基于智能制造背景的機電一體化在農業機械中的使用

常州市高級職業技術學校 徐紅金

前言

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

1 機電一體化系統概述

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在20世紀中期，是由日本研究人員發現，當時日本經濟正處于高速發展階段，由于科學技術不斷發展，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。而機電一體化系統是由動力組成要求、運動組成要素、結構組成要素、智組成要素、感知組成要素等環節構成。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，能有效提高機械產品生產效率[1]。

2 機電一體化在農業機械工程中的使用價值

2.1 提升農業機械化工作效率

機電一體化系統在某些方面具有一定優勢，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生產方面的信息數據，再引導產業管理人員通過合理的管理方式，全方面收集農業生產信息，從而及時監控整體生產過程，確保生產過程的科學性和合理性，再根據實際監測數據，制定高效率的生產計劃，從而提高農業生產效率和綜合效益。此外，機電一體化系統與傳統農業機械設備相比，前者可對生產全過程進行合理分配，有效提高農業資源利用率，進而實現我國政府所提出的低碳環保、節能減排的方針，提高機械工程的生產效率和質量。

2.2 減少農業機械設備的系統故障

機電一體化系統擁有最先進的自動化控制功能，在農業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據支持。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，確保各個環節的農業生產工作能順利進行。此外，機電一體系統具備全面監督管理功能，可利用專業的儀器和設備對機械設備室運行參數進行自動監控，一旦發現存在異常情況，能及時對問題進行查詢，并主動觸發警報器，讓管理人員能在最短時間內查看所有設備使用情況，并根據現場具體情況做出最適當的處理，從而確保農業機械能在原來計劃下，實現可持續發展。并且在機電一體化系統管理下，農業機械設備能實現自動化防護，提高機械作業的安全性和穩定性，進而確保操作人員的生命安全。

2.3 改善農業機械設備的操作性

在傳統農業機械化生產過程中，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水平和操作經驗提出更高要求，一旦工作人員專業知識不足，會給機械設備生產帶來嚴重影響。而利用機電一體化系統能優化農業機械零部件，讓其在計算機技術的控制下進行統一管理，從而實現自動化管理和控制，工作人員往往只需要根據提前設定好的程序進行操作，就能實現精細化機械操作，并將設備各方面的運行參數呈現出來，為進一步做好機械精細化管理打下堅實基礎。同時，在農業機械工程設計時，先要研究農機各方面數據信息，再合理運用信息數據作為設計載體，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范標準、設計理論設計數學模型，最后得到機械設計的實時數據[2]。

3 農業機械設計特點

農業機械種類繁多，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，可將其分為小區播種機、精密播種機、鋪膜播種機、谷物條播種機等。同時，農業機械內部結構非常復雜，其涉及范圍較廣，如農機動力系統、驅動系統等。例如，農業拖拉機是將動力系統安裝在農機結構上，從而構成高效拖拉機農機作業機組，此系統具有動力輸出軸、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、控制系統、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機械，必須要擁有很強的專業能力及豐富的設計經驗[3]。

4 農業機械工程中的機電一體化系統使用分析

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據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。可以看出，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，設計出專業的圖紙，是整個機械設計中最為關鍵的元素，而在傳統機械設計過程中，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

在農業機械工程當中，高精度GPS系統是以儀表顯示參數、三維坐標、GPS拆分技術、傳感技術、超聲波技術等技術為基礎，準確測量出農業機械設計中各方面的數據和信息，再利用科學的方式將數據傳輸到計算機，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，來實現農業機械混合作業。通過使用該技術，有利于工作人員及時發現農業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，確保農業機械工程能順利進行，提高農業機械運行效率和質量，滿足農業生產的實際需求[5]。GPS在農用機車的定位監控管理中的作用就凸現出來。通過GPS監測系統可以實時了解入網的車輛位置、速度等信息。并且可以通過監控中心向受監控車輛下達各種指令，提高農業生產的效率同時也降低了管理成本。現基于某通信GPS DTU在農業機械定位監控系統中的應用，如圖2所示。

圖2 某通信GPSDTU在農業機械定位監控系統中的應用

4.3 電子信息技術的使用

從目前農業機械工程發展情況而言，電子信息技術已逐漸普及到農業機械中，而在這種背景下，農業機械工程逐漸向智能化、節能化方向發展，這與我國政府大力提倡的節能環保理念相同。同時，電子信息化技術的使用給農業機械工程實現可持續發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機械，還能實現相互通信、故障診斷等功能，讓工作人員能利用設備遠程操控農業生產過程，確保農業機械根據提前設定的流程來進行各項操作，不僅能節約大量的人力資源，還能提高農業機械的工作效率。此外，在傳統機電一體化設備內，人工方式是最常用的監督管理方式，這種監督方式存在各方面的問題，如局限性大、監控效率低，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現和處理。在正常情況下，只能等故障出現后，再利用專業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。而在現代機電一體化系統使用過程中，利用機電一體化監控技術，能對設備不同運行階段進行實時控制，并將監控信息通過計算機及時傳遞給機電一體化系統終端，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內的總控制模塊來對農業機械進行遠程控制[6]。

4.4 虛擬技術的使用

虛擬技術作為在機電一體化系統中最重要的環節，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機械工程中，不僅能建立農業機械的動態模型，還能構建整個農業機械的三維立體模型，從各個方面將農業機械的實體結構和表面構造完美呈現出來。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機械工程內，可根據農業機械的設備運行情況和農業生產特征來建立幾何模型、物理模型、運動模型等，有利于在設計環節將農業機械優化做到極致。同時，通過利用虛擬技術，可將農業機械結構更直觀地呈現在用戶眼前，有利于用戶對農業機械做出全方位認知，且可將農業機械運行情況展示給用戶看，教給用戶在出現極端狀況下的解決技巧，從而降低農業機械運行故障給使用帶來的影響，進而確保農業機械能實現可持續發展[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。中央計算機使用數據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，實現對新鮮農作物的及時采摘并指導后續銷售。

通過建立數據處理系統或計算機數據庫，存儲和管理多達數十萬種作物品種資源信息.制定生產計劃和農業分區計劃（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境和資源信息，其中育種者可使用在線搜索網絡，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據庫，找到所需作物信息，并將其了解的信息輸出到全世界。此外，基于計算機數字土地信息系統、土地資源管理、地理信息系統等的動態虛擬監測，動態化地在信息的計算機數據庫幫助農民及時了解相關訊息并做出準確的農業決策。

5 總結

綜上所述，隨著農業科技不斷發展，機電一體化在整個機械設備使用過程中發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據，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，促進農業機械生產的進程。