機電一體化技術在農業機械中的應用探析

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，由機械技術與計算機技術、微電子技術、信息技術、液壓技術、自動控制技術以及其他技術融合的一門獨立交叉學科。

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

機電一體化技術應用于農業生產活動，推進農業向智能化、機械化方向發展，提高了農產品質量與作業效率。農業機械設備應用機電一體化技術在農業生產中具有重要作用，但依然存在不足。主要表現為農民缺少農業機械知識，在使用過程中會遇到各種困難；大型農機具價格貴、油費高等也限制了農業機械推廣使用；我國地區差異導致農業機械品種較多，阻礙農業機械高質量發展；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；我國尚未健全農機產業化服務體系，農機服務尚未完整，限制了我國農業機械機電一體化發展［5］。文章通過分析總結農業機械機電一體化技術主要特征、應用與發展，以期為我國農業機械機電一體化技術推廣應用與高質量發展提供參考。

1 機電一體化應用于農業機械的主要特征

1.1 多功能性

機電一體化技術充分融合了多種技術，這使得機電一體化技術有著極為強大的功能，可用于操作強度高的農業生產當中，將日常農業生產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戶。在農業機電一體化操作系統中，將多種農業機械設施應用功能融入其中，根據生產所需對農業機械設備進行科學的操作和分配，推進農業機械高質量運行，使農業整體生產體系得到強化，為我國農業生產提供技術支撐［6］。

1.2 精準性

機電一體化技術具有強大的應用功能，其精密技術也得到了充分提升。這主要是機械一體化設備全面結合計算機、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，農業機械設備精密度得到有效提高。另外，機電一體化技術應用于農業機械時，結合安裝自我保護、自動監控以及自動報警等系統，降低傷害事故的發生，使農業機械化可靠性、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合計算機程序，提高了農業機械設備緊密度，實現農業機械機電一體化智能化生產。

2 機電一體化技術優化農業機械生產

2.1 優化農機維修過程

信息技術與電子技術應用于農業機械生產過程中，農機故障的檢測和修理工作也隨之更加科學和簡便。大部分先進農機出現故障時，相應計算機都能夠將故障代碼顯示出來，有關人員快速判斷出故障產生原因以及位置，大大提高了農機整體維修效率和維修質量。此外，充分結合網絡技術以及電子信息技術，可以幫助有關人員借助網絡中的專家系統對疑難問題展開及時處理，同時還會生成維修農業機械設施的記錄，為以后的同類型修理工作提供參考。

2.2 優化農業機械結構

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

2.3 實現農機自動化駕駛

當前，先進的衛星導航技術主要融合了視覺識別技術、控制技術以及信息技術等，農業機械設備結合使用衛星導航技術，可使農業機械的定位更加精準、作業方案更加科學，同時有利于實時收集周邊的相關信息數據。特別是農業機械設備在結合視覺識別技術以及傳感器技術后，農業機械自動化操作、駕駛得以實現。全新的導航技術有著高精度的優勢，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業機械混合作業或者分組作業等新模式，方便有關部門日常管理農業生產工作，對提高農業生產效率十分有利。

2.4 動態檢測農業機械狀況

在電子信息技術全面發展新時期，農機領域借助電子信息技術，農機駕駛員可以及時查閱到有關資料，對農機構成、原理加以了解，全面掌握農業設備自動化水平，提高農機生產水準、效率。另外，借助電子信息技術，駕駛人員可以整合有關數據，了解機械近期工作狀況、維修記錄等，最終實現動態檢測及掌握農業機械工作狀況。

3 機電一體化技術在農業機械中的應用

3.1 虛擬技術的應用

虛擬現實技術綜合了計算機圖形學、多媒體技術、圖像處理與模式識別、智能接口技術、傳感器技術。農業機械中應用到的虛擬技術一般以用戶的實際設計要求為基礎，對三維立體世界加以構建［9］。虛擬技術在農業機械產品的外形設計、農業機械的模擬裝配、產品仿真、農產品性能檢測均得到充分應用。農業機械設計中存在的各種缺陷在應用虛擬技術中得到解決，虛擬技術的應用還提升了農業機械性能，提高農業產值。

今后，虛擬技術將在大規模的農田、果園、茶園生產與采摘中提供重要幫助，虛擬化技術的應用有助于提高農田集約化生產經營，助推智慧農業快速發展［10,11］。

3.2 GPS技術的應用

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

目前，我國一些地區有著較高的農機機電一體化水準，這些地區也研制了先進的飛防系統，其在農業生產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，進而消除農機生產誤差，提升農業生產的精度。

GPS技術在農業機械上的應用，突出表現在農機運輸和農機具導航、蟲害雜草災害監測、播種施肥方面的應用，無人機駕駛拖拉機方面的應用，農業機械跨區管理，例如斷油斷電或鎖定［13］。

3.3 計算機輔助設計技術的應用

計算機輔助設計技術集網絡通訊、數據庫和計算機制圖于一身，借助計算機輔助設計技術設計農業機械設施，對相關設計內容展開全面優化，并將最終設計結果直接輸出，使相應設計效率、質量都有所提升，進而縮短研發周期，促使農機空間的作用力學、動力學與運動學等結合，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建出來，最終優化設計參數，使相應設計水準得到有效提升。

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

3.4 計算機監控技術的應用

以前，農業機械設施駕駛員為確保農機工作平穩，時刻注意農業機械設施工作狀態，以便及時對農業機械異常狀況和問題等進行預判，這就需要駕駛員在監控各種機械儀表時結合自身工作經驗才能發現、解決問題［15］。將機電一體化技術應用到農業機械動態監測工作后，農業監測工作實現多樣化，農業機械除了配備傳統機械儀表，其配備的先進液晶儀表對其機械工作狀況進行動態監控，農業機械設備駕駛人員查看液晶儀表中各類信息數據，直觀了解和掌握農業機械實際工作狀況，通過有關參數，第一時間對農業機械工作狀況進行調整。

常見監控技術用于農業機械設備主要表現在，播種監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。農業機械設施安裝高清攝像頭設備，其能夠將相應農業機械關鍵位置的運行狀況及時反饋到顯示屏上，機械設備駕駛人員可以在第一時間掌握其農業機械工作狀態。

3.5 先進電子信息技術的應用

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

3.6 其他機電一體化技術的應用

除了虛擬技術、GPS技術、計算機輔助設計技術、計算機監控技術、電子信息技術應用于農業機械設計，有關農業機械技術人員還利用CAD技術對其平面運動、空間多作用力以及農業物料空間運動進行分析，對農業物料運動軌跡加以確定，綜合設計聯合收獲機與構建設計犁體數學模型。此外，采用CAD技術實現復雜農業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 發展農業機械機電一體化建議

機電一體化技術發展是無止境的，我國要加強發展農業機械機電一體化，需要積極宣傳機電一體化技術的優越性，加大資金及服務扶持力度，加強機電一體化技術在我國農業機械領域應用力度，使機電一體化應用系統在農機領域趨于標準化模塊化［17］。

4.1 加強我國農業機械機電一體化技術研發資金、技術和政策扶持

越來越多農民認識到先進的農業機械設備給農業生產帶來便利，有些農民或一些農業種植大戶購買了機電一體化農機設備，因操作技能欠缺，導致設備閑置或者使用率不高；也因農機設備價高，單一的農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籌新型農業機械設備在技術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，研發短缺的先進農業機械機電一體化產品，并促使其成果轉化，減少進口國外設備，特別是國外昂貴的先進設備，對我國發展農業機械機電一體化具有重要推動意義。

4.2 因地制宜，發展農業機械機電一體化技術

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，各地區適用農機設備各不同。山地農機設備多以輕便的小型農機為主；平原地區因為地勢平坦，農作物成片種植，使用大型農機設備為主；丘陵地區也有適用于它自己的農機設備。因為地形的多樣性形成了我國農機設備的多樣性，經濟條件較好的地區，對農業機械投入較高，農業機械化水平發展較快；經濟發展欠缺的西部，對農業機械投入少，農業機械化水平低，東西部農業機械化水平差異大，這就要求國家在資金和政策上給與扶持，根據不同的區域研發、推廣、發展適用于本地區的農業機電一體化設備［18］。

4.3 健全我國農機產業化服務體系

健全我國農機產業化服務體系，特別是基層農業技術服務，在現有的鄉鎮農業服務站設立農業機械培訓室、農業機械產品展示棚、農業機械使用示范區、以及汽車標準化路考樁考等輔助設施等，落實農業機械機電一體化培訓需要，切實提高農民使用農業機械設備工作質量。健全的農機產業化服務體系是我國發展農業機電一體化基礎條件［19，20］。

5 結論

機電一體化技術應用于農業機械設備具有多功能性、精準性等特征，它優化農機維修過程，優化農業機械結構，實現農機自動化駕駛，動態檢測農業機械狀況。當前，虛擬技術、GPS技術、計算機輔助設計技術等廣泛應用于農業機械設備生產。隨著當今科學技術的發展，農業機械機電一體化技術取得了長足的進步，結合我國自身實際情況，對我國農業機械機電一體化發展中出現的問題落實改進措施，才能推動我國農業生產向著全程自動化、機械化方向發展，推進農機設施為我國農業生產發揮更大的作用。