鄭州商業(yè)技師學(xué)院 魏素俊

前言

隨著農(nóng)業(yè)科技的快速發(fā)展，越來(lái)越多的農(nóng)民開(kāi)始在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用機(jī)電一體化系統(tǒng)來(lái)提升經(jīng)濟(jì)效益。本文圍繞在農(nóng)業(yè)機(jī)械中合理應(yīng)用機(jī)電一體化獲得經(jīng)濟(jì)效益展開(kāi)討論旨在。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)概述

機(jī)電一體化是將電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)融合多種功能和項(xiàng)目，包括計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和傳感技術(shù)等。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用機(jī)電一體化系統(tǒng)可以有效提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化作業(yè)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要包括運(yùn)動(dòng)組成要素、結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、感知組成要素和智能組成要素[1]。

1.2 強(qiáng)大的系統(tǒng)功能

機(jī)電一體化技術(shù)是多種技術(shù)的結(jié)合，因此具有強(qiáng)大的系統(tǒng)功能性。將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械工程可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化作業(yè)，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能性，提升作業(yè)效率，滿足農(nóng)業(yè)工作的各項(xiàng)需求。其中機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)和軟件編程技術(shù)等能夠提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的穩(wěn)定性和安全性。

1.3 人工智能化

機(jī)電一體化技術(shù)結(jié)合了新型技術(shù)，比如微電子控制技術(shù)等。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)備的自我檢查和自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，還可以通過(guò)基本的智能技術(shù)來(lái)代替人力操作，更好地體現(xiàn)了機(jī)電一體化系統(tǒng)的人性化和人工智能化。

1.4 高性能與高穩(wěn)定性

機(jī)電一體化技術(shù)擁有較高的穩(wěn)定性，除基本智能技術(shù)還包括自動(dòng)安全系統(tǒng)。具有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)監(jiān)控等功能，這類功能可以有效保護(hù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備和操作人員安全，減少機(jī)械故障，使農(nóng)業(yè)機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外，機(jī)電一體化系統(tǒng)還具有高效率性，操作人員可以在操作面板控制農(nóng)業(yè)機(jī)械，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作工作更加便捷，有效提高農(nóng)業(yè)作業(yè)效率。

2 機(jī)電一體化在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的具體應(yīng)用策略

2.1 應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)屬于機(jī)電一體化技術(shù)的一種。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)制圖、數(shù)據(jù)資料庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)通信等功能的融合，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮綜合性技術(shù)作用。除此之外，還可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像來(lái)建立農(nóng)業(yè)機(jī)械三維數(shù)據(jù)模型，農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型圖如圖1所示。對(duì)于拖拉機(jī)、插秧機(jī)等大型農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，想要制造真正的機(jī)械產(chǎn)品來(lái)測(cè)試機(jī)械性能，會(huì)因?yàn)楦鞣N不確定因素花費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間和成本。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，以農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)空間作用力、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模擬農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行軌跡，完全按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求構(gòu)建農(nóng)業(yè)機(jī)械仿真三維模型并對(duì)模型結(jié)構(gòu)及其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，避免因?yàn)橹圃煺鎸?shí)機(jī)械產(chǎn)生大量的試錯(cuò)成本。利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供性能優(yōu)越的農(nóng)業(yè)機(jī)械，還可以有效縮短設(shè)計(jì)及研發(fā)周期。需要注意的是，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)人員的專業(yè)水平要求較高，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員必須充分掌握機(jī)電一體化知識(shí)和三維設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)。有關(guān)院校需要重視計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)學(xué)科的建設(shè)，加強(qiáng)機(jī)電一體化相關(guān)知識(shí)的教育力度[2]。

圖1 農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型圖

2.2 應(yīng)用衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)即GPS系統(tǒng)技術(shù)，其工作原理就是利用傳感技術(shù)、GPS差分技術(shù)和超聲波技術(shù)將農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、儀表顯示數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)等各項(xiàng)參數(shù)反饋給計(jì)算機(jī)?？梢栽谵r(nóng)業(yè)機(jī)械中布置GPS終端，來(lái)實(shí)時(shí)展現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械位置，從而利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)。作為機(jī)電一體化系統(tǒng)中的新型應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)還未得到廣泛應(yīng)用，目前來(lái)看，多應(yīng)用于一些大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)中的農(nóng)業(yè)機(jī)械混合控制。主要的應(yīng)用功能包括利用導(dǎo)航監(jiān)測(cè)指導(dǎo)農(nóng)機(jī)駕駛員的駕駛路線和駕駛方法，比如，在進(jìn)行機(jī)械化整地作業(yè)時(shí)，衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的行駛是否偏離航線，駕駛速度是否出現(xiàn)異常等問(wèn)題，讓駕駛員及時(shí)調(diào)整駕駛方案，防止出現(xiàn)整地質(zhì)量不佳或漏耕等問(wèn)題。第二項(xiàng)功能則是利用導(dǎo)航指導(dǎo)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化駕駛和作業(yè)，為自動(dòng)行駛提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)和位置，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的無(wú)人化作業(yè)。還可以利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械故障，并進(jìn)行故障的預(yù)測(cè)和判斷，以便做好故障預(yù)防和控制工作，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械故障產(chǎn)生的不良影響，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械的安全性和穩(wěn)定性，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行性能，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。以某農(nóng)場(chǎng)為例，該農(nóng)場(chǎng)利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行甜菜的覆蓋及播種作業(yè)，引入先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，建立了參考站負(fù)責(zé)接收定位衛(wèi)星信號(hào)，獲得誤差校正參數(shù)，再利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸校正數(shù)據(jù)，提升車載衛(wèi)星定位組件定位精度。接著，安裝了汽車衛(wèi)星定位組件，將高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)衛(wèi)星定位信號(hào)來(lái)定位農(nóng)機(jī)的當(dāng)前位置，通過(guò)校正數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜坡度領(lǐng)域的精準(zhǔn)定位。安裝決策支持組件作為自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)的控制中心，不但可以手動(dòng)設(shè)置規(guī)劃農(nóng)業(yè)機(jī)械行駛路線，還可以接收車載衛(wèi)星定位組件提供的位置和速度信息。根據(jù)規(guī)劃路線自動(dòng)計(jì)算航行路線并輸出合理的轉(zhuǎn)向方法，發(fā)布指令來(lái)控制自動(dòng)控制組件。安裝執(zhí)行組件并通過(guò)接收決策支持組件的指令控制車輛轉(zhuǎn)向，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化控制。在播種時(shí)，農(nóng)機(jī)駕駛員只需要踩下油門就能夠控制車輛的行駛速度，車輛到達(dá)定位之后可以掉頭并由飛行員NX100系統(tǒng)執(zhí)行中型轉(zhuǎn)向，大大減少了農(nóng)機(jī)駕駛員的工作壓力，農(nóng)機(jī)駕駛員可以更好地觀察農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作狀況，有效提升野外農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量[3]。

2.3 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality,VR），是一種通過(guò)立體三維空間清楚反映事物的本質(zhì)和變化規(guī)律的現(xiàn)代化智能技術(shù)。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，主要通過(guò)多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)制圖技術(shù)及圖片識(shí)別技術(shù)和傳感技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)支持，按照用戶的實(shí)際需求構(gòu)建三維立體場(chǎng)景。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將虛擬數(shù)據(jù)和三維模型或二維圖像根據(jù)生產(chǎn)需求利用多媒體呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)景象。將該技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)態(tài)建模，進(jìn)一步構(gòu)建立體的農(nóng)業(yè)機(jī)械三維模型。通過(guò)該模型，可以為用戶呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械外形及其實(shí)體結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)末虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已傳入我國(guó)并在各個(gè)行業(yè)及領(lǐng)域取得了重大發(fā)展。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的虛擬動(dòng)植物、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬溫室、虛擬農(nóng)場(chǎng)等相關(guān)應(yīng)用也取得了較大的進(jìn)展。2000年發(fā)表的“仿真技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用”一文詳細(xì)介紹了常用的虛擬現(xiàn)實(shí)分析軟件，并給出了三維實(shí)體造型方法，通過(guò)軟件對(duì)三維模型進(jìn)行仿真分析，這是國(guó)內(nèi)較早將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。近年來(lái)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用的是由美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)的ADAMS軟件，該軟件可以建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，主要應(yīng)用成果有“虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其在小型甘蔗收割機(jī)輸送模塊設(shè)計(jì)和仿真中的應(yīng)用”“基于ADAMS的聯(lián)合收割機(jī)振動(dòng)篩虛擬設(shè)計(jì)”等。其他的農(nóng)機(jī)虛擬設(shè)計(jì)方法有：利用solid works實(shí)現(xiàn)虛擬農(nóng)機(jī)建模、分析、仿真流程，如“虛擬樣機(jī)技術(shù)在小型農(nóng)用裝載機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”；利用ANSYS建立有限元分析模型，如“甘蔗收獲機(jī)械排刷式剝?nèi)~元件虛擬實(shí)驗(yàn)分析”；基于I-DEAS軟件的虛擬樣機(jī)仿真設(shè)計(jì)，如“小型甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)虛擬樣機(jī)的仿真”等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)屬于集成技術(shù)，利用該技術(shù)可以模擬構(gòu)建虛擬三維空間和三維場(chǎng)景，設(shè)計(jì)師可以將真正的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景和農(nóng)業(yè)作業(yè)情況輸入虛擬三維場(chǎng)景中，利用該技術(shù)準(zhǔn)確構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)模型。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能夠?qū)?shí)際作業(yè)過(guò)程中的天氣、環(huán)境、聲音等多種條件導(dǎo)入虛擬空間，以模擬真實(shí)的作業(yè)場(chǎng)景，提升農(nóng)機(jī)操作人員的操作熟練度。利用該技術(shù)可以向操作人員傳輸緊急情況的應(yīng)對(duì)技巧，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械故障造成的不良影響，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，可以通過(guò)構(gòu)建虛擬農(nóng)場(chǎng)，進(jìn)行虛擬生產(chǎn)及虛擬漫游，用戶可以方便快捷地了解到整體的生產(chǎn)布局，隨時(shí)查詢農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)。在進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用時(shí)，可以按照農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，選擇局域網(wǎng)下的PentiumIV，主頻1.6G的計(jì)算機(jī)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開(kāi)發(fā)硬件。此外，還可以選擇OpenGVS近景驅(qū)動(dòng)軟件管理農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程[4]。

2.4 應(yīng)用監(jiān)控技術(shù)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械工程中應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)電一體化監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人力解放。農(nóng)業(yè)監(jiān)控時(shí)，主要從技術(shù)和安全兩個(gè)方面出發(fā)，可以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和機(jī)械操作安全。操作人員可以通過(guò)控制面板操控農(nóng)業(yè)機(jī)械，進(jìn)行農(nóng)業(yè)收割作業(yè)。在使用農(nóng)業(yè)機(jī)械之前，需要做好機(jī)械檢測(cè)工作，受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，檢測(cè)效率較為低下。為保證農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)時(shí)能夠收集到完整且準(zhǔn)確的參數(shù)和數(shù)據(jù)，可在機(jī)電一體化的基礎(chǔ)上應(yīng)用監(jiān)控技術(shù)，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械的正常作業(yè)。包括傳感器儀表及數(shù)據(jù)監(jiān)控等，通過(guò)收集相關(guān)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。操控人員可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，確定農(nóng)業(yè)機(jī)械是否處于正常工作狀態(tài)，對(duì)于農(nóng)機(jī)故障進(jìn)行提前預(yù)警并及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化和機(jī)械化生產(chǎn)。比如，在播種機(jī)上安裝監(jiān)控儀表，對(duì)播種數(shù)量和播種面積進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)檢測(cè)播種狀態(tài)。除此之外，機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用，使得更多農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝監(jiān)控?cái)z像頭來(lái)監(jiān)控機(jī)械的關(guān)鍵工作部位，實(shí)時(shí)掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。某農(nóng)業(yè)科技有限公司擁有自建葡萄園五處，總占地面積500多畝，由于種植面積大，管理起來(lái)也有一定的困難。該農(nóng)業(yè)科技公司于2013年正式在各大園區(qū)投入使用“智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)”，利用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)對(duì)葡萄園進(jìn)行智能化管理。技術(shù)人員可以用手機(jī)或電腦登錄“智能種植監(jiān)控系統(tǒng)”，對(duì)分散的五個(gè)葡萄園區(qū)實(shí)施系統(tǒng)化管理，有效減少管理成本。如果出現(xiàn)異常情況，該監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)將情報(bào)發(fā)送到管理員的手機(jī)上，同時(shí)開(kāi)啟遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控開(kāi)關(guān)，管理員可以在手機(jī)上控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如果監(jiān)測(cè)到溫度接近35℃，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)啟噴霧降溫避免曬傷葡萄果實(shí)。這一智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在保證葡萄良好生長(zhǎng)環(huán)境的同時(shí)，也為該農(nóng)業(yè)科技公司節(jié)省了30%的人力成本和水肥成本[5]。

2.5 應(yīng)用CAD設(shè)計(jì)技術(shù)

目前，我國(guó)的機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的CAD設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括圖形變換技術(shù)、曲面造型技術(shù)、實(shí)體造型技術(shù)和交互技術(shù)。應(yīng)用CAD技術(shù)可以設(shè)置拖拉機(jī)的液壓懸掛裝置結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行設(shè)置時(shí)，必須保證連桿位置達(dá)到國(guó)家規(guī)定的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，保證牽引裝置與各類農(nóng)機(jī)接口能夠發(fā)揮良好的互換性。除此之外，還需保證裝置的強(qiáng)大牽引力，充分發(fā)揮農(nóng)機(jī)的入土功能。相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要將液壓懸掛裝置的擺動(dòng)幅度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，對(duì)限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。為保證安全經(jīng)濟(jì)節(jié)能效果，拖拉機(jī)所用的液壓懸掛裝置要設(shè)計(jì)上下懸掛裝置，嚴(yán)格控制拖拉機(jī)，保證裝置可以展現(xiàn)出良好的動(dòng)力輸出效率。通過(guò)簡(jiǎn)單的三位四通電磁換向閥構(gòu)成液壓油路控制小油缸，依托小油缸活塞桿與主控制閥固定連接及移動(dòng)對(duì)位置進(jìn)行控制，合理控制農(nóng)機(jī)具的提升、中立等過(guò)程。相關(guān)的設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行水平距離分析，采用CAD技術(shù)構(gòu)建模型圖，開(kāi)展三維建模分析。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，要按照結(jié)構(gòu)剛度矩陣方法實(shí)施組集分集及處理，尤其在實(shí)施邊界條件處理時(shí)，要對(duì)機(jī)架和接頭部位開(kāi)展針對(duì)性分析，保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品不存在缺陷。

3 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)可以有效提升農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，解放勞動(dòng)力，減少農(nóng)業(yè)企業(yè)的成本投入。為保證機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用效果，企業(yè)需要遵循節(jié)能減排的要求，提升自動(dòng)化水平，在實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提下推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。