機電一體化技術在農(nóng)業(yè)機械工程中的應用

宮 琛

（青島市技師學院，山東 青島 266035）

機電一體化技術的出現(xiàn)方便了各個領域的生產(chǎn)，其應用范圍也日漸擴大。當前的機電一體化技術多采用“機械+電子技術”的模式，在農(nóng)業(yè)機械工程領域，機電一體化技術可以將計算機軟件系統(tǒng)與農(nóng)機設備進行有機結(jié)合，從而使農(nóng)機的利用率達到最高，促進農(nóng)業(yè)健康、高效發(fā)展。

1 機電一體化概述

機電一體化技術是結(jié)合機械工程與電子技術的技術優(yōu)勢，進而形成的一種新的生產(chǎn)與管理技術[1]。隨著技術的發(fā)展與成熟，其已在農(nóng)業(yè)機械領域得到了廣泛的應用，使農(nóng)業(yè)機械的自動化、智能化程度得到了進一步的提升。機電一體化技術由硬件部分的各種機械設備和軟件部分的信息處理系統(tǒng)組成，通過軟件程序?qū)烧哂袡C嵌合在一起，形成自動化生產(chǎn)與管理。其中，硬件部分包含機械設備的各個部件、工作臺、傳感器等，傳感器的設置讓農(nóng)業(yè)機械設備的指令信息及反饋信息的傳輸更加及時、準確[2]。目前使用的拖拉機、收割機、播種機等農(nóng)業(yè)機械都大量運用了機電一體化傳感技術。以大功率拖拉機等大型農(nóng)業(yè)機械為例，如圖1所示，此類農(nóng)業(yè)機械平均使用了15種以上的傳感器，包括車輪角度傳感器、LF/C800控制單元、C800接收機等。

圖1 大功率拖拉機傳感器示例

在整個機電一體化系統(tǒng)的設計中，其構(gòu)成要素有動力源、驅(qū)動器、電動機、絲桿、信息處理系統(tǒng)和傳感器等，機電一體化系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機電一體化系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)

2 農(nóng)業(yè)機械應用機電一體化的意義

2.1 改善操作性能

目前，機械設備群控技術、數(shù)控技術等已在智能制造領域得到了廣泛應用，同時在農(nóng)業(yè)機械中的應用效果也越來越好。從近幾年農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)設備的發(fā)展與更新情況來看，由于農(nóng)業(yè)機械使用頻率高、作業(yè)強度大，加之很多農(nóng)機經(jīng)常在山區(qū)、洼地等惡劣環(huán)境中作業(yè)，所以設備零部件存在較高的故障率[3]。而將機電一體化技術運用于農(nóng)機生產(chǎn)及使用中，通過集成化技術可以將多種部件集約化、簡單化，加之運用人工智能技術進行大規(guī)模的管理與應用，可以保證農(nóng)機在使用的全過程中都能保持良好的運行狀態(tài)，極大地降低了故障發(fā)生的概率。

2.2 提高工作效率

機電一體化技術的廣泛應用使得農(nóng)機裝備的信息采集與處理速度得到了很大的提高，同時也為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎。機電一體化農(nóng)機設備對工作效率的提高主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，農(nóng)業(yè)信息化技術實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的信息共享。配合衛(wèi)星導航、計算機控制等機電一體化技術，農(nóng)機設備管理人員可以實現(xiàn)對農(nóng)機位置的定位，隨時監(jiān)控機械運行狀況，根據(jù)農(nóng)機工作的實際狀態(tài)，實時分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，制定最佳的耕種、收獲路線和方案，從而大大提高農(nóng)機的工作效率，避免機械窩工或者低效運轉(zhuǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[4]。第二，農(nóng)業(yè)機械一般需要制定檢修計劃，在使用一段時間后就要定期對其安全性能進行檢查，如果采用人工檢查將十分耗費人力，對檢驗檢測人員的技術要求比較高，同時也存在一些不確定性因素，出現(xiàn)誤判的概率比較大。應用機電一體化技術后，就可以有效地提高檢修工作的效率，與此同時，自動化檢測誤差少，也能保證檢測工作的質(zhì)量。第三，采用自動化控制和檢查方法，通過系統(tǒng)設定，可以對農(nóng)機進行周期性的自動檢查，發(fā)現(xiàn)機械故障后在第一時間進行排除，將農(nóng)業(yè)機械中存在安全問題的概率降到最低，防止作業(yè)過程中機械出現(xiàn)故障而導致耗時費力，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

2.3 減少系統(tǒng)故障

目前，國內(nèi)各有關部門都加大了對農(nóng)業(yè)機械安全問題的關注力度。在農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)過程中，機械設備的安全性是機械操作人員和管理人員均比較關心的問題。例如，有的農(nóng)機設備使用年限長、制造工藝落后，一些部件的失效將會影響農(nóng)機的正常運轉(zhuǎn)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率大大降低，嚴重的還可能出現(xiàn)安全事故。而機電一體化的自動診斷、自動預警技術可以在農(nóng)機發(fā)生故障時快速分析和診斷，將農(nóng)機的失效率降到最低，提升農(nóng)機的安全性，保障正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[5]。

2.4 完善農(nóng)機設備的功能

受自然、地理等外在因素的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程會面臨諸多問題，對農(nóng)業(yè)的整體生產(chǎn)質(zhì)量和作業(yè)效率產(chǎn)生負面作用，而將機電一體化技術應用于其中則能適應不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件，使農(nóng)業(yè)機械在生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)揮出最大的價值。運用機電一體化技術，生產(chǎn)管理人員可以通過校驗、補償?shù)仁侄危鶕?jù)用戶的實際需要和生產(chǎn)狀況，靈活地操縱和調(diào)整農(nóng)機設備，使其在各種復雜的環(huán)境中持續(xù)高效工作，順利開展農(nóng)業(yè)作業(yè)[6]。另外，由于新的機電一體化技術不斷得到開發(fā)和應用，其在農(nóng)業(yè)機械中的應用范圍也逐漸擴大。例如近幾年發(fā)展起來的自動校對、自動駕駛作業(yè)、農(nóng)機群控技術等，使整個農(nóng)機操作和使用更加簡單，降低了能耗，進一步擴大了農(nóng)機的應用范圍，提高了農(nóng)機生產(chǎn)的整體水平。

3 機電一體化技術在農(nóng)業(yè)機械中的實際應用

3.1 計算機輔助技術的應用

計算機輔助技術是一種將產(chǎn)品數(shù)據(jù)與計算機技術融合的綜合性技術，通過利用網(wǎng)絡技術和圖形圖像建立三維數(shù)據(jù)模型，農(nóng)機三維模型圖如圖3所示。農(nóng)業(yè)機械，特別是拖拉機、插秧機等大型機械設備，如果通過制造真實產(chǎn)品來驗證設計功能，則會因為設計的不確定性而浪費大量的時間和資金成本。而設計人員通過計算機輔助技術，可以根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要，對農(nóng)業(yè)機械三維模型進行仿真模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而節(jié)省大量試錯成本，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加精準、性能更加優(yōu)越的農(nóng)業(yè)機械設備[7]。需要注意的是，計算機輔助設計需要掌握扎實的機電一體化和三維設計知識，對設計人員設計水平的要求比較高，因此相關院校要加強計算機輔助技術學科建設，強化對學生機電一體化知識的培養(yǎng)力度。

圖3 農(nóng)機三維模型圖

3.2 衛(wèi)星導航技術的應用

衛(wèi)星導航技術即GPS技術，是一種將高精度的傳感器技術和超聲波技術相結(jié)合的綜合技術[8]。將GPS衛(wèi)星導航技術應用在農(nóng)業(yè)機械的儀器儀表中，能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)機械現(xiàn)場狀況以3D坐標和圖表的形式呈現(xiàn)，讓工作人員通過3D坐標和圖表來了解生產(chǎn)的具體情況，從而精準地掌握現(xiàn)場狀況，高效地完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。特別是在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地中，當農(nóng)業(yè)機械進行群體生產(chǎn)時，利用GPS衛(wèi)星導航技術可以將農(nóng)機群高效率、高質(zhì)量的優(yōu)勢發(fā)揮到極致，有效提高農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化程度。

3.3 虛擬現(xiàn)實技術的應用

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality, VR）是一種現(xiàn)代智能技術，該技術將虛擬數(shù)據(jù)和三維模型或二維圖片按照生產(chǎn)需求進行多媒體化，呈現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實場景。一方面，虛擬現(xiàn)實技術可以構(gòu)建出虛擬的立體空間和場景，例如設計師將真實的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景和現(xiàn)場作業(yè)情況等信息輸入到虛擬三維空間中，利用虛擬現(xiàn)實技術就可以構(gòu)建出精確的現(xiàn)場模型。虛擬現(xiàn)實技術還可以將實際生產(chǎn)過程中的聲音、天氣、環(huán)境等導入虛擬空間，模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的真實場景，提高農(nóng)機操作人員的機械操作熟練程度[9]。另一方面，通過建立虛擬農(nóng)場，可實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和漫游，用戶可以更加便捷地了解生產(chǎn)布局，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實時查詢。

3.4 監(jiān)控技術的應用

農(nóng)業(yè)監(jiān)測技術是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際操作中，從技術和安全兩個方面對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動進行監(jiān)督，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體效益和安全性[10]。在使用農(nóng)業(yè)機械前，首先要對其進行嚴格的檢測，防止機械存在安全隱患。在實際的檢測工作中，受傳統(tǒng)農(nóng)機設計的限制，檢測效率往往比較低。而在現(xiàn)代農(nóng)機設計中加入監(jiān)控技術等機電一體化技術，不僅可以對農(nóng)機可能發(fā)生的問題提前進行預警，而且可以解放人工勞動力，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面機械化和自動化[11]。

4 總結(jié)

機電一體化技術結(jié)合了多項技術的優(yōu)勢，將其引入農(nóng)機設備中，既能提高農(nóng)機作業(yè)的質(zhì)量和效益，又能給農(nóng)機操作人員創(chuàng)造一個良好的作業(yè)條件，對促進我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有積極意義。