機(jī)電一體化在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用研究

鄭州商業(yè)技師學(xué)院 魏素俊

前言

隨著農(nóng)業(yè)科技的快速發(fā)展，越來越多的農(nóng)民開始在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用機(jī)電一體化系統(tǒng)來提升經(jīng)濟(jì)效益。本文圍繞在農(nóng)業(yè)機(jī)械中合理應(yīng)用機(jī)電一體化獲得經(jīng)濟(jì)效益展開討論旨在。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成及特點

1.1 系統(tǒng)概述

機(jī)電一體化是將電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，同時融合多種功能和項目，包括計算機(jī)信息技術(shù)、自動控制技術(shù)和傳感技術(shù)等。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用機(jī)電一體化系統(tǒng)可以有效提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能性，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化作業(yè)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要包括運(yùn)動組成要素、結(jié)構(gòu)組成要素、動力組成要素、感知組成要素和智能組成要素[1]。

1.2 強(qiáng)大的系統(tǒng)功能

機(jī)電一體化技術(shù)是多種技術(shù)的結(jié)合，因此具有強(qiáng)大的系統(tǒng)功能性。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械工程可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化作業(yè)，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能性，提升作業(yè)效率，滿足農(nóng)業(yè)工作的各項需求。其中機(jī)械自動化控制技術(shù)和軟件編程技術(shù)等能夠提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的穩(wěn)定性和安全性。

1.3 人工智能化

機(jī)電一體化技術(shù)結(jié)合了新型技術(shù)，比如微電子控制技術(shù)等。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)備的自我檢查和自動化數(shù)據(jù)處理，還可以通過基本的智能技術(shù)來代替人力操作，更好地體現(xiàn)了機(jī)電一體化系統(tǒng)的人性化和人工智能化。

1.4 高性能與高穩(wěn)定性

機(jī)電一體化技術(shù)擁有較高的穩(wěn)定性，除基本智能技術(shù)還包括自動安全系統(tǒng)。具有自動報警、自動保護(hù)、自動監(jiān)控等功能，這類功能可以有效保護(hù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備和操作人員安全，減少機(jī)械故障，使農(nóng)業(yè)機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外，機(jī)電一體化系統(tǒng)還具有高效率性，操作人員可以在操作面板控制農(nóng)業(yè)機(jī)械，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作工作更加便捷，有效提高農(nóng)業(yè)作業(yè)效率。

2 機(jī)電一體化在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的具體應(yīng)用策略

2.1 應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)

計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)屬于機(jī)電一體化技術(shù)的一種。利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)可以實現(xiàn)計算機(jī)制圖、數(shù)據(jù)資料庫及網(wǎng)絡(luò)通信等功能的融合，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮綜合性技術(shù)作用。除此之外，還可以利用計算機(jī)技術(shù)和圖像來建立農(nóng)業(yè)機(jī)械三維數(shù)據(jù)模型，農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型圖如圖1所示。對于拖拉機(jī)、插秧機(jī)等大型農(nóng)業(yè)機(jī)械來說，想要制造真正的機(jī)械產(chǎn)品來測試機(jī)械性能，會因為各種不確定因素花費(fèi)大量的人力、物力、時間和成本。利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，以農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)空間作用力、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)模擬農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行軌跡，完全按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求構(gòu)建農(nóng)業(yè)機(jī)械仿真三維模型并對模型結(jié)構(gòu)及其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，避免因為制造真實機(jī)械產(chǎn)生大量的試錯成本。利用計算機(jī)輔助技術(shù)可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供性能優(yōu)越的農(nóng)業(yè)機(jī)械，還可以有效縮短設(shè)計及研發(fā)周期。需要注意的是，由于計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)對于設(shè)計人員的專業(yè)水平要求較高，相關(guān)的設(shè)計人員必須充分掌握機(jī)電一體化知識和三維設(shè)計相關(guān)知識。有關(guān)院校需要重視計算機(jī)輔助技術(shù)學(xué)科的建設(shè)，加強(qiáng)機(jī)電一體化相關(guān)知識的教育力度[2]。

圖1 農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型圖

2.2 應(yīng)用衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)即GPS系統(tǒng)技術(shù)，其工作原理就是利用傳感技術(shù)、GPS差分技術(shù)和超聲波技術(shù)將農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計數(shù)據(jù)、儀表顯示數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)等各項參數(shù)反饋給計算機(jī)。可以在農(nóng)業(yè)機(jī)械中布置GPS終端，來實時展現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械位置，從而利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)。作為機(jī)電一體化系統(tǒng)中的新型應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)還未得到廣泛應(yīng)用，目前來看，多應(yīng)用于一些大規(guī)模農(nóng)場中的農(nóng)業(yè)機(jī)械混合控制。主要的應(yīng)用功能包括利用導(dǎo)航監(jiān)測指導(dǎo)農(nóng)機(jī)駕駛員的駕駛路線和駕駛方法，比如，在進(jìn)行機(jī)械化整地作業(yè)時，衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的行駛是否偏離航線，駕駛速度是否出現(xiàn)異常等問題，讓駕駛員及時調(diào)整駕駛方案，防止出現(xiàn)整地質(zhì)量不佳或漏耕等問題。第二項功能則是利用導(dǎo)航指導(dǎo)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械實現(xiàn)自動化駕駛和作業(yè)，為自動行駛提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)和位置，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的無人化作業(yè)。還可以利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械故障，并進(jìn)行故障的預(yù)測和判斷，以便做好故障預(yù)防和控制工作，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械故障產(chǎn)生的不良影響，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械的安全性和穩(wěn)定性，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行性能，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。以某農(nóng)場為例，該農(nóng)場利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行甜菜的覆蓋及播種作業(yè)，引入先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛系統(tǒng)，建立了參考站負(fù)責(zé)接收定位衛(wèi)星信號，獲得誤差校正參數(shù)，再利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸校正數(shù)據(jù)，提升車載衛(wèi)星定位組件定位精度。接著，安裝了汽車衛(wèi)星定位組件，將高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，通過衛(wèi)星定位信號來定位農(nóng)機(jī)的當(dāng)前位置，通過校正數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)在復(fù)雜坡度領(lǐng)域的精準(zhǔn)定位。安裝決策支持組件作為自動駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的控制中心，不但可以手動設(shè)置規(guī)劃農(nóng)業(yè)機(jī)械行駛路線，還可以接收車載衛(wèi)星定位組件提供的位置和速度信息。根據(jù)規(guī)劃路線自動計算航行路線并輸出合理的轉(zhuǎn)向方法，發(fā)布指令來控制自動控制組件。安裝執(zhí)行組件并通過接收決策支持組件的指令控制車輛轉(zhuǎn)向，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化控制。在播種時，農(nóng)機(jī)駕駛員只需要踩下油門就能夠控制車輛的行駛速度，車輛到達(dá)定位之后可以掉頭并由飛行員NX100系統(tǒng)執(zhí)行中型轉(zhuǎn)向，大大減少了農(nóng)機(jī)駕駛員的工作壓力，農(nóng)機(jī)駕駛員可以更好地觀察農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作狀況，有效提升野外農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量[3]。

2.3 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality,VR），是一種通過立體三維空間清楚反映事物的本質(zhì)和變化規(guī)律的現(xiàn)代化智能技術(shù)。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，主要通過多媒體技術(shù)、計算機(jī)制圖技術(shù)及圖片識別技術(shù)和傳感技術(shù)等多項技術(shù)支持，按照用戶的實際需求構(gòu)建三維立體場景。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將虛擬數(shù)據(jù)和三維模型或二維圖像根據(jù)生產(chǎn)需求利用多媒體呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實景象。將該技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的動態(tài)建模，進(jìn)一步構(gòu)建立體的農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型。通過該模型，可以為用戶呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械外形及其實體結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)末虛擬現(xiàn)實技術(shù)已傳入我國并在各個行業(yè)及領(lǐng)域取得了重大發(fā)展。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的虛擬動植物、虛擬實驗、虛擬溫室、虛擬農(nóng)場等相關(guān)應(yīng)用也取得了較大的進(jìn)展。2000年發(fā)表的“仿真技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計上的應(yīng)用”一文詳細(xì)介紹了常用的虛擬現(xiàn)實分析軟件，并給出了三維實體造型方法，通過軟件對三維模型進(jìn)行仿真分析，這是國內(nèi)較早將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計的文獻(xiàn)。近年來，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用的是由美國機(jī)械動力公司開發(fā)的ADAMS軟件，該軟件可以建立和測試虛擬樣機(jī)，主要應(yīng)用成果有“虛擬樣機(jī)技術(shù)的實現(xiàn)及其在小型甘蔗收割機(jī)輸送模塊設(shè)計和仿真中的應(yīng)用”“基于ADAMS的聯(lián)合收割機(jī)振動篩虛擬設(shè)計”等。其他的農(nóng)機(jī)虛擬設(shè)計方法有：利用solid works實現(xiàn)虛擬農(nóng)機(jī)建模、分析、仿真流程，如“虛擬樣機(jī)技術(shù)在小型農(nóng)用裝載機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用”；利用ANSYS建立有限元分析模型，如“甘蔗收獲機(jī)械排刷式剝?nèi)~元件虛擬實驗分析”；基于I-DEAS軟件的虛擬樣機(jī)仿真設(shè)計，如“小型甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)虛擬樣機(jī)的仿真”等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)屬于集成技術(shù)，利用該技術(shù)可以模擬構(gòu)建虛擬三維空間和三維場景，設(shè)計師可以將真正的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景和農(nóng)業(yè)作業(yè)情況輸入虛擬三維場景中，利用該技術(shù)準(zhǔn)確構(gòu)建現(xiàn)場模型。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還能夠?qū)嶋H作業(yè)過程中的天氣、環(huán)境、聲音等多種條件導(dǎo)入虛擬空間，以模擬真實的作業(yè)場景，提升農(nóng)機(jī)操作人員的操作熟練度。利用該技術(shù)可以向操作人員傳輸緊急情況的應(yīng)對技巧，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械故障造成的不良影響，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，可以通過構(gòu)建虛擬農(nóng)場，進(jìn)行虛擬生產(chǎn)及虛擬漫游，用戶可以方便快捷地了解到整體的生產(chǎn)布局，隨時查詢農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)。在進(jìn)行實際運(yùn)用時，可以按照農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計需求，選擇局域網(wǎng)下的PentiumIV，主頻1.6G的計算機(jī)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)硬件。此外，還可以選擇OpenGVS近景驅(qū)動軟件管理農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程[4]。

2.4 應(yīng)用監(jiān)控技術(shù)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程中應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化監(jiān)控技術(shù)可以實現(xiàn)人力解放。農(nóng)業(yè)監(jiān)控時，主要從技術(shù)和安全兩個方面出發(fā)，可以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和機(jī)械操作安全。操作人員可以通過控制面板操控農(nóng)業(yè)機(jī)械，進(jìn)行農(nóng)業(yè)收割作業(yè)。在使用農(nóng)業(yè)機(jī)械之前，需要做好機(jī)械檢測工作，受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，檢測效率較為低下。為保證農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)時能夠收集到完整且準(zhǔn)確的參數(shù)和數(shù)據(jù)，可在機(jī)電一體化的基礎(chǔ)上應(yīng)用監(jiān)控技術(shù)，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械的正常作業(yè)。包括傳感器儀表及數(shù)據(jù)監(jiān)控等，通過收集相關(guān)信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。操控人員可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，確定農(nóng)業(yè)機(jī)械是否處于正常工作狀態(tài)，對于農(nóng)機(jī)故障進(jìn)行提前預(yù)警并及時調(diào)整農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動化和機(jī)械化生產(chǎn)。比如，在播種機(jī)上安裝監(jiān)控儀表，對播種數(shù)量和播種面積進(jìn)行實時監(jiān)控，及時檢測播種狀態(tài)。除此之外，機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用，使得更多農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝監(jiān)控攝像頭來監(jiān)控機(jī)械的關(guān)鍵工作部位，實時掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。某農(nóng)業(yè)科技有限公司擁有自建葡萄園五處，總占地面積500多畝，由于種植面積大，管理起來也有一定的困難。該農(nóng)業(yè)科技公司于2013年正式在各大園區(qū)投入使用“智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)”，利用物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)對葡萄園進(jìn)行智能化管理。技術(shù)人員可以用手機(jī)或電腦登錄“智能種植監(jiān)控系統(tǒng)”，對分散的五個葡萄園區(qū)實施系統(tǒng)化管理，有效減少管理成本。如果出現(xiàn)異常情況，該監(jiān)控系統(tǒng)會將情報發(fā)送到管理員的手機(jī)上，同時開啟遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控開關(guān)，管理員可以在手機(jī)上控制現(xiàn)場設(shè)備，如果監(jiān)測到溫度接近35℃，系統(tǒng)會開啟噴霧降溫避免曬傷葡萄果實。這一智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在保證葡萄良好生長環(huán)境的同時，也為該農(nóng)業(yè)科技公司節(jié)省了30%的人力成本和水肥成本[5]。

2.5 應(yīng)用CAD設(shè)計技術(shù)

目前，我國的機(jī)械工程設(shè)計中應(yīng)用到的CAD設(shè)計技術(shù)主要包括圖形變換技術(shù)、曲面造型技術(shù)、實體造型技術(shù)和交互技術(shù)。應(yīng)用CAD技術(shù)可以設(shè)置拖拉機(jī)的液壓懸掛裝置結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行設(shè)置時，必須保證連桿位置達(dá)到國家規(guī)定的各項標(biāo)準(zhǔn)，在實際運(yùn)行時，保證牽引裝置與各類農(nóng)機(jī)接口能夠發(fā)揮良好的互換性。除此之外，還需保證裝置的強(qiáng)大牽引力，充分發(fā)揮農(nóng)機(jī)的入土功能。相關(guān)設(shè)計人員需要將液壓懸掛裝置的擺動幅度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，對限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計。為保證安全經(jīng)濟(jì)節(jié)能效果，拖拉機(jī)所用的液壓懸掛裝置要設(shè)計上下懸掛裝置，嚴(yán)格控制拖拉機(jī)，保證裝置可以展現(xiàn)出良好的動力輸出效率。通過簡單的三位四通電磁換向閥構(gòu)成液壓油路控制小油缸，依托小油缸活塞桿與主控制閥固定連接及移動對位置進(jìn)行控制，合理控制農(nóng)機(jī)具的提升、中立等過程。相關(guān)的設(shè)計人員需要進(jìn)行水平距離分析，采用CAD技術(shù)構(gòu)建模型圖，開展三維建模分析。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計時，要按照結(jié)構(gòu)剛度矩陣方法實施組集分集及處理，尤其在實施邊界條件處理時，要對機(jī)架和接頭部位開展針對性分析，保證設(shè)計產(chǎn)品不存在缺陷。

3 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)可以有效提升農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，解放勞動力，減少農(nóng)業(yè)企業(yè)的成本投入。為保證機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用效果，企業(yè)需要遵循節(jié)能減排的要求，提升自動化水平，在實現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提下推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。