宋其福

湖南省岳陽市屈原農(nóng)場農(nóng)機局

(2005年中國農(nóng)機化學會論文)

摘要  激光控制平地技術是與大規(guī)模、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相適應的先進平地技術。實踐證明，激光平地是一項節(jié)水、增產(chǎn)、增效的成熟技術措施。對農(nóng)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(tǒng)沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，不僅價格昂貴，而且維修、故障處理及零配件的更換不方便，不利于該技術的推廣。因此實現(xiàn)激光平地系統(tǒng)的國產(chǎn)化已成為發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)急需解決的問題。

屈原農(nóng)場農(nóng)機局心系農(nóng)業(yè)發(fā)展大計，聯(lián)合岳陽市農(nóng)機研究所，在消化吸收國外技術的基礎上，結(jié)合自己在應用實踐中積累的經(jīng)驗，成功研制出IJP-200型激光平地機，實現(xiàn)了全套系統(tǒng)的國產(chǎn)化，降低了成本，填補了國內(nèi)空白。整體技術達到了國內(nèi)領先水平，具有及其廣闊的推廣前景。

關鍵詞  激光  平地系統(tǒng)  研制  應用

0  引言

屈原農(nóng)場農(nóng)機局于2001年引進美國光譜精儀有限公司的L600型激光平地機組，在屈原農(nóng)場的四分場、二分場進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了預定的農(nóng)藝標準，收到了良好的效果，得到了全農(nóng)場干群的認可。特別是在幾次大型農(nóng)機演示現(xiàn)場會上進行激光平地技術現(xiàn)場演示后，我國南方各省市的一些相關單位對激光平地技術評價很高，要求引進激光平地設備和技術。但是目前國內(nèi)所使用的激光平地系統(tǒng)都是從國外進口的，還沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，不僅價格高昂，而且在使用過程中的維修、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(tǒng)進行國產(chǎn)化研制。

1  立項研制，確定方案

屈原農(nóng)場農(nóng)機局在激光平地作業(yè)的過程中，通過三年的實踐，充分掌握了激光平地系統(tǒng)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(tǒng)進行研制的課題，決定在消化吸收國外技術的基礎上，實現(xiàn)全套設備的國產(chǎn)化。岳陽市科技局于2004年將該項目納入了科研工作計劃，在上級科技部門的大力支持下，屈原農(nóng)場農(nóng)機局聯(lián)合岳陽市農(nóng)機化研究所和蘇州一光鐳射儀器有限公司成立了課題組，正式啟動了該項目。啟動后，立即確定方案，參照從美國引進的激光平地系統(tǒng)，將該系統(tǒng)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(zhí)行機構；第四部分為刮土鏟。對上述四個部分能否實現(xiàn)國產(chǎn)化，課題組的全體工作人員進行了大量的調(diào)研、咨詢和可行性分析。經(jīng)過反復論證，**后確定具體方案如下：選用國產(chǎn)的JP300激光掃平儀進行改進，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(wěn)定的信號方式輸出，也就是將平地設備的即時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，隨時調(diào)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(nèi)，實施平地作業(yè)。

2  工作原理及結(jié)構特點

2.1  工作原理

IJP-200型激光平地系統(tǒng)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(zhuǎn)360o的光線，為整個施工場地提供一個恒定的坡度基準。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，說明刮土鏟處于完成高度的下方，一個提高刮土鏟的修正信號發(fā)送給液壓閥。反之，一個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(jié)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，能自動檢測并調(diào)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(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為300～600r/min，有效光束半徑為200m（根據(jù)激光發(fā)射功率而定），是一個由電池驅(qū)動的激光發(fā)射裝置。在激光發(fā)射器內(nèi)，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)過兩個反光鏡，將光束變位朝上，又經(jīng)過一個透鏡變?yōu)槠叫泄馐?，然后再?jīng)棱鏡系統(tǒng)轉(zhuǎn)90o向外發(fā)射。棱鏡系統(tǒng)安裝在一個旋轉(zhuǎn)軸上，因而能旋轉(zhuǎn)360o。

2.2.2  激光接收器

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

2.2.3  控制箱

控制箱從接收器中接收和處理信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換成控制信號，直接傳送到液壓控制閥的電磁鐵上，控制電磁換向動作?？刂破髟O有手動和自動功能，并設有自動開關、手動開關（手動開關允許操作手在控制箱上進行電子升降刮土器）。

2.2.4  液壓控制閥

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

3  先進性及創(chuàng)新點

3.1  作業(yè)平整精度高

IJP-200型激光平地系統(tǒng)，是利用激光作為非視覺控制手段代替常規(guī)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的影響和干擾。激光接收器在操作過程中，對來自激光發(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，操作自動化程度高，因此，平地精度可達1.4cm，是常規(guī)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(tǒng)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法使油缸活塞回位，因此進口激光平地系統(tǒng)靠平地鏟自動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(zhí)行作業(yè)方式，平地鏟升降完全由液壓驅(qū)動，解決了平地鏟自重不夠難以復位的問題。            

南方水田耕整季節(jié)溫度有時高達40℃，液壓系統(tǒng)溫升太高將使系統(tǒng)無法正常工作。由于受結(jié)構限制，系統(tǒng)不便于安裝冷卻系統(tǒng)，為了降低系統(tǒng)溫升，設計采用非工作時完全卸荷的方式，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(tǒng)連續(xù)工作12小時升溫不大于30℃。

3.3  整個系統(tǒng)國產(chǎn)化，成本低，有利于推廣。

目前，能否降低整套設備價格是推廣應用激光平地技術的關鍵因素，而降低整套設備的價格關鍵又在于能否實現(xiàn)全套設備的國產(chǎn)化。屈原農(nóng)場農(nóng)機局于2001年從美國引進的一套設備價格為13萬元，加上配套的拖拉機9萬元，全套設備22萬元。IJP-200型激光平地系統(tǒng)（不包括拖拉機）的成本僅需4萬余元，價格較美國引進的平地系統(tǒng)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(tǒng)技術指標

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(tǒng)壓力       10mpa（可調(diào)）

4.6     工作壓力        7mpa（可調(diào)）

4.7     系統(tǒng)流量        20L/min（可調(diào)）

5  結(jié)束語

IJP-200型激光平地機2004年12月份經(jīng)湖南省農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢驗，各項性能指標均達到了計劃書的任務要求。2005年元月份湖南省科學技術廳組織專家成立鑒定委員會，對該產(chǎn)品進行了鑒定，鑒定委員會一致認為：該產(chǎn)品實現(xiàn)了全套系統(tǒng)的國產(chǎn)化，填補了國內(nèi)空白，整體技術達到了國內(nèi)領先水平，具有廣闊的推廣前景，并建議加快該成果轉(zhuǎn)化，盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。