機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應用探析

盧建勤

（廣西機電工程學校，廣西 南寧530007）

機電一體化又稱機械電子學，由機械技術(shù)與計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)以及其他技術(shù)融合的一門獨立交叉學科。

機電一體化技術(shù)是綜合機械技術(shù)與電子技術(shù)，并將二者集于一身的一項技術(shù)［1］，于20世紀70年代開始由德國引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展［2］。我國在20世紀80年代開始逐步邁進農(nóng)業(yè)機械化階段，21世紀初，國家和各級政府推出各種惠農(nóng)政策，提高了農(nóng)技裝備水平，改善了農(nóng)技裝備結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)得到應用與推廣［3,4］。在近幾年科技發(fā)展中，特別是隨著計算機信息化技術(shù)水平的不斷提高，機電一體化技術(shù)交叉融合了計算機、機械、信息、傳感檢測、伺服傳動、自動控制等技術(shù)，形成一個整體系統(tǒng)，有助于我國多領(lǐng)域、多行業(yè)實現(xiàn)自動化，降低相應成本，節(jié)約人力資源，提升企業(yè)經(jīng)濟效益，提高企業(yè)發(fā)展水平、發(fā)展速度，同時，使我國農(nóng)業(yè)機械技術(shù)得到創(chuàng)新發(fā)展并成為整體農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心。

機電一體化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，推進農(nóng)業(yè)向智能化、機械化方向發(fā)展，提高了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與作業(yè)效率。農(nóng)業(yè)機械設備應用機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用，但依然存在不足。主要表現(xiàn)為農(nóng)民缺少農(nóng)業(yè)機械知識，在使用過程中會遇到各種困難；大型農(nóng)機具價格貴、油費高等也限制了農(nóng)業(yè)機械推廣使用；我國地區(qū)差異導致農(nóng)業(yè)機械品種較多，阻礙農(nóng)業(yè)機械高質(zhì)量發(fā)展；我國依靠進口國外相對昂貴的設備，限制了機械設備的大面積推廣和使用；我國尚未健全農(nóng)機產(chǎn)業(yè)化服務體系，農(nóng)機服務尚未完整，限制了我國農(nóng)業(yè)機械機電一體化發(fā)展［5］。文章通過分析總結(jié)農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)主要特征、應用與發(fā)展，以期為我國農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)推廣應用與高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 機電一體化應用于農(nóng)業(yè)機械的主要特征

1.1 多功能性

機電一體化技術(shù)充分融合了多種技術(shù)，這使得機電一體化技術(shù)有著極為強大的功能，可用于操作強度高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中，將日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的諸多難題加以解決，可以滿足具有不同需求的廣大農(nóng)戶。在農(nóng)業(yè)機電一體化操作系統(tǒng)中，將多種農(nóng)業(yè)機械設施應用功能融入其中，根據(jù)生產(chǎn)所需對農(nóng)業(yè)機械設備進行科學的操作和分配，推進農(nóng)業(yè)機械高質(zhì)量運行，使農(nóng)業(yè)整體生產(chǎn)體系得到強化，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐［6］。

1.2 精準性

機電一體化技術(shù)具有強大的應用功能，其精密技術(shù)也得到了充分提升。這主要是機械一體化設備全面結(jié)合計算機、機電一體化以及傳感器，使得各種干擾因素被有效控制和減少，農(nóng)業(yè)機械設備精密度得到有效提高。另外，機電一體化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械時，結(jié)合安裝自我保護、自動監(jiān)控以及自動報警等系統(tǒng)，降低傷害事故的發(fā)生，使農(nóng)業(yè)機械化可靠性、安全性得到提升，可操作性能得到有效改良［7］。從總體來看，機電一體化通過全面結(jié)合計算機程序，提高了農(nóng)業(yè)機械設備緊密度，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械機電一體化智能化生產(chǎn)。

2 機電一體化技術(shù)優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)

2.1 優(yōu)化農(nóng)機維修過程

信息技術(shù)與電子技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)過程中，農(nóng)機故障的檢測和修理工作也隨之更加科學和簡便。大部分先進農(nóng)機出現(xiàn)故障時，相應計算機都能夠?qū)⒐收洗a顯示出來，有關(guān)人員快速判斷出故障產(chǎn)生原因以及位置，大大提高了農(nóng)機整體維修效率和維修質(zhì)量。此外，充分結(jié)合網(wǎng)絡技術(shù)以及電子信息技術(shù)，可以幫助有關(guān)人員借助網(wǎng)絡中的專家系統(tǒng)對疑難問題展開及時處理，同時還會生成維修農(nóng)業(yè)機械設施的記錄，為以后的同類型修理工作提供參考。

2.2 優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)層面來看，大部分農(nóng)業(yè)機械的整體結(jié)構(gòu)都較為復雜。在以往，對農(nóng)業(yè)機械動力傳遞以及功能設計需要應用大規(guī)模數(shù)據(jù)展開計算，為了農(nóng)業(yè)機械設備的各項功能，會應用較為繁復的架構(gòu)模式。機電一體化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械設備后，運用大量電控原件替代老舊的功能機械，全面優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械的整體結(jié)構(gòu)，增強農(nóng)業(yè)機械的整體功能。此外，先進的計算機技術(shù)與大量檢測裝置、傳感器的科學配合，有利于幫助有關(guān)人員及時采集農(nóng)業(yè)機械故障點，設計人員將這一系列配置視作優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械整體結(jié)構(gòu)功能的主要方向，更有針對性確保農(nóng)業(yè)機械性能的全面提升［8］。

2.3 實現(xiàn)農(nóng)機自動化駕駛

當前，先進的衛(wèi)星導航技術(shù)主要融合了視覺識別技術(shù)、控制技術(shù)以及信息技術(shù)等，農(nóng)業(yè)機械設備結(jié)合使用衛(wèi)星導航技術(shù)，可使農(nóng)業(yè)機械的定位更加精準、作業(yè)方案更加科學，同時有利于實時收集周邊的相關(guān)信息數(shù)據(jù)。特別是農(nóng)業(yè)機械設備在結(jié)合視覺識別技術(shù)以及傳感器技術(shù)后，農(nóng)業(yè)機械自動化操作、駕駛得以實現(xiàn)。全新的導航技術(shù)有著高精度的優(yōu)勢，將其應用在大面積的耕地活動當中，可形成高效的多類型農(nóng)業(yè)機械混合作業(yè)或者分組作業(yè)等新模式，方便有關(guān)部門日常管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率十分有利。

2.4 動態(tài)檢測農(nóng)業(yè)機械狀況

在電子信息技術(shù)全面發(fā)展新時期，農(nóng)機領(lǐng)域借助電子信息技術(shù)，農(nóng)機駕駛員可以及時查閱到有關(guān)資料，對農(nóng)機構(gòu)成、原理加以了解，全面掌握農(nóng)業(yè)設備自動化水平，提高農(nóng)機生產(chǎn)水準、效率。另外，借助電子信息技術(shù)，駕駛?cè)藛T可以整合有關(guān)數(shù)據(jù)，了解機械近期工作狀況、維修記錄等，最終實現(xiàn)動態(tài)檢測及掌握農(nóng)業(yè)機械工作狀況。

3 機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應用

3.1 虛擬技術(shù)的應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合了計算機圖形學、多媒體技術(shù)、圖像處理與模式識別、智能接口技術(shù)、傳感器技術(shù)。農(nóng)業(yè)機械中應用到的虛擬技術(shù)一般以用戶的實際設計要求為基礎(chǔ)，對三維立體世界加以構(gòu)建［9］。虛擬技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的外形設計、農(nóng)業(yè)機械的模擬裝配、產(chǎn)品仿真、農(nóng)產(chǎn)品性能檢測均得到充分應用。農(nóng)業(yè)機械設計中存在的各種缺陷在應用虛擬技術(shù)中得到解決，虛擬技術(shù)的應用還提升了農(nóng)業(yè)機械性能，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。

今后，虛擬技術(shù)將在大規(guī)模的農(nóng)田、果園、茶園生產(chǎn)與采摘中提供重要幫助，虛擬化技術(shù)的應用有助于提高農(nóng)田集約化生產(chǎn)經(jīng)營，助推智慧農(nóng)業(yè)快速發(fā)展［10,11］。

3.2 GPS技術(shù)的應用

農(nóng)業(yè)機械應用精準度較高的GPS技術(shù)，主要是利用GPS技術(shù)、超聲波技術(shù)、傳感器技術(shù)，并且對設計參數(shù)、三維坐標、農(nóng)業(yè)機械儀表顯示參數(shù)等進行精準反饋，將其顯示到相應計算機或者顯示器當中［12］。目前GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應用范圍較窄，一般應用于大型農(nóng)場當中，對農(nóng)業(yè)機械設施進行精準定位，了解農(nóng)業(yè)機械工作狀況，現(xiàn)場工作人員能在第一時間掌握異常和故障，提高了農(nóng)業(yè)機械工作效率和農(nóng)業(yè)機械穩(wěn)定性。

目前，我國一些地區(qū)有著較高的農(nóng)機機電一體化水準，這些地區(qū)也研制了先進的飛防系統(tǒng)，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中同時應用兩臺GPS接收機。在此過程中，接收機不僅可以檢查已知定位的實際坐標，查明其定位誤差，還能夠及時制定修正誤差值的方案，進而消除農(nóng)機生產(chǎn)誤差，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精度。

GPS技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械上的應用，突出表現(xiàn)在農(nóng)機運輸和農(nóng)機具導航、蟲害雜草災害監(jiān)測、播種施肥方面的應用，無人機駕駛拖拉機方面的應用，農(nóng)業(yè)機械跨區(qū)管理，例如斷油斷電或鎖定［13］。

3.3 計算機輔助設計技術(shù)的應用

計算機輔助設計技術(shù)集網(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)庫和計算機制圖于一身，借助計算機輔助設計技術(shù)設計農(nóng)業(yè)機械設施，對相關(guān)設計內(nèi)容展開全面優(yōu)化，并將最終設計結(jié)果直接輸出，使相應設計效率、質(zhì)量都有所提升，進而縮短研發(fā)周期，促使農(nóng)機空間的作用力學、動力學與運動學等結(jié)合，對物料運行軌跡展開模擬，在設計階段便可將立體三維模型構(gòu)建出來，最終優(yōu)化設計參數(shù)，使相應設計水準得到有效提升。

計算機輔助技術(shù)的三維參數(shù)化主要應用在農(nóng)業(yè)機械復雜曲面零件設計中，常見農(nóng)業(yè)設備有犁體曲面、旋耕機旋刀、水泵葉輪、螺旋輸送器等［14］。

3.4 計算機監(jiān)控技術(shù)的應用

以前，農(nóng)業(yè)機械設施駕駛員為確保農(nóng)機工作平穩(wěn)，時刻注意農(nóng)業(yè)機械設施工作狀態(tài)，以便及時對農(nóng)業(yè)機械異常狀況和問題等進行預判，這就需要駕駛員在監(jiān)控各種機械儀表時結(jié)合自身工作經(jīng)驗才能發(fā)現(xiàn)、解決問題［15］。將機電一體化技術(shù)應用到農(nóng)業(yè)機械動態(tài)監(jiān)測工作后，農(nóng)業(yè)監(jiān)測工作實現(xiàn)多樣化，農(nóng)業(yè)機械除了配備傳統(tǒng)機械儀表，其配備的先進液晶儀表對其機械工作狀況進行動態(tài)監(jiān)控，農(nóng)業(yè)機械設備駕駛?cè)藛T查看液晶儀表中各類信息數(shù)據(jù)，直觀了解和掌握農(nóng)業(yè)機械實際工作狀況，通過有關(guān)參數(shù)，第一時間對農(nóng)業(yè)機械工作狀況進行調(diào)整。

常見監(jiān)控技術(shù)用于農(nóng)業(yè)機械設備主要表現(xiàn)在，播種監(jiān)控儀表能夠顯示出報警功能、播種量、電源狀況以及播種面積等諸多信息。農(nóng)業(yè)機械設施安裝高清攝像頭設備，其能夠?qū)⑾鄳r(nóng)業(yè)機械關(guān)鍵位置的運行狀況及時反饋到顯示屏上，機械設備駕駛?cè)藛T可以在第一時間掌握其農(nóng)業(yè)機械工作狀態(tài)。

3.5 先進電子信息技術(shù)的應用

當今，農(nóng)業(yè)機械設備已經(jīng)充分融合了電子信息技術(shù)，先進的電子信息技術(shù)可以幫助農(nóng)機實現(xiàn)通信、監(jiān)管、診斷故障以及控制等，確保了農(nóng)機的操作符合標準，同時也減少了人為因素的影響，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的條件獲得良好改善。農(nóng)機設備充分結(jié)合先進信息技術(shù)突出表現(xiàn)在將獨立的微處理器電控單元配置在農(nóng)機設備當中，使其日常工作實現(xiàn)智能化、自動化。此外，在信息技術(shù)不斷提升過程中，農(nóng)機接口也實現(xiàn)了通用化，其中常用的聯(lián)合收割機、拖拉機等的接口實現(xiàn)了標準化。

3.6 其他機電一體化技術(shù)的應用

除了虛擬技術(shù)、GPS技術(shù)、計算機輔助設計技術(shù)、計算機監(jiān)控技術(shù)、電子信息技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械設計，有關(guān)農(nóng)業(yè)機械技術(shù)人員還利用CAD技術(shù)對其平面運動、空間多作用力以及農(nóng)業(yè)物料空間運動進行分析，對農(nóng)業(yè)物料運動軌跡加以確定，綜合設計聯(lián)合收獲機與構(gòu)建設計犁體數(shù)學模型。此外，采用CAD技術(shù)實現(xiàn)復雜農(nóng)業(yè)機械設計計算和工程分析以及自動化繪圖和交互式繪圖極為普遍［16］。

4 發(fā)展農(nóng)業(yè)機械機電一體化建議

機電一體化技術(shù)發(fā)展是無止境的，我國要加強發(fā)展農(nóng)業(yè)機械機電一體化，需要積極宣傳機電一體化技術(shù)的優(yōu)越性，加大資金及服務扶持力度，加強機電一體化技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域應用力度，使機電一體化應用系統(tǒng)在農(nóng)機領(lǐng)域趨于標準化模塊化［17］。

4.1 加強我國農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)研發(fā)資金、技術(shù)和政策扶持

越來越多農(nóng)民認識到先進的農(nóng)業(yè)機械設備給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來便利，有些農(nóng)民或一些農(nóng)業(yè)種植大戶購買了機電一體化農(nóng)機設備，因操作技能欠缺，導致設備閑置或者使用率不高；也因農(nóng)機設備價高，單一的農(nóng)戶或者種植戶無法承擔，需要貸款購買，這就需要地方政府部門適時統(tǒng)籌新型農(nóng)業(yè)機械設備在技術(shù)服務和資金上給予扶持和鼓勵。

同時，國家應推進必要的科研項目，研發(fā)短缺的先進農(nóng)業(yè)機械機電一體化產(chǎn)品，并促使其成果轉(zhuǎn)化，減少進口國外設備，特別是國外昂貴的先進設備，對我國發(fā)展農(nóng)業(yè)機械機電一體化具有重要推動意義。

4.2 因地制宜，發(fā)展農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)

我國地形多樣，西部以山地、高原和盆地為主，東部以平原和丘陵為主，各地區(qū)適用農(nóng)機設備各不同。山地農(nóng)機設備多以輕便的小型農(nóng)機為主；平原地區(qū)因為地勢平坦，農(nóng)作物成片種植，使用大型農(nóng)機設備為主；丘陵地區(qū)也有適用于它自己的農(nóng)機設備。因為地形的多樣性形成了我國農(nóng)機設備的多樣性，經(jīng)濟條件較好的地區(qū)，對農(nóng)業(yè)機械投入較高，農(nóng)業(yè)機械化水平發(fā)展較快；經(jīng)濟發(fā)展欠缺的西部，對農(nóng)業(yè)機械投入少，農(nóng)業(yè)機械化水平低，東西部農(nóng)業(yè)機械化水平差異大，這就要求國家在資金和政策上給與扶持，根據(jù)不同的區(qū)域研發(fā)、推廣、發(fā)展適用于本地區(qū)的農(nóng)業(yè)機電一體化設備［18］。

4.3 健全我國農(nóng)機產(chǎn)業(yè)化服務體系

健全我國農(nóng)機產(chǎn)業(yè)化服務體系，特別是基層農(nóng)業(yè)技術(shù)服務，在現(xiàn)有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務站設立農(nóng)業(yè)機械培訓室、農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品展示棚、農(nóng)業(yè)機械使用示范區(qū)、以及汽車標準化路考樁考等輔助設施等，落實農(nóng)業(yè)機械機電一體化培訓需要，切實提高農(nóng)民使用農(nóng)業(yè)機械設備工作質(zhì)量。健全的農(nóng)機產(chǎn)業(yè)化服務體系是我國發(fā)展農(nóng)業(yè)機電一體化基礎(chǔ)條件［19，20］。

5 結(jié)論

機電一體化技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)機械設備具有多功能性、精準性等特征，它優(yōu)化農(nóng)機維修過程，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)農(nóng)機自動化駕駛，動態(tài)檢測農(nóng)業(yè)機械狀況。當前，虛擬技術(shù)、GPS技術(shù)、計算機輔助設計技術(shù)等廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械設備生產(chǎn)。隨著當今科學技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械機電一體化技術(shù)取得了長足的進步，結(jié)合我國自身實際情況，對我國農(nóng)業(yè)機械機電一體化發(fā)展中出現(xiàn)的問題落實改進措施，才能推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著全程自動化、機械化方向發(fā)展，推進農(nóng)機設施為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮更大的作用。