接收器安放在刮土鏟上方的伸縮桿上，從激光平面到鏟刃之間這段固定距離即為標高測量基準，全方位激光接收器接到激光信號后不停地給控制箱發(fā)送高度信息，如果激光掃射在接收器上部，說(shuō)明刮土鏟處于完成高度的下方，一個(gè)提高刮土鏟的修正信號發(fā)送給液壓閥。反之，一個(gè)降低刮土鏟的修正信號發(fā)送給液壓閥。液壓閥控制刮土鏟的油缸，其收到來(lái)自控制箱的修正信號后，提高或降低刮土鏟以維持正確的標高。

2.2  主要結構及其功能

2.2.1  激光發(fā)射器

激光發(fā)射器安在三角架上，一臺發(fā)射器能同時(shí)控制幾臺拖拉機或耕田船工作。激光發(fā)射器設有水平儀，能自動(dòng)檢測并調平光束，使激光掃射面為一水平面，以作為土地平整作業(yè)的基準參照面。旋轉軸轉速為300～600r/min，有效光束半徑為200m（根據激光發(fā)射功率而定），是一個(gè)由電池驅動(dòng)的激光發(fā)射裝置。在激光發(fā)射器內，有一只功率為4mw的氦氖激光管。激光管發(fā)射出一束極細的紅色光束，光束朝下，經(jīng)過(guò)兩個(gè)反光鏡，將光束變位朝上，又經(jīng)過(guò)一個(gè)透鏡變?yōu)槠叫泄馐?，然后再?jīng)棱鏡系統轉90o向外發(fā)射。棱鏡系統安裝在一個(gè)旋轉軸上，因而能旋轉360o。

2.2.2  激光接收器

激光接收器由具有中心控制點(diǎn)的9排4列微感應檢測器（光電傳感器）及電信號處理器構成。用以吸收來(lái)自激光發(fā)射器旋轉發(fā)出的激光束，光電傳感器將光信號轉換成電信號，并通過(guò)連接線(xiàn)輸送給控制箱。

2.2.3  控制箱

控制箱從接收器中接收和處理信號，經(jīng)過(guò)數據處理后轉換成控制信號，直接傳送到液壓控制閥的電磁鐵上，控制電磁換向動(dòng)作?？刂破髟O有手動(dòng)和自動(dòng)功能，并設有自動(dòng)開(kāi)關(guān)、手動(dòng)開(kāi)關(guān)（手動(dòng)開(kāi)關(guān)允許操作手在控制箱上進(jìn)行電子升降刮土器）。

2.2.4  液壓控制閥

液壓閥收到來(lái)自控制箱上升和下降的信號，機油液壓系統就提供壓力控制油缸來(lái)提高或者降低刮土器以維持正常的標高。

3  先進(jìn)性及創(chuàng )新點(diǎn)

3.1  作業(yè)平整精度高

IJP-200型激光平地系統，是利用激光作為非視覺(jué)控制手段代替常規機械平地設備操作人員的目測判斷能力，用以控制液壓、平地機具的升降高度。在平地作業(yè)中，由于激光發(fā)射器發(fā)射的激光束在田面上方構成水平激光面作為土地平整作業(yè)的參照基準面，故不受田間平整活動(dòng)的影響和干擾。激光接收器在操作過(guò)程中，對來(lái)自激光發(fā)射器發(fā)出的光束信號感應和傳遞迅速，電子控制箱自控靈敏，操作自動(dòng)化程度高，因此，平地精度可達1.4cm，是常規機械設備平地難以企及的。

3.2  電控部件和液壓部件優(yōu)化設計，適應南方水田平整帶水作業(yè)。

將激光平地系統應用于水田平整帶水作業(yè)，它的平地鏟相對旱地用的平地鏟要輕得多，平地鏟由于自重小無(wú)法使油缸活塞回位，因此進(jìn)口激光平地系統靠平地鏟自動(dòng)復位下挖的方式已經(jīng)不能適用。故將電控部件和液壓部件改為雙作用缸執行作業(yè)方式，平地鏟升降完全由液壓驅動(dòng)，解決了平地鏟自重不夠難以復位的問(wèn)題。            

南方水田耕整季節溫度有時(shí)高達40℃，液壓系統溫升太高將使系統無(wú)法正常工作。由于受結構限制，系統不便于安裝冷卻系統，為了降低系統溫升，設計采用非工作時(shí)完全卸荷的方式，盡量降低壓力損耗，降低溫升，以適應南方的高溫氣候。試驗表明，該系統連續工作12小時(shí)升溫不大于30℃。

3.3  整個(gè)系統國產(chǎn)化，成本低，有利于推廣。

目前，能否降低整套設備價(jià)格是推廣應用激光平地技術(shù)的關(guān)鍵因素，而降低整套設備的價(jià)格關(guān)鍵又在于能否實(shí)現全套設備的國產(chǎn)化。屈原農場(chǎng)農機局于2001年從美國引進(jìn)的一套設備價(jià)格為13萬(wàn)元，加上配套的拖拉機9萬(wàn)元，全套設備22萬(wàn)元。IJP-200型激光平地系統（不包括拖拉機）的成本僅需4萬(wàn)余元，價(jià)格較美國引進(jìn)的平地系統可降低2倍左右，并且國產(chǎn)設備維修及更換零配件方便。

4  系統技術(shù)指標

4.1     電      源    DC12V

4.2     作業(yè)平整度    ≤2cm

4.3     **大工作半徑   200 m

4.4     **大工作負載   20KN

4.5     系統壓力       10mpa（可調）

4.6     工作壓力        7mpa（可調）

4.7     系統流量        20L/min（可調）

5  結束語(yǔ)

IJP-200型激光平地機2004年12月份經(jīng)湖南省農業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量監督檢測中心檢驗，各項性能指標均達到了計劃書(shū)的任務(wù)要求。2005年元月份湖南省科學(xué)技術(shù)廳組織專(zhuān)家成立鑒定委員會(huì )，對該產(chǎn)品進(jìn)行了鑒定，鑒定委員會(huì )一致認為：該產(chǎn)品實(shí)現了全套系統的國產(chǎn)化，填補了國內空白，整體技術(shù)達到了國內領(lǐng)先水平，具有廣闊的推廣前景，并建議加快該成果轉化，盡快實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。