機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程中的應(yīng)用

宮 琛

（青島市技師學(xué)院，山東 青島 266035）

機(jī)電一體化技術(shù)的出現(xiàn)方便了各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)，其應(yīng)用范圍也日漸擴(kuò)大。當(dāng)前的機(jī)電一體化技術(shù)多采用“機(jī)械+電子技術(shù)”的模式，在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程領(lǐng)域，機(jī)電一體化技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)與農(nóng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而使農(nóng)機(jī)的利用率達(dá)到最高，促進(jìn)農(nóng)業(yè)健康、高效發(fā)展。

1 機(jī)電一體化概述

機(jī)電一體化技術(shù)是結(jié)合機(jī)械工程與電子技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而形成的一種新的生產(chǎn)與管理技術(shù)[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，其已在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化、智能化程度得到了進(jìn)一步的提升。機(jī)電一體化技術(shù)由硬件部分的各種機(jī)械設(shè)備和軟件部分的信息處理系統(tǒng)組成，通過(guò)軟件程序?qū)烧哂袡C(jī)嵌合在一起，形成自動(dòng)化生產(chǎn)與管理。其中，硬件部分包含機(jī)械設(shè)備的各個(gè)部件、工作臺(tái)、傳感器等，傳感器的設(shè)置讓農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的指令信息及反饋信息的傳輸更加及時(shí)、準(zhǔn)確[2]。目前使用的拖拉機(jī)、收割機(jī)、播種機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械都大量運(yùn)用了機(jī)電一體化傳感技術(shù)。以大功率拖拉機(jī)等大型農(nóng)業(yè)機(jī)械為例，如圖1所示，此類農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)等。

圖1 大功率拖拉機(jī)傳感器示例

在整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其構(gòu)成要素有動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、絲桿、信息處理系統(tǒng)和傳感器等，機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用機(jī)電一體化的意義

2.1 改善操作性能

目前，機(jī)械設(shè)備群控技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等已在智能制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用效果也越來(lái)越好。從近幾年農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展與更新情況來(lái)看，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械使用頻率高、作業(yè)強(qiáng)度大，加之很多農(nóng)機(jī)經(jīng)常在山區(qū)、洼地等惡劣環(huán)境中作業(yè)，所以設(shè)備零部件存在較高的故障率[3]。而將機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用于農(nóng)機(jī)生產(chǎn)及使用中，通過(guò)集成化技術(shù)可以將多種部件集約化、簡(jiǎn)單化，加之運(yùn)用人工智能技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的管理與應(yīng)用，可以保證農(nóng)機(jī)在使用的全過(guò)程中都能保持良好的運(yùn)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(jī)電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得農(nóng)機(jī)裝備的信息采集與處理速度得到了很大的提高，同時(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。機(jī)電一體化農(nóng)機(jī)設(shè)備對(duì)工作效率的提高主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的信息共享。配合衛(wèi)星導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)控制等機(jī)電一體化技術(shù)，農(nóng)機(jī)設(shè)備管理人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)位置的定位，隨時(shí)監(jiān)控機(jī)械運(yùn)行狀況，根據(jù)農(nóng)機(jī)工作的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)時(shí)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(jī)的工作效率，避免機(jī)械窩工或者低效運(yùn)轉(zhuǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[4]。第二，農(nóng)業(yè)機(jī)械一般需要制定檢修計(jì)劃，在使用一段時(shí)間后就要定期對(duì)其安全性能進(jìn)行檢查，如果采用人工檢查將十分耗費(fèi)人力，對(duì)檢驗(yàn)檢測(cè)人員的技術(shù)要求比較高，同時(shí)也存在一些不確定性因素，出現(xiàn)誤判的概率比較大。應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)后，就可以有效地提高檢修工作的效率，與此同時(shí)，自動(dòng)化檢測(cè)誤差少，也能保證檢測(cè)工作的質(zhì)量。第三，采用自動(dòng)化控制和檢查方法，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定，可以對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行周期性的自動(dòng)檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障后在第一時(shí)間進(jìn)行排除，將農(nóng)業(yè)機(jī)械中存在安全問(wèn)題的概率降到最低，防止作業(yè)過(guò)程中機(jī)械出現(xiàn)故障而導(dǎo)致耗時(shí)費(fèi)力，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

2.3 減少系統(tǒng)故障

目前，國(guó)內(nèi)各有關(guān)部門都加大了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械安全問(wèn)題的關(guān)注力度。在農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備的安全性是機(jī)械操作人員和管理人員均比較關(guān)心的問(wèn)題。例如，有的農(nóng)機(jī)設(shè)備使用年限長(zhǎng)、制造工藝落后，一些部件的失效將會(huì)影響農(nóng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率大大降低，嚴(yán)重的還可能出現(xiàn)安全事故。而機(jī)電一體化的自動(dòng)診斷、自動(dòng)預(yù)警技術(shù)可以在農(nóng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)快速分析和診斷，將農(nóng)機(jī)的失效率降到最低，提升農(nóng)機(jī)的安全性，保障正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[5]。

2.4 完善農(nóng)機(jī)設(shè)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(guò)程會(huì)面臨諸多問(wèn)題，對(duì)農(nóng)業(yè)的整體生產(chǎn)質(zhì)量和作業(yè)效率產(chǎn)生負(fù)面作用，而將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于其中則能適應(yīng)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(jī)械在生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)揮出最大的價(jià)值。運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，生產(chǎn)管理人員可以通過(guò)校驗(yàn)、補(bǔ)償?shù)仁侄危鶕?jù)用戶的實(shí)際需要和生產(chǎn)狀況，靈活地操縱和調(diào)整農(nóng)機(jī)設(shè)備，使其在各種復(fù)雜的環(huán)境中持續(xù)高效工作，順利開(kāi)展農(nóng)業(yè)作業(yè)[6]。另外，由于新的機(jī)電一體化技術(shù)不斷得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。例如近幾年發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)校對(duì)、自動(dòng)駕駛作業(yè)、農(nóng)機(jī)群控技術(shù)等，使整個(gè)農(nóng)機(jī)操作和使用更加簡(jiǎn)單，降低了能耗，進(jìn)一步擴(kuò)大了農(nóng)機(jī)的應(yīng)用范圍，提高了農(nóng)機(jī)生產(chǎn)的整體水平。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是一種將產(chǎn)品數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)融合的綜合性技術(shù)，通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖形圖像建立三維數(shù)據(jù)模型，農(nóng)機(jī)三維模型圖如圖3所示。農(nóng)業(yè)機(jī)械，特別是拖拉機(jī)、插秧機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備，如果通過(guò)制造真實(shí)產(chǎn)品來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能，則會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)的不確定性而浪費(fèi)大量的時(shí)間和資金成本。而設(shè)計(jì)人員通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，可以根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型進(jìn)行仿真模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而節(jié)省大量試錯(cuò)成本，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加精準(zhǔn)、性能更加優(yōu)越的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備[7]。需要注意的是，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)需要掌握扎實(shí)的機(jī)電一體化和三維設(shè)計(jì)知識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)水平的要求比較高，因此相關(guān)院校要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)學(xué)科建設(shè)，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生機(jī)電一體化知識(shí)的培養(yǎng)力度。

圖3 農(nóng)機(jī)三維模型圖

3.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)即GPS技術(shù)，是一種將高精度的傳感器技術(shù)和超聲波技術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù)[8]。將GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的儀器儀表中，能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)狀況以3D坐標(biāo)和圖表的形式呈現(xiàn)，讓工作人員通過(guò)3D坐標(biāo)和圖表來(lái)了解生產(chǎn)的具體情況，從而精準(zhǔn)地掌握現(xiàn)場(chǎng)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(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行群體生產(chǎn)時(shí)，利用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)可以將農(nóng)機(jī)群高效率、高質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)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(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality, VR）是一種現(xiàn)代智能技術(shù)，該技術(shù)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(jìn)行多媒體化，呈現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建出虛擬的立體空間和場(chǎng)景，例如設(shè)計(jì)師將真實(shí)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景和現(xiàn)場(chǎng)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(shí)技術(shù)就可以構(gòu)建出精確的現(xiàn)場(chǎng)模型。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以將實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的聲音、天氣、環(huán)境等導(dǎo)入虛擬空間，模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的真實(shí)場(chǎng)景，提高農(nóng)機(jī)操作人員的機(jī)械操作熟練程度[9]。另一方面，通過(guò)建立虛擬農(nóng)場(chǎng)，可實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)查詢。

3.4 監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際操作中，從技術(shù)和安全兩個(gè)方面對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)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(jī)械前，首先要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，防止機(jī)械存在安全隱患。在實(shí)際的檢測(cè)工作中，受傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的限制，檢測(cè)效率往往比較低。而在現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中加入監(jiān)控技術(shù)等機(jī)電一體化技術(shù)，不僅可以對(duì)農(nóng)機(jī)可能發(fā)生的問(wèn)題提前進(jìn)行預(yù)警，而且可以解放人工勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面機(jī)械化和自動(dòng)化[11]。

4 總結(jié)

機(jī)電一體化技術(shù)結(jié)合了多項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將其引入農(nóng)機(jī)設(shè)備中，既能提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的質(zhì)量和效益，又能給農(nóng)機(jī)操作人員創(chuàng)造一個(gè)良好的作業(yè)條件，對(duì)促進(jìn)我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有積極意義。