机电一体化在农业机械设计制造中的应用研究

马子奕

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

1 机电一体化技术概述

机电一体化是机械工程与自动化学科的分支，其将电工电子、微电子、传感器、信号变换、伺服系统等多种技术有机结合，是计算机技术高度成熟下机械电子工程的重要发展方向。机电一体化的概念最早于1971年，在日本《机械设计》杂志上首次出现。我国在20世纪80年代初开始了机电一体化的研究，相对发达国家起步较晚，虽然技术的发展速度较快，但仍面临着微电子技术改造量过大、市场占有率压力大等问题。同时由于研究时间有限，许多机电一体化设备需要从国外进口，在多个领域都存在着被“卡脖子”的风险。就农业机械的设计制造而言，由于机电一体化本身就是多学科融合的产物，对于人工智能技术的探索，使其能将信息转换、软件编程等技术充分应用于农业机械设计制造中，从而在根源上解决能源消耗等农业机械的痼疾。与此同时，人工智能技术的应用，使得机电一体化技术在微电子控制上有着突出的优势，有助于将微电子控制技术推广到各行各业，应用了机电一体化技术的机械设备，能够通过自我检修机制来调整自身的机械故障，不仅为维修人员提供了便利，也让基于机电一体化技术的农业机械维护成本大幅下降。此外，将机电一体化技术所带来的工作流程与操作手段应用到农业机械生产过程中，将会明显减少因磨损等问题而造成的系统损伤，并有效提升农业生产质量和效率，从而为农业机械化发展提供技术支持。

2 农业机械设计制造中机电一体化技术的应用价值

2.1 安全性

安全生产是农业机械设计制造的首要原则。在不断推进农业机械化发展的大背景下，农机故障问题不仅会直接影响农业生产效率，还会对农机操作人员的生命安全造成威胁。而机电一体化技术对于自动化技术的应用，使其能利用自动诊断和警报系统对农机状态进行实时监控，一旦在使用过程中突发故障，农机会通过自动警报的方式提醒操作人员及时关闭农机并进行检修，不仅能有效减少在生产过程中出现故障的可能性，而且能有效避免因机械故障而出现的安全事故，从而有效提升农业机械的安全性和可靠性。此外，基于机电一体化技术的农业机械[1-3]，能利用其联网系统和数据分析能力，将可能出现的农机故障进行数据汇总，从而找出故障风险最高的环节，并不断完善农业机械的防护系统，在有效提升农业生产效率的同时保障农机的安全性，以落实农业机械化生产、安全生产的首要任务。

2.2 可操作性

传统农业机械的内部结构比较复杂，很多部件系统并没有得出最优化的设计结果，给农机操作者的操作实践带来了诸多不便。而利用机电一体化进行农业机械的设计制造，可以精简很多不必要的内部结构设计，最大限度地简化农业机械内部结构，能够满足农机操作者精准、简练的操作需求，改善操作者的工作环境。同时，数控、远程控制等技术在机电一体化领域的应用，使得农业机械具备了智能化、自动化的发展前景，而智能化、自动化的农业机械不再要求操作者熟练掌握农机的操作技巧，只需要通过人机交互界面就能完成原本的精细操作，能大幅降低农业机械的操作难度，进而降低农业机械化生产中的人力成本。随着信息技术在农业领域的普及和发展，依托于机电一体化的农业数据链使农业机械化生产具备了更强的适应性[4-5]，农业机械能通过在不同环境下所作出的反应和调整，来增强自身的操作灵活度，不仅有助于农业机械化的生产管理，还对农业机械的推广和应用具有重要的现实意义。

2.3 产能

机电一体化技术应用于农业机械的设计制造，能够有效解决传统农业机械缺乏信息采集能力、机械控制精度低等问题，使操作者能用更科学、更精细、更高效的模式开展农业作业，从而在提升农业机械应用价值的同时有效提高农业产能。农业产业的信息化发展高度依赖生产过程中收集的有关信息，而利用电子信息采集和自动化控制技术，能让农业机械在生产过程中采集农业生产的数据信息，从而为提高农业作业的精确度和机械系统的灵活性提供数据参考。同时，利用机电一体化技术设计和制造出的农业机械，能够克服传统农业机械在精确性上存在的弊端，使操作者能用更精细的方式完成农业生产工作，避免因经验、技术等不足导致的人工失误，从而在控制人为因素的前提下保持最高效的农业生产[6-7]，有效提高农业产能。

3 农业机械设计制造中机电一体化技术的应用类型

3.1 交流传动技术

交流传动技术要求通过交流器供电的传动电机为农业机械提供电力，其优势在于：首先，拥有良好的牵引性能，能合理利用系统的调压和调频特性，实现宽范围的平滑调速，让农业机械在启动时能拥有较大的启动力矩；其次，交流传动技术所使用的脉冲整流器能通过PWM控制技术调节电网输入电流的相位，让农业机械的功率因数接近1，且电流接近正弦波形，拥有较小的谐波干扰；再次，由于其异步电动机无换向器，使用交流传动技术的农业机械往往拥有更大的单位质量体积的牵引功率，机械运行的可靠性更强；最后，交流异步电机的自然特性决定了其防空转的性能较强，尤其是牵引控制采用矢量控制或直接力矩控制策略时，能有效保障农业机械系统拥有更高的稳态精度和动态性能，让农业机械更能满足重载牵引的需求。

3.2 集成制造技术

集成制造系统（CIMS）是计算机辅助系统高度发展下的产物，其应用了计算机辅助设计、辅助制造、辅助工艺规划、辅助测试、辅助质量控制等系统，使系统的集成化全局效应更加明显，能有效降低产品设计时间和成本，通过提高设计产品质量和服务质量来提高产品的市场核心竞争力。在农业机械设计制造中应用先进制造、敏捷制造、虚拟制造和并行工程等集成制造技术，能通过发挥信息技术的性能优势转变传统的农业机械设计制造和生产模式，从而推动农业现代化、信息化发展。

3.3 现场总控技术

现场总控系统由控制系统、测量系统、计算机服务模块和数据库等多个系统构成，是一种基于智能现场仪表而产生的开放型数字通信技术，其本质上就是将控制系统中最基础的现场设备通过网络节点相互连接，从而构建自上而下的全数字化通信体系。现场总控系统采用了开放式、标准化的通信技术，突破了传统分散控制系统的技术局限，通过全分布式系统架构将控制功能彻底下放到了作业现场，实现了数据信息覆盖范围的延伸。在农业机械设计制造中应用现场总控技术，能有效强化对生产一线的控制力度，保障农业生产的整体效益，从而为农业信息化的发展提供可靠的技术支持。

4 农业机械设计制造中机电一体化技术的具体应用

4.1 卫星导航技术

卫星导航技术是基于传感器、超声波等技术，利用导航卫星对地面、海洋、大气等进行导航定位的综合性技术。作为传统的农业大国，我国地域辽阔，耕地面积大，土地资源类型多样，农业机械的需求量较大，所以农业机械通常需要进行集群化作业。但受工作场地等因素的限制，农业机械的现场调度常会面临诸多问题，导致农业机械的工作效率降低。而利用机电一体化所提供的卫星导航技术[8]，可以通过三维坐标和建模还原农业生产的活动现场，从而让工作人员用三维图形掌握现场情况，并做到实时的调动与分配，避免在农业机械生产过程中可能出现的路线错误、系统不适配等问题，从而确保农业机械高效生产。尤其是在开展农业机械集群化作业的过程中，利用卫星导航技术作为技术支持，能充分发挥出集群化作业的高效率、高质量优势，从而有效推动我国农业机械化、信息化发展。

4.2 计算机辅助技术

机电一体化是农业机械设计制造未来发展的必然趋势，而计算机辅助技术则是从根源上提升机械工作效率的关键。计算机辅助技术是以计算机为工具，通过三维建模辅助完成特定领域工作的方法和技术。其广泛应用于机械、电子、服装、建筑等多个领域，尤其是计算机辅助设计（CAD），在农业机械设计制造中具有得天独厚的技术优势。在计算机辅助技术的支持下，工作人员可以根据农业实际生产活动中所采集的数据，掌握农业机械数据和生产的其他需求，建立三维虚拟模型，并利用计算机图形学、网络通信等技术，对原有的工作和生产模式进行整改和优化。相比传统的农业机械设计制造模式，依托于计算机辅助技术，可以极大地缩短和简化计算与设计过程[9]，并且能够让设计人员在更大的发挥空间下进行创新设计，缩短农业机械设计理念的更新周期。此外，通过三维图形系统进行建模来模拟实际的使用过程，能从设计阶段规避农业机械在使用过程中可能出现的问题，从而为农业机械化提供更精准、便捷的工具。

4.3 虚拟现实技术

虚拟现实技术是以计算机技术为基础，综合利用三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、伺服技术等，构造逼真的三维视觉、触觉等多感官虚拟世界的技术类型。虚拟现实技术在农业机械设计制造中有重要的应用价值，在机械系统的研发环节，充分利用虚拟现实技术进行虚拟建模，能让农业机械在生产出来之前就在拟真的环境中进行模拟，确保获取较为可信的性能、操作等方面的数据。同时，还能做好农业机械应用过程中如极端天气等突发状况的模拟工作，在检验农业机械的抗干扰和承压能力的同时，帮助农业机械操作人员提高实践水平，锻炼应对突发状况的经验，从而为后续安全生产起到保障作用。

4.4 监控技术

监控技术要求通过技术和安全层面的监督和检查，提升整个农业机械生产流程的效率和安全性。在传统的农业机械设计制造中，操作人员必须通过检查机械的各项设备，确保农业机械在运行过程中能达到各项数据标准。而应用机电一体化技术，能极大地简化原先人工检查的操作流程，操作人员可以利用监控系统进行自动监控，一旦出现偏差会通过警报的方式通知操作人员，降低农业机械设计制造中对人工检查的依赖性，同时还能让操作人员利用远程监控系统实时监控农业机械的工作过程，对农业现代化生产具有重要价值[10]。

4.5 电子信息技术

基于机电一体化的农业机械设计制造，将会以电子信息技术作为最广泛的技术应用类型，以实现农业机械制造和农业生产的机械化和自动化。电子信息技术不仅是上述几类技术发挥作用的基础，还会对农业机械的功能设计、监听诊断、实时反馈、信息管理、系统调配等产生决定性的影响。可见，积极推动电子信息技术在农业机械设计制造的应用，不仅能有效提升农业机械的性能水平，还能对农业机械未来的智能化设计生产起到直接的作用，是机电一体化在农业机械设计制造的必然发展趋势。

5 结语

综上所述，对于农业机械设计制造而言，以交流传动技术、集成制造技术、现场总控技术等为代表的机电一体化技术，具有安全性、可操作性和高产能的技术优势，能突破传统农业机械设计制造面临的瓶颈。因此，在农业机械设计制造中应充分利用卫星导航、计算机辅助、虚拟现实、系统监控和电子信息技术，从设计的角度出发提升我国农业机械产品的工作效率，推动农业机械化、集群化发展。