機電一體化在農業(yè)機械設計制造中的應用研究

馬子奕

（唐山工業(yè)職業(yè)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(tǒng)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(fā)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(xiàn)。我國在20世紀80年代初開始了機電一體化的研究，相對發(fā)達國家起步較晚，雖然技術的發(fā)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(yè)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(yè)機械設計制造中，從而在根源上解決能源消耗等農業(yè)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(yōu)勢，有助于將微電子控制技術推廣到各行各業(yè)，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(yè)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(yè)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(tǒng)損傷，并有效提升農業(yè)生產質量和效率，從而為農業(yè)機械化發(fā)展提供技術支持。

2 農業(yè)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(yè)機械設計制造的首要原則。在不斷推進農業(yè)機械化發(fā)展的大背景下，農機故障問題不僅會直接影響農業(yè)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(tǒng)對農機狀態(tài)進行實時監(jiān)控，一旦在使用過程中突發(fā)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(xiàn)故障的可能性，而且能有效避免因機械故障而出現(xiàn)的安全事故，從而有效提升農業(yè)機械的安全性和可靠性。此外，基于機電一體化技術的農業(yè)機械[1-3]，能利用其聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析能力，將可能出現(xiàn)的農機故障進行數(shù)據(jù)匯總，從而找出故障風險最高的環(huán)節(jié)，并不斷完善農業(yè)機械的防護系統(tǒng)，在有效提升農業(yè)生產效率的同時保障農機的安全性，以落實農業(yè)機械化生產、安全生產的首要任務。

2.2 可操作性

傳統(tǒng)農業(yè)機械的內部結構比較復雜，很多部件系統(tǒng)并沒有得出最優(yōu)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(yè)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(yè)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(huán)境。同時，數(shù)控、遠程控制等技術在機電一體化領域的應用，使得農業(yè)機械具備了智能化、自動化的發(fā)展前景，而智能化、自動化的農業(yè)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(yè)機械的操作難度，進而降低農業(yè)機械化生產中的人力成本。隨著信息技術在農業(yè)領域的普及和發(fā)展，依托于機電一體化的農業(yè)數(shù)據(jù)鏈使農業(yè)機械化生產具備了更強的適應性[4-5]，農業(yè)機械能通過在不同環(huán)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(yè)機械化的生產管理，還對農業(yè)機械的推廣和應用具有重要的現(xiàn)實意義。

2.3 產能

機電一體化技術應用于農業(yè)機械的設計制造，能夠有效解決傳統(tǒng)農業(yè)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(yè)作業(yè)，從而在提升農業(yè)機械應用價值的同時有效提高農業(yè)產能。農業(yè)產業(yè)的信息化發(fā)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(yè)機械在生產過程中采集農業(yè)生產的數(shù)據(jù)信息，從而為提高農業(yè)作業(yè)的精確度和機械系統(tǒng)的靈活性提供數(shù)據(jù)參考。同時，利用機電一體化技術設計和制造出的農業(yè)機械，能夠克服傳統(tǒng)農業(yè)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(yè)生產工作，避免因經(jīng)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(yè)生產[6-7]，有效提高農業(yè)產能。

3 農業(yè)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(yè)機械提供電力，其優(yōu)勢在于：首先，擁有良好的牽引性能，能合理利用系統(tǒng)的調壓和調頻特性，實現(xiàn)寬范圍的平滑調速，讓農業(yè)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(jié)電網(wǎng)輸入電流的相位，讓農業(yè)機械的功率因數(shù)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(yè)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(yè)機械系統(tǒng)擁有更高的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能，讓農業(yè)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(tǒng)（CIMS）是計算機輔助系統(tǒng)高度發(fā)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(guī)劃、輔助測試、輔助質量控制等系統(tǒng)，使系統(tǒng)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(yè)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(fā)揮信息技術的性能優(yōu)勢轉變傳統(tǒng)的農業(yè)機械設計制造和生產模式，從而推動農業(yè)現(xiàn)代化、信息化發(fā)展。

3.3 現(xiàn)場總控技術

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

4 農業(yè)機械設計制造中機電一體化技術的具體應用

4.1 衛(wèi)星導航技術

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

4.2 計算機輔助技術

機電一體化是農業(yè)機械設計制造未來發(fā)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(yè)機械設計制造中具有得天獨厚的技術優(yōu)勢。在計算機輔助技術的支持下，工作人員可以根據(jù)農業(yè)實際生產活動中所采集的數(shù)據(jù)，掌握農業(yè)機械數(shù)據(jù)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(wǎng)絡通信等技術，對原有的工作和生產模式進行整改和優(yōu)化。相比傳統(tǒng)的農業(yè)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(fā)揮空間下進行創(chuàng)新設計，縮短農業(yè)機械設計理念的更新周期。此外，通過三維圖形系統(tǒng)進行建模來模擬實際的使用過程，能從設計階段規(guī)避農業(yè)機械在使用過程中可能出現(xiàn)的問題，從而為農業(yè)機械化提供更精準、便捷的工具。

4.3 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)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(xiàn)實技術在農業(yè)機械設計制造中有重要的應用價值，在機械系統(tǒng)的研發(fā)環(huán)節(jié)，充分利用虛擬現(xiàn)實技術進行虛擬建模，能讓農業(yè)機械在生產出來之前就在擬真的環(huán)境中進行模擬，確保獲取較為可信的性能、操作等方面的數(shù)據(jù)。同時，還能做好農業(yè)機械應用過程中如極端天氣等突發(fā)狀況的模擬工作，在檢驗農業(yè)機械的抗干擾和承壓能力的同時，幫助農業(yè)機械操作人員提高實踐水平，鍛煉應對突發(fā)狀況的經(jīng)驗，從而為后續(xù)安全生產起到保障作用。

4.4 監(jiān)控技術

監(jiān)控技術要求通過技術和安全層面的監(jiān)督和檢查，提升整個農業(yè)機械生產流程的效率和安全性。在傳統(tǒng)的農業(yè)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(yè)機械在運行過程中能達到各項數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)進行自動監(jiān)控，一旦出現(xiàn)偏差會通過警報的方式通知操作人員，降低農業(yè)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(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控農業(yè)機械的工作過程，對農業(yè)現(xiàn)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(yè)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(xiàn)農業(yè)機械制造和農業(yè)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(fā)揮作用的基礎，還會對農業(yè)機械的功能設計、監(jiān)聽診斷、實時反饋、信息管理、系統(tǒng)調配等產生決定性的影響?？梢姡e極推動電子信息技術在農業(yè)機械設計制造的應用，不僅能有效提升農業(yè)機械的性能水平，還能對農業(yè)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(yè)機械設計制造的必然發(fā)展趨勢。

5 結語

綜上所述，對于農業(yè)機械設計制造而言，以交流傳動技術、集成制造技術、現(xiàn)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(yōu)勢，能突破傳統(tǒng)農業(yè)機械設計制造面臨的瓶頸。因此，在農業(yè)機械設計制造中應充分利用衛(wèi)星導航、計算機輔助、虛擬現(xiàn)實、系統(tǒng)監(jiān)控和電子信息技術，從設計的角度出發(fā)提升我國農業(yè)機械產品的工作效率，推動農業(yè)機械化、集群化發(fā)展。