淺析機電一體化在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用

徐 強

（黑龍江工商學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

目前，農(nóng)業(yè)機械集成水平越來越高，這是當(dāng)前農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的主流趨勢，利用這些先進技術(shù)集成的農(nóng)業(yè)機械，不僅可以降低農(nóng)民的勞動強度，而且能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率以及產(chǎn)出效益。機電一體化作為一種集成的現(xiàn)代技術(shù)，通過將微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)等集于一體，實現(xiàn)了多項技術(shù)成果的綜合，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械之中，極大地解決了農(nóng)業(yè)機械功能單一、易出現(xiàn)故障、自動化水平不足等問題，使農(nóng)業(yè)機械運行時的準(zhǔn)確性、靈敏性、高效性得到提升。因此，本文重點對機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域中的應(yīng)用進行分析和研究，并對其發(fā)展趨勢進行展望。

1 機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 減少農(nóng)業(yè)機械故障

無論發(fā)展何種產(chǎn)業(yè)，在實際生產(chǎn)中必須將安全放在首位，農(nóng)業(yè)也是如此。目前，我國農(nóng)業(yè)機械化水平還沒有達到完全自動化的程度，很多地區(qū)仍是以半自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如果農(nóng)業(yè)機械發(fā)生故障，不僅影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且對農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)人員也會產(chǎn)生安全威脅。將機電一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，可以有效增強農(nóng)業(yè)機械的可靠性和安全性，對農(nóng)業(yè)機械發(fā)揮監(jiān)測和防護作用[1]。當(dāng)農(nóng)業(yè)機械在生產(chǎn)運行時出現(xiàn)機械系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等問題時，該技術(shù)便會通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的異常運行狀態(tài)，并向操作人員發(fā)送報警信息，使操作人員能夠第一時間解決各類問題，從而減少農(nóng)機故障，確保人員安全。由此可見，將機電一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械之中可以對機械故障提示信息進行采集和自動化分析，通過預(yù)警提示操作人員對即將發(fā)生的故障問題進行處理，從而有效減少農(nóng)業(yè)機械故障。

1.2 提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力

應(yīng)用機電一體化技術(shù)，能夠有效收集農(nóng)業(yè)機械的信息，并且還可以對收集的信息進行有效處理，使農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率得以提升。具體表現(xiàn)為：信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的共享；借助計算機控制技術(shù)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機械的準(zhǔn)確定位，同時可以監(jiān)測農(nóng)業(yè)機械運行的狀態(tài)、軌跡等，也可根據(jù)農(nóng)業(yè)機械運行實況分析農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)狀況，從而制定耕種、噴灑肥藥、收割等作業(yè)路線的最佳方案，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率[2]。從農(nóng)機維修角度來講，農(nóng)業(yè)機械因長期使用容易出現(xiàn)磨損、故障等問題，需要一定的維修周期對機械設(shè)備進行維修。以往采取的維修方式通常為人工維修，需要先對機械設(shè)備的故障問題以及損壞部位進行檢測，然后才能進行維修，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的維修周期比較長，耽誤設(shè)備的使用[3]。應(yīng)用機電一體化技術(shù)，在設(shè)備運行時便可對設(shè)備進行檢測，從而精準(zhǔn)定位出現(xiàn)故障問題和磨損的部件，進而以最快的速度解決這些問題，使設(shè)備能夠盡早投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

1.3 監(jiān)測農(nóng)業(yè)機械作業(yè)實況

當(dāng)前農(nóng)業(yè)機械的功能逐漸增加，同時機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，使用的機械零件越來越精細，并且零件數(shù)量也比較多，每個零件均有各自的作用，如果某個零件出現(xiàn)損壞、脫落的情況，將會導(dǎo)致整個機械設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)，不僅會降低生產(chǎn)效率，而且容易導(dǎo)致安全事故發(fā)生[4]。將機電一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械中，能夠借助機電系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)機械的運轉(zhuǎn)進行實時監(jiān)測，一旦監(jiān)測到故障便會向操作人員發(fā)送警報，使操作人員以最快的速度解決故障，避免農(nóng)機設(shè)備“負傷運行”。機電一體化技術(shù)通過準(zhǔn)確監(jiān)測農(nóng)業(yè)機械作業(yè)實況，提升生產(chǎn)質(zhì)效和安全性。

2 機電一體化在農(nóng)業(yè)機械中的綜合應(yīng)用

2.1 農(nóng)業(yè)機械CAD一體化設(shè)計

CAD 是一項集計算機圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫等專業(yè)技術(shù)于一體的綜合性機電一體化技術(shù)，可以對農(nóng)業(yè)機械進行優(yōu)化設(shè)計、設(shè)計修改以及輸出效果調(diào)整等。借助CAD 開展農(nóng)業(yè)機械一體化設(shè)計，可以使農(nóng)業(yè)機械研發(fā)的整體效率得到提升[5]。以往采用傳統(tǒng)二維CAD 對農(nóng)業(yè)機械進行設(shè)計時，僅能夠?qū)r(nóng)業(yè)機械的平面圖進行設(shè)計，一旦農(nóng)業(yè)機械設(shè)計圖中某一細節(jié)出現(xiàn)錯誤，則修改工作極為繁瑣，甚至?xí)霈F(xiàn)“牽一發(fā)而動全身”的結(jié)果，導(dǎo)致二維CAD 平面圖紙整體需要大改。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，目前使用的CAD 技術(shù)已經(jīng)從二維升級為三維，可以利用三維掃描儀構(gòu)建完整的農(nóng)業(yè)機械CAD 數(shù)據(jù)模型，使農(nóng)業(yè)機械研發(fā)人員能夠從動力學(xué)、機械工程學(xué)以及運動學(xué)等多視角對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的合理性進行剖析，并且能夠掌握農(nóng)業(yè)物料的空間運動軌跡、給定軌跡以及平面運動時產(chǎn)生的作用力，并對農(nóng)業(yè)機械進行科學(xué)化、規(guī)范化設(shè)計，使CAD 一體化設(shè)計能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的基本需求，提升設(shè)計的精度和整體效果[5]。例如，在對農(nóng)業(yè)耕作使用的犁進行一體化設(shè)計時，可以使用Creaform 三維掃描儀結(jié)合Geomagic Design X 構(gòu)建三維CAD 數(shù)據(jù)模型。犁作為常見耕地農(nóng)具，主要應(yīng)用于破碎土塊，并且還要耕出溝槽，從而為播種打好基礎(chǔ)。設(shè)計人員可以結(jié)合三維CAD 數(shù)據(jù)模型，考慮犁地、開溝、壅土等實際需求，對犁的設(shè)計進行調(diào)整，對犁的尖端部位、犁體的曲面、安裝座等結(jié)構(gòu)部分進行逐一調(diào)整，最后通過VR 技術(shù)對設(shè)計好的模型進行驗證，確保設(shè)計結(jié)果能夠滿足實際生產(chǎn)需求。由此可見，農(nóng)業(yè)機械CAD 一體化設(shè)計對于提升農(nóng)機質(zhì)量發(fā)揮重要作用，可提升農(nóng)業(yè)機械使用效果。

2.2 機電一體化在設(shè)備調(diào)配中的應(yīng)用

目前，電子信息技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，使農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)效率得以提升，并且在集約化、綠色化、現(xiàn)代化等方面實現(xiàn)了發(fā)展。尤其是監(jiān)控技術(shù)、通信技術(shù)、智能診斷技術(shù)等集成于農(nóng)業(yè)機械設(shè)備上，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、植保、田間管理等方面取得了顯著的效果，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機械電子信息一體化調(diào)配，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量[6]。當(dāng)前主要使用植保噴藥機防治田間病蟲害，這也是開展田間管理的重要手段。植保機械應(yīng)該在作業(yè)安全性、作業(yè)效率、施藥量等方面滿足要求，以往我國使用的植保機械藥箱容量一般在500 L以上，雖然能夠滿足植保噴藥的實際需求，但在噴灑均勻度、用藥量以及機械維護方面無法達到要求，存在農(nóng)藥化肥施用量過高的問題，易污染自然環(huán)境，并對農(nóng)作物及田間土壤造成破壞。因此，可以采用農(nóng)業(yè)機械機電一體化系統(tǒng)對植保機械進行優(yōu)化，該植保機械主要包括行走系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)兩個模塊。行走系統(tǒng)可以實現(xiàn)高地隙行走，主要由驅(qū)動總成、轉(zhuǎn)向總成、行走裝置以及高地隙底盤等構(gòu)成，噴藥系統(tǒng)則由噴頭、藥箱、電控器、液泵等構(gòu)成。該植保機械采用電子遙控裝置進行調(diào)配，采取人工操作的方式將控制信號發(fā)送到植保機械，控制信號包括進退信號、噴灑信號、轉(zhuǎn)向信號以及速度信號等，信號接收機接收到控制信號之后，通過串口向各裝置傳輸控制指令，并由各裝置對控制指令進行執(zhí)行，從而利用機電一體化技術(shù)實現(xiàn)植保設(shè)備調(diào)配。

2.3 機電一體化在采收機械中的應(yīng)用

為了保證采收機械作業(yè)過程中信息的準(zhǔn)確性和及時性，必須利用機電一體化技術(shù)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)操作的精確性已經(jīng)成為一項基本要求，GPS定位技術(shù)可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)精準(zhǔn)操作，便于農(nóng)業(yè)活動的開展[7]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有規(guī)模大的特點，因此，農(nóng)民通常在機械化生產(chǎn)方面有著較高的要求。但受作業(yè)場地的限制，農(nóng)業(yè)機械難以在現(xiàn)場進行高效調(diào)度，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)效率偏低。若將機電一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，便可以通過機電一體化中的GPS 定位技術(shù)解決農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)效率低下的問題。GPS 還可以與超聲波技術(shù)聯(lián)用，將農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)作業(yè)的場景轉(zhuǎn)變成三維立體圖像，當(dāng)現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)急需調(diào)整農(nóng)業(yè)機械時，操作人員可借助GPS定位技術(shù)提供的三維圖像開展現(xiàn)場調(diào)整工作，從而使農(nóng)業(yè)機械調(diào)度產(chǎn)生的路徑誤差得以減小，并且使操作人員能夠有效地操控機械設(shè)備，將農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用充分發(fā)揮出來。此外，也可以將GPS技術(shù)與傳感器技術(shù)聯(lián)用，對谷物進行收割和監(jiān)測，根據(jù)傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)調(diào)整割臺高度和農(nóng)機行駛速度，還可以對谷物流量、濕度等信息進行監(jiān)控。其系統(tǒng)框架如圖1所示[8]。

圖1 傳感器技術(shù)與GPS技術(shù)聯(lián)用于收獲機的系統(tǒng)框架

例如，在對小麥進行收割時，由于小麥生長高度不一，收割機進入麥田收割時，可以利用收割機前置的傳感器，同時對小麥的高度和收割機行駛速度進行監(jiān)測，將數(shù)據(jù)信號傳遞至GPS 系統(tǒng)之中，通過GPS 模塊調(diào)整收割機行駛速度，避免行駛速度過快而出現(xiàn)漏收問題。

2.4 機電一體化在農(nóng)機無損檢測中的應(yīng)用

近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、傳感技術(shù)等機電一體化技術(shù)得以在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用，這些技術(shù)形成了計算機視覺技術(shù)，可以有效地處理農(nóng)機設(shè)備圖像，從而實現(xiàn)對農(nóng)機的無損檢測。同時，由上述內(nèi)容可知，聯(lián)合應(yīng)用GPS技術(shù)、超聲波技術(shù)以及傳感技術(shù)等，可以實現(xiàn)集群化、高精度的導(dǎo)航作業(yè)[9]。計算機視覺技術(shù)作為一種機電一體化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)機的無損檢測，從而進一步提升農(nóng)機的品質(zhì)[10]。

3 農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 柔性化與智能化

柔性化和智能化是農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)今后的主要發(fā)展趨勢之一。柔性化是指農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)獨立工作，同時又能夠為總體服務(wù)的一種自律分配系統(tǒng)。該系統(tǒng)投入到農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用，即便其中的子系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)也能夠?qū)K端進行有效控制，從而使農(nóng)業(yè)機械合理地應(yīng)對各類突發(fā)事件，將農(nóng)業(yè)機械整體工作受到的影響降至最低，并保障農(nóng)業(yè)機械運行的安全性。智能化則是指基于當(dāng)前人工智能或超人工智能技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械運行的全自動化，提升農(nóng)業(yè)機械運行的精度和效率，促進農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)代化發(fā)展。

3.2 集成化與微型信息化

目前，機電一體化技術(shù)之所以能夠適用于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，主要是因為機電一體化集成了若干先進技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械中，能夠增加農(nóng)業(yè)機械的功能，提升農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)效率。今后農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展仍會加深集成化。同時，當(dāng)前蝕刻技術(shù)以及納米技術(shù)等微型機電一體化技術(shù)已經(jīng)得到發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)領(lǐng)域中將會出現(xiàn)微型傳感器、微型處理器以及微型執(zhí)行元件的結(jié)合，使信息自律元件趨于微型化，從而推動農(nóng)業(yè)機械機電一體化發(fā)展。

4 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域正在從半自動化向自動化方向發(fā)展，在此過程中，機電一體化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮著重要的作用，不僅能夠提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，而且能夠增強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的安全性。隨著農(nóng)業(yè)科技的持續(xù)發(fā)展，機電一體化技術(shù)將會衍生出更加智能化、自動化的技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械中，使農(nóng)業(yè)機械早日實現(xiàn)完全自動化，進一步解放勞動力，提升農(nóng)業(yè)作業(yè)效率。