基于智能制造背景的機電一體化在農業(yè)機械中的使用

常州市高級職業(yè)技術學校 徐紅金

前言

在信息化時代背景下，信息技術給農業(yè)機械化提供了充分的發(fā)展空間，在農業(yè)生產過程中具備不可或缺的意義。它能有效提高農業(yè)機械的穩(wěn)定性和安全性，有效避免機械運行時出現(xiàn)的各種不良問題。但從目前農業(yè)機械運行形勢來看，仍然有很多地區(qū)在使用傳統(tǒng)農業(yè)機械，給生產效率帶來了一定程度的負面影響，很顯然傳統(tǒng)農業(yè)機械已無法滿足時代需求，要對農業(yè)機械進行優(yōu)化。因此，機電一體化系統(tǒng)應運而生，其提高農業(yè)機械運行效率的同時，降低農業(yè)機械操作故障率。本文以機電一體化為基礎，對機電一體化在農業(yè)機械中的使用進行深入研究。

1 機電一體化系統(tǒng)概述

機電一體化可用英文Mechatronics表示，是將Electronics和Mechanics組合而成，因此在早期又被人稱作電子機械學。機電一體化最早出現(xiàn)在20世紀中期，是由日本研究人員發(fā)現(xiàn)，當時日本經(jīng)濟正處于高速發(fā)展階段，由于科學技術不斷發(fā)展，再加上全球一體化進程不斷深入，這項技術隨即普及到各個國家，并在我國受到農業(yè)專家的高度重視，專家隨即對其進行深入研究，讓機電一體化逐漸使用到農業(yè)生產中。機電一體化是將先進的可控性驅動元件、計算機技術、控制技術、信息處理技術相互融合，從而構成健全的智能化機械系統(tǒng)。而機電一體化系統(tǒng)是由動力組成要求、運動組成要素、結構組成要素、智組成要素、感知組成要素等環(huán)節(jié)構成。同時，在進行上述組成要素和組成要素進行能量轉換、接口耦合、信息控制、動作傳遞時，可提前建立一個有機系統(tǒng)，能有效提高機械產品生產效率[1]。

2 機電一體化在農業(yè)機械工程中的使用價值

2.1 提升農業(yè)機械化工作效率

機電一體化系統(tǒng)在某些方面具有一定優(yōu)勢，如在信息處理能力方面存在非常重要的作用。同時，在實際運行過程中，可使用自動化儀表和自動化傳感器等設備來收集農業(yè)生產方面的信息數(shù)據(jù)，再引導產業(yè)管理人員通過合理的管理方式，全方面收集農業(yè)生產信息，從而及時監(jiān)控整體生產過程，確保生產過程的科學性和合理性，再根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定高效率的生產計劃，從而提高農業(yè)生產效率和綜合效益。此外，機電一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)農業(yè)機械設備相比，前者可對生產全過程進行合理分配，有效提高農業(yè)資源利用率，進而實現(xiàn)我國政府所提出的低碳環(huán)保、節(jié)能減排的方針，提高機械工程的生產效率和質量。

2.2 減少農業(yè)機械設備的系統(tǒng)故障

機電一體化系統(tǒng)擁有最先進的自動化控制功能，在農業(yè)機械工程中具有非常重要的意義，能及時采集各方面生產的信息，并給設備控制和決策提供豐富的數(shù)據(jù)支持。同時，能降低由于人為因素所造成的主觀錯誤，建設機械故障概率，確保各個環(huán)節(jié)的農業(yè)生產工作能順利進行。此外，機電一體系統(tǒng)具備全面監(jiān)督管理功能，可利用專業(yè)的儀器和設備對機械設備室運行參數(shù)進行自動監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)存在異常情況，能及時對問題進行查詢，并主動觸發(fā)警報器，讓管理人員能在最短時間內查看所有設備使用情況，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況做出最適當?shù)奶幚恚瑥亩_保農業(yè)機械能在原來計劃下，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。并且在機電一體化系統(tǒng)管理下，農業(yè)機械設備能實現(xiàn)自動化防護，提高機械作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，進而確保操作人員的生命安全。

2.3 改善農業(yè)機械設備的操作性

在傳統(tǒng)農業(yè)機械化生產過程中，通常是采用人工方式來控制機械設備，而在這個過程中對于操作人員的專業(yè)水平和操作經(jīng)驗提出更高要求，一旦工作人員專業(yè)知識不足，會給機械設備生產帶來嚴重影響。而利用機電一體化系統(tǒng)能優(yōu)化農業(yè)機械零部件，讓其在計算機技術的控制下進行統(tǒng)一管理，從而實現(xiàn)自動化管理和控制，工作人員往往只需要根據(jù)提前設定好的程序進行操作，就能實現(xiàn)精細化機械操作，并將設備各方面的運行參數(shù)呈現(xiàn)出來，為進一步做好機械精細化管理打下堅實基礎。同時，在農業(yè)機械工程設計時，先要研究農機各方面數(shù)據(jù)信息，再合理運用信息數(shù)據(jù)作為設計載體，從備選方案中選擇一套效率最高的方案，以滿足現(xiàn)代農機設計所有需求。在正常設計過程中，若無特殊情況，要嚴格按照機械設計規(guī)范標準、設計理論設計數(shù)學模型，最后得到機械設計的實時數(shù)據(jù)[2]。

3 農業(yè)機械設計特點

農業(yè)機械種類繁多，大概有20種，所涉及的范圍非常廣泛，按照使用價值不同，可分為以下3個方面：（1）農業(yè)動力機械，如農田基建機械、拖拉機等；（2）家禽機械，如飼料加工機械、牧草收割機械；（3）農田作業(yè)機械，如水稻種植機械、播種機械、耕地機械等。以播種機械為例，可將其分為小區(qū)播種機、精密播種機、鋪膜播種機、谷物條播種機等。同時，農業(yè)機械內部結構非常復雜，其涉及范圍較廣，如農機動力系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)等。例如，農業(yè)拖拉機是將動力系統(tǒng)安裝在農機結構上，從而構成高效拖拉機農機作業(yè)機組，此系統(tǒng)具有動力輸出軸、牽引和拖掛裝置、液壓懸掛裝置等。液壓懸掛裝置則是由液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、懸掛裝置等構成。其中拖拉機液壓液壓懸掛裝置如下圖1所示。

圖1 拖拉機液壓液壓懸掛裝置

因此，想要設計出高質量的農業(yè)機械，必須要擁有很強的專業(yè)能力及豐富的設計經(jīng)驗[3]。

4 農業(yè)機械工程中的機電一體化系統(tǒng)使用分析

4.1 計算機輔助設計技術的使用

計算機輔助設計技術能夠讓機械設計徹底突破傳統(tǒng)畫圖限制，讓設計人員能深入了解機械設計所表達的結構和意圖。通過專業(yè)的計算機輔助繪圖軟件，能確保部件庫、標準件庫、常用件庫等儲存大量數(shù)據(jù)資源并完成計算工作，給工程設計和制圖工作帶來極大助力?？梢钥闯?，計算機輔助設計技術可使用于設計以下兩個方面。（1）豐富符號庫與圖形。在往常機械設計中，通常會用到圖形符合，而計算機輔助繪圖軟件則是利用多種標準件庫，并且在工程設計為機械設計提供豐富的圖形與符號，從而組成自制件庫。通過不斷組合圖形符號，能采用搭積木的方式構建詳細的工程設計圖樣。（2）提高制圖效率與質量。制圖是以設計者靈活思維為基礎，設計出專業(yè)的圖紙，是整個機械設計中最為關鍵的元素，而在傳統(tǒng)機械設計過程中，通常使用紙作為載體，無論是設計改型還是其他方面的設計，都需要專業(yè)人員一筆一畫進行，會浪費大量時間，繪圖效率較低。而計算機輔助軟件內含有多樣化資源庫，庫內存在大量使用模板，能提高制圖工作效率與科學性。在面對更改設計方案工作任務時，可利用原有圖樣，對圖樣進行科學修改，從而提高新型改良機械效率[4]。

4.2 高精度GPS技術的使用

在農業(yè)機械工程當中，高精度GPS系統(tǒng)是以儀表顯示參數(shù)、三維坐標、GPS拆分技術、傳感技術、超聲波技術等技術為基礎，準確測量出農業(yè)機械設計中各方面的數(shù)據(jù)和信息，再利用科學的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，這是目前最新型的技術形式。但從目前情況而言，這種技術在使用范圍方面存在一定限制，只適應于大型農場中，來實現(xiàn)農業(yè)機械混合作業(yè)。通過使用該技術，有利于工作人員及時發(fā)現(xiàn)農業(yè)機械運行過程中存在的問題，并對問題采用最科學的解決策略，確保農業(yè)機械工程能順利進行，提高農業(yè)機械運行效率和質量，滿足農業(yè)生產的實際需求[5]。GPS在農用機車的定位監(jiān)控管理中的作用就凸現(xiàn)出來。通過GPS監(jiān)測系統(tǒng)可以實時了解入網(wǎng)的車輛位置、速度等信息。并且可以通過監(jiān)控中心向受監(jiān)控車輛下達各種指令，提高農業(yè)生產的效率同時也降低了管理成本?，F(xiàn)基于某通信GPS DTU在農業(yè)機械定位監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，如圖2所示。

圖2 某通信GPSDTU在農業(yè)機械定位監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

4.3 電子信息技術的使用

從目前農業(yè)機械工程發(fā)展情況而言，電子信息技術已逐漸普及到農業(yè)機械中，而在這種背景下，農業(yè)機械工程逐漸向智能化、節(jié)能化方向發(fā)展，這與我國政府大力提倡的節(jié)能環(huán)保理念相同。同時，電子信息化技術的使用給農業(yè)機械工程實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展帶來源源不斷的動力，通過這項工程技術不僅能遠程控制農業(yè)機械，還能實現(xiàn)相互通信、故障診斷等功能，讓工作人員能利用設備遠程操控農業(yè)生產過程，確保農業(yè)機械根據(jù)提前設定的流程來進行各項操作，不僅能節(jié)約大量的人力資源，還能提高農業(yè)機械的工作效率。此外，在傳統(tǒng)機電一體化設備內，人工方式是最常用的監(jiān)督管理方式，這種監(jiān)督方式存在各方面的問題，如局限性大、監(jiān)控效率低，并且在故障和風險檢測過程中存在很大漏洞，無法及時對漏洞進行發(fā)現(xiàn)和處理。在正常情況下，只能等故障出現(xiàn)后，再利用專業(yè)方式對故障進行處理，但這種處理方式很容易給設備本身帶來嚴重影響，甚至會降低設備使用年限。而在現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)使用過程中，利用機電一體化監(jiān)控技術，能對設備不同運行階段進行實時控制，并將監(jiān)控信息通過計算機及時傳遞給機電一體化系統(tǒng)終端，再讓操作者對設備室實際運行情況做出最合理的判斷，并利用機電一體化系統(tǒng)內的總控制模塊來對農業(yè)機械進行遠程控制[6]。

4.4 虛擬技術的使用

虛擬技術作為在機電一體化系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，是使用傳感技術、多媒體技術、計算機繪圖技術作為載體，通過構建三維立體場景，來滿足用戶實際需求。同時，將虛擬技術使用到農業(yè)機械工程中，不僅能建立農業(yè)機械的動態(tài)模型，還能構建整個農業(yè)機械的三維立體模型，從各個方面將農業(yè)機械的實體結構和表面構造完美呈現(xiàn)出來。從本質層面來分析，虛擬技術屬于集成技術的一種，將該技術使用到農業(yè)機械工程內，可根據(jù)農業(yè)機械的設備運行情況和農業(yè)生產特征來建立幾何模型、物理模型、運動模型等，有利于在設計環(huán)節(jié)將農業(yè)機械優(yōu)化做到極致。同時，通過利用虛擬技術，可將農業(yè)機械結構更直觀地呈現(xiàn)在用戶眼前，有利于用戶對農業(yè)機械做出全方位認知，且可將農業(yè)機械運行情況展示給用戶看，教給用戶在出現(xiàn)極端狀況下的解決技巧，從而降低農業(yè)機械運行故障給使用帶來的影響，進而確保農業(yè)機械能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[7]。使用機器視覺技術分析農作物的顏色、形狀和大小，將收集到的信息轉換為中央計算機。中央計算機使用數(shù)據(jù)和信息來確定農作物是否成熟。將成熟的作物直接反映在收割機上并開始工作。該技術不僅可大大減輕農民收成壓力，還可提高收成效率，實現(xiàn)對新鮮農作物的及時采摘并指導后續(xù)銷售。

通過建立數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或計算機數(shù)據(jù)庫，存儲和管理多達數(shù)十萬種作物品種資源信息.制定生產計劃和農業(yè)分區(qū)計劃（制定氣象資源信息，動植物資源信息及水土資源信息等）的重要信息資源是環(huán)境和資源信息，其中育種者可使用在線搜索網(wǎng)絡，隨時通過計算機從全國各地的終端機將新品種信息輸入數(shù)據(jù)庫，找到所需作物信息，并將其了解的信息輸出到全世界。此外，基于計算機數(shù)字土地信息系統(tǒng)、土地資源管理、地理信息系統(tǒng)等的動態(tài)虛擬監(jiān)測，動態(tài)化地在信息的計算機數(shù)據(jù)庫幫助農民及時了解相關訊息并做出準確的農業(yè)決策。

5 總結

綜上所述，隨著農業(yè)科技不斷發(fā)展，機電一體化在整個機械設備使用過程中發(fā)揮著極其重要的作用，不僅能給機械設計提供豐富的資源數(shù)據(jù)，還能進一步了解計算機輔助設計技術、虛擬技術、電子信息技術、高精度GPS技術在機械設計的實踐使用，充分借助機電一體化提高產品功能性，降低生產成本，促進農業(yè)機械生產的進程。