機電一體化在農業機械設計制造中的應用研究

馬子奕

（唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299）

1 機電一體化技術概述

機電一體化是機械工程與自動化學科的分支，其將電工電子、微電子、傳感器、信號變換、伺服系統等多種技術有機結合，是計算機技術高度成熟下機械電子工程的重要發展方向。機電一體化的概念最早于1971年，在日本《機械設計》雜志上首次出現。我國在20世紀80年代初開始了機電一體化的研究，相對發達國家起步較晚，雖然技術的發展速度較快，但仍面臨著微電子技術改造量過大、市場占有率壓力大等問題。同時由于研究時間有限，許多機電一體化設備需要從國外進口，在多個領域都存在著被“卡脖子”的風險。就農業機械的設計制造而言，由于機電一體化本身就是多學科融合的產物，對于人工智能技術的探索，使其能將信息轉換、軟件編程等技術充分應用于農業機械設計制造中，從而在根源上解決能源消耗等農業機械的痼疾。與此同時，人工智能技術的應用，使得機電一體化技術在微電子控制上有著突出的優勢，有助于將微電子控制技術推廣到各行各業，應用了機電一體化技術的機械設備，能夠通過自我檢修機制來調整自身的機械故障，不僅為維修人員提供了便利，也讓基于機電一體化技術的農業機械維護成本大幅下降。此外，將機電一體化技術所帶來的工作流程與操作手段應用到農業機械生產過程中，將會明顯減少因磨損等問題而造成的系統損傷，并有效提升農業生產質量和效率，從而為農業機械化發展提供技術支持。

2 農業機械設計制造中機電一體化技術的應用價值

2.1 安全性

安全生產是農業機械設計制造的首要原則。在不斷推進農業機械化發展的大背景下，農機故障問題不僅會直接影響農業生產效率，還會對農機操作人員的生命安全造成威脅。而機電一體化技術對于自動化技術的應用，使其能利用自動診斷和警報系統對農機狀態進行實時監控，一旦在使用過程中突發故障，農機會通過自動警報的方式提醒操作人員及時關閉農機并進行檢修，不僅能有效減少在生產過程中出現故障的可能性，而且能有效避免因機械故障而出現的安全事故，從而有效提升農業機械的安全性和可靠性。此外，基于機電一體化技術的農業機械[1-3]，能利用其聯網系統和數據分析能力，將可能出現的農機故障進行數據匯總，從而找出故障風險最高的環節，并不斷完善農業機械的防護系統，在有效提升農業生產效率的同時保障農機的安全性，以落實農業機械化生產、安全生產的首要任務。

2.2 可操作性

傳統農業機械的內部結構比較復雜，很多部件系統并沒有得出最優化的設計結果，給農機操作者的操作實踐帶來了諸多不便。而利用機電一體化進行農業機械的設計制造，可以精簡很多不必要的內部結構設計，最大限度地簡化農業機械內部結構，能夠滿足農機操作者精準、簡練的操作需求，改善操作者的工作環境。同時，數控、遠程控制等技術在機電一體化領域的應用，使得農業機械具備了智能化、自動化的發展前景，而智能化、自動化的農業機械不再要求操作者熟練掌握農機的操作技巧，只需要通過人機交互界面就能完成原本的精細操作，能大幅降低農業機械的操作難度，進而降低農業機械化生產中的人力成本。隨著信息技術在農業領域的普及和發展，依托于機電一體化的農業數據鏈使農業機械化生產具備了更強的適應性[4-5]，農業機械能通過在不同環境下所作出的反應和調整，來增強自身的操作靈活度，不僅有助于農業機械化的生產管理，還對農業機械的推廣和應用具有重要的現實意義。

2.3 產能

機電一體化技術應用于農業機械的設計制造，能夠有效解決傳統農業機械缺乏信息采集能力、機械控制精度低等問題，使操作者能用更科學、更精細、更高效的模式開展農業作業，從而在提升農業機械應用價值的同時有效提高農業產能。農業產業的信息化發展高度依賴生產過程中收集的有關信息，而利用電子信息采集和自動化控制技術，能讓農業機械在生產過程中采集農業生產的數據信息，從而為提高農業作業的精確度和機械系統的靈活性提供數據參考。同時，利用機電一體化技術設計和制造出的農業機械，能夠克服傳統農業機械在精確性上存在的弊端，使操作者能用更精細的方式完成農業生產工作，避免因經驗、技術等不足導致的人工失誤，從而在控制人為因素的前提下保持最高效的農業生產[6-7]，有效提高農業產能。

3 農業機械設計制造中機電一體化技術的應用類型

3.1 交流傳動技術

交流傳動技術要求通過交流器供電的傳動電機為農業機械提供電力，其優勢在于：首先，擁有良好的牽引性能，能合理利用系統的調壓和調頻特性，實現寬范圍的平滑調速，讓農業機械在啟動時能擁有較大的啟動力矩；其次，交流傳動技術所使用的脈沖整流器能通過PWM控制技術調節電網輸入電流的相位，讓農業機械的功率因數接近1，且電流接近正弦波形，擁有較小的諧波干擾；再次，由于其異步電動機無換向器，使用交流傳動技術的農業機械往往擁有更大的單位質量體積的牽引功率，機械運行的可靠性更強；最后，交流異步電機的自然特性決定了其防空轉的性能較強，尤其是牽引控制采用矢量控制或直接力矩控制策略時，能有效保障農業機械系統擁有更高的穩態精度和動態性能，讓農業機械更能滿足重載牽引的需求。

3.2 集成制造技術

集成制造系統（CIMS）是計算機輔助系統高度發展下的產物，其應用了計算機輔助設計、輔助制造、輔助工藝規劃、輔助測試、輔助質量控制等系統，使系統的集成化全局效應更加明顯，能有效降低產品設計時間和成本，通過提高設計產品質量和服務質量來提高產品的市場核心競爭力。在農業機械設計制造中應用先進制造、敏捷制造、虛擬制造和并行工程等集成制造技術，能通過發揮信息技術的性能優勢轉變傳統的農業機械設計制造和生產模式，從而推動農業現代化、信息化發展。

3.3 現場總控技術

現場總控系統由控制系統、測量系統、計算機服務模塊和數據庫等多個系統構成，是一種基于智能現場儀表而產生的開放型數字通信技術，其本質上就是將控制系統中最基礎的現場設備通過網絡節點相互連接，從而構建自上而下的全數字化通信體系。現場總控系統采用了開放式、標準化的通信技術，突破了傳統分散控制系統的技術局限，通過全分布式系統架構將控制功能徹底下放到了作業現場，實現了數據信息覆蓋范圍的延伸。在農業機械設計制造中應用現場總控技術，能有效強化對生產一線的控制力度，保障農業生產的整體效益，從而為農業信息化的發展提供可靠的技術支持。

4 農業機械設計制造中機電一體化技術的具體應用

4.1 衛星導航技術

衛星導航技術是基于傳感器、超聲波等技術，利用導航衛星對地面、海洋、大氣等進行導航定位的綜合性技術。作為傳統的農業大國，我國地域遼闊，耕地面積大，土地資源類型多樣，農業機械的需求量較大，所以農業機械通常需要進行集群化作業。但受工作場地等因素的限制，農業機械的現場調度常會面臨諸多問題，導致農業機械的工作效率降低。而利用機電一體化所提供的衛星導航技術[8]，可以通過三維坐標和建模還原農業生產的活動現場，從而讓工作人員用三維圖形掌握現場情況，并做到實時的調動與分配，避免在農業機械生產過程中可能出現的路線錯誤、系統不適配等問題，從而確保農業機械高效生產。尤其是在開展農業機械集群化作業的過程中，利用衛星導航技術作為技術支持，能充分發揮出集群化作業的高效率、高質量優勢，從而有效推動我國農業機械化、信息化發展。

4.2 計算機輔助技術

機電一體化是農業機械設計制造未來發展的必然趨勢，而計算機輔助技術則是從根源上提升機械工作效率的關鍵。計算機輔助技術是以計算機為工具，通過三維建模輔助完成特定領域工作的方法和技術。其廣泛應用于機械、電子、服裝、建筑等多個領域，尤其是計算機輔助設計（CAD），在農業機械設計制造中具有得天獨厚的技術優勢。在計算機輔助技術的支持下，工作人員可以根據農業實際生產活動中所采集的數據，掌握農業機械數據和生產的其他需求，建立三維虛擬模型，并利用計算機圖形學、網絡通信等技術，對原有的工作和生產模式進行整改和優化。相比傳統的農業機械設計制造模式，依托于計算機輔助技術，可以極大地縮短和簡化計算與設計過程[9]，并且能夠讓設計人員在更大的發揮空間下進行創新設計，縮短農業機械設計理念的更新周期。此外，通過三維圖形系統進行建模來模擬實際的使用過程，能從設計階段規避農業機械在使用過程中可能出現的問題，從而為農業機械化提供更精準、便捷的工具。

4.3 虛擬現實技術

虛擬現實技術是以計算機技術為基礎，綜合利用三維圖形技術、多媒體技術、仿真技術、伺服技術等，構造逼真的三維視覺、觸覺等多感官虛擬世界的技術類型。虛擬現實技術在農業機械設計制造中有重要的應用價值，在機械系統的研發環節，充分利用虛擬現實技術進行虛擬建模，能讓農業機械在生產出來之前就在擬真的環境中進行模擬，確保獲取較為可信的性能、操作等方面的數據。同時，還能做好農業機械應用過程中如極端天氣等突發狀況的模擬工作，在檢驗農業機械的抗干擾和承壓能力的同時，幫助農業機械操作人員提高實踐水平，鍛煉應對突發狀況的經驗，從而為后續安全生產起到保障作用。

4.4 監控技術

監控技術要求通過技術和安全層面的監督和檢查，提升整個農業機械生產流程的效率和安全性。在傳統的農業機械設計制造中，操作人員必須通過檢查機械的各項設備，確保農業機械在運行過程中能達到各項數據標準。而應用機電一體化技術，能極大地簡化原先人工檢查的操作流程，操作人員可以利用監控系統進行自動監控，一旦出現偏差會通過警報的方式通知操作人員，降低農業機械設計制造中對人工檢查的依賴性，同時還能讓操作人員利用遠程監控系統實時監控農業機械的工作過程，對農業現代化生產具有重要價值[10]。

4.5 電子信息技術

基于機電一體化的農業機械設計制造，將會以電子信息技術作為最廣泛的技術應用類型，以實現農業機械制造和農業生產的機械化和自動化。電子信息技術不僅是上述幾類技術發揮作用的基礎，還會對農業機械的功能設計、監聽診斷、實時反饋、信息管理、系統調配等產生決定性的影響。可見，積極推動電子信息技術在農業機械設計制造的應用，不僅能有效提升農業機械的性能水平，還能對農業機械未來的智能化設計生產起到直接的作用，是機電一體化在農業機械設計制造的必然發展趨勢。

5 結語

綜上所述，對于農業機械設計制造而言，以交流傳動技術、集成制造技術、現場總控技術等為代表的機電一體化技術，具有安全性、可操作性和高產能的技術優勢，能突破傳統農業機械設計制造面臨的瓶頸。因此，在農業機械設計制造中應充分利用衛星導航、計算機輔助、虛擬現實、系統監控和電子信息技術，從設計的角度出發提升我國農業機械產品的工作效率，推動農業機械化、集群化發展。