試析工程施工機(jī)械機(jī)電一體化

彭旺殷（十一冶建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司安裝工程分公司，廣西 柳州 545007）

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試析工程施工機(jī)械機(jī)電一體化

彭旺殷（十一冶建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司安裝工程分公司，廣西 柳州 545007）

當(dāng)前，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，工程施工機(jī)械機(jī)電一體化水平已經(jīng)成為企業(yè)施工水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志，引起了施工企業(yè)的重視，同時(shí)也給施工提出了更高的要求。本文首先概述了工程施工機(jī)械中機(jī)電一體化的發(fā)展概況，之后從工程施工機(jī)械應(yīng)具有的性能、機(jī)電一體化在工程施工機(jī)械的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及具體的應(yīng)用實(shí)例等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，旨在綜述當(dāng)前我國(guó)工程施工機(jī)械中機(jī)電一體化的應(yīng)用現(xiàn)狀，并在這個(gè)基礎(chǔ)上分析了工程施工機(jī)械中機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)。

工程施工；工程機(jī)械；機(jī)電一體化；發(fā)展趨勢(shì)

前言

機(jī)電一體化，既機(jī)械電子學(xué)，屬于綜合一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等。從20世紀(jì)70年代中期開始，機(jī)電一體化技術(shù)就已經(jīng)在國(guó)外的機(jī)械工程中得到應(yīng)用，80年代微電子技術(shù)更加推動(dòng)了機(jī)電一體化的發(fā)展，從根本上改變了工程施工機(jī)械的面貌，提高了產(chǎn)品的性能，使工程施工機(jī)械進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。

工程施工機(jī)械正處于機(jī)電一體化的時(shí)代，在工程施工機(jī)械中引入機(jī)電一體化，將電子控制技術(shù)和機(jī)械技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)工程施工機(jī)械性能（可靠性、動(dòng)力性、安全性、精度、經(jīng)濟(jì)性以及操作舒適性）的提高。目前，在工程施工機(jī)械中已經(jīng)普及運(yùn)用微處理技術(shù)，電子控制技術(shù)深入到工程施工機(jī)械的各個(gè)領(lǐng)域，例如挖掘機(jī)的電子功率優(yōu)化、鏟運(yùn)機(jī)變速箱的自動(dòng)控制等。

1　機(jī)電一體化在工程施工機(jī)械中的發(fā)展概況

不管在任何時(shí)候，人們都會(huì)利用先進(jìn)的電子技術(shù)去完善機(jī)械產(chǎn)品，第二次世界大戰(zhàn)刺激了電子產(chǎn)品和機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)合，先是運(yùn)用在軍事上，后來轉(zhuǎn)為民用。由于當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)的發(fā)展水平較低，機(jī)電一體化的研發(fā)處于自發(fā)狀態(tài)，還不是很深入和廣泛。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化的發(fā)展不斷的完善，尤其是大規(guī)模集成電路以及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)支持。工程施工機(jī)械機(jī)電一體化更是邁入了深入發(fā)展的新階段。一方面，光學(xué)技術(shù)、通信技術(shù)以及微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)入機(jī)電一體化中，創(chuàng)造了微機(jī)電一體化、光機(jī)電一體化等分支；另一方面，增加了對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法、學(xué)科體系以及發(fā)展趨勢(shì)的深人研究。另外，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)以及光纖技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。

2　當(dāng)前工程施工要求機(jī)械應(yīng)具有的性能

當(dāng)前工程施工機(jī)械應(yīng)具有的性能如下：①節(jié)能降耗性能，顧名思義，就是提高生產(chǎn)效率，減少能源消耗，例如，日本小松公司的挖掘機(jī)采用新型節(jié)能控制器，可節(jié)省23%的燃料。②電子監(jiān)控性能，要求工程施工機(jī)械具有故障自診和自動(dòng)報(bào)警功能，一旦工作出現(xiàn)問題，就可以自動(dòng)報(bào)警，并指出故障發(fā)生的位置，簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)檢查工作，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。③作業(yè)精度性能，為提高作業(yè)精度，以混凝土攪拌設(shè)備為例，采用微機(jī)控制的電子稱量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)稱量的自動(dòng)化，不僅提高作業(yè)精度，還減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3　在工程施工機(jī)械中應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1提高產(chǎn)品的性能

機(jī)電一體化技術(shù)1971年起源于日本，由機(jī)械學(xué)和電子學(xué)組成，如圖1。它可以實(shí)現(xiàn)工程施工機(jī)械操作的自動(dòng)化以及智能化，其需要利用計(jì)算機(jī)等先進(jìn)的設(shè)備及技術(shù)，通過數(shù)字顯示器以及控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品按鈕的操作，簡(jiǎn)化了按鈕操作的次數(shù)，使得控制操作更加簡(jiǎn)便，減輕了工作人員的工作量。所以，利用機(jī)電一體化技術(shù)可以有效的提高產(chǎn)品的性能，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程控制的智能化。

圖1　機(jī)電一體化基礎(chǔ)

3.2提高了設(shè)備的安全性

由于機(jī)電一體化設(shè)備具有安全報(bào)警以及自動(dòng)檢測(cè)、修復(fù)的功能，所以，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)可以有效的提高設(shè)備運(yùn)行的安全性及高效性。機(jī)電一體化設(shè)備是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備的革新，該技術(shù)自動(dòng)修復(fù)的功能有效的提高設(shè)備的安全性，保證了機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.3機(jī)械設(shè)備的養(yǎng)護(hù)更加方便

應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，可以有效的控制工程施工機(jī)械的質(zhì)量，其可以通過輸入程序，并分析施工機(jī)械的運(yùn)行特點(diǎn)，在不借助任何配件的前提下，有效的調(diào)整機(jī)械設(shè)備。如果機(jī)電一體化技術(shù)需要應(yīng)用在具備儲(chǔ)備功能的機(jī)械中，則需要在該設(shè)備中安裝特定的體系，以滿足機(jī)械設(shè)備需要為目的，有效的實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備操作的自動(dòng)化。這項(xiàng)技術(shù)還可以根據(jù)企業(yè)不同的生產(chǎn)需求對(duì)操作進(jìn)行調(diào)整，這樣也可以提高機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。另外，機(jī)電一體化技術(shù)還具有自動(dòng)報(bào)警的功能，其在機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)與修復(fù)，避免了因?yàn)樵O(shè)備故障而出現(xiàn)的低效率問題，保證了工程機(jī)械設(shè)備正常、問題的運(yùn)行。

3.4擴(kuò)大了工程施工機(jī)械的應(yīng)用范圍

機(jī)電一體化設(shè)備是對(duì)傳統(tǒng)施工機(jī)械的改進(jìn)與創(chuàng)新，其改變了傳統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用范圍窄，功能單一的問題，擴(kuò)大了機(jī)械設(shè)備的使用范圍，有效的提高了工程施工機(jī)械的效率。所以，應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，可以有效的促進(jìn)工程施工機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。

4　工程施工機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

隨著社會(huì)、技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于機(jī)電一體化的研究不斷深入，可以說，當(dāng)前機(jī)電一體化技術(shù)無(wú)處不在，直接或間接的影響著人們的生活，下面介紹一些工程施工機(jī)械中的機(jī)電一體化實(shí)例。

4.1挖掘機(jī)中機(jī)電一體化的應(yīng)用

4.1.1具有電子節(jié)能技術(shù)的挖掘機(jī)

當(dāng)前，在美國(guó)對(duì)于挖掘機(jī)的節(jié)能要求很高，必須要符合Tire 3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)才可以上市，該標(biāo)準(zhǔn)的挖掘機(jī)較機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)能方面具有很大的優(yōu)勢(shì)（圖2為Jcb的中型挖掘機(jī)）。

圖2　Jcb的中型挖掘機(jī)

4.1.2具有自動(dòng)怠速功能的小型挖掘機(jī)

由于只有符合Tire 3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)才可以在美國(guó)市場(chǎng)使用，因此，美國(guó)市場(chǎng)的挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控效果好，但是受成本問題的影響，10t以下的小型挖掘機(jī)得到推廣應(yīng)用，圖3為NewHolland小挖的自動(dòng)怠速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)怠速結(jié)構(gòu)，雖然仍采用機(jī)械拉桿的形式，但是一旦檢測(cè)到需要進(jìn)行自動(dòng)怠速，電磁鐵就會(huì)吸合，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)回到怠速狀態(tài)。

圖3　NewHolland小挖的自動(dòng)怠速系統(tǒng)

4.1.3采用電液比例控制技術(shù)的挖掘機(jī)

該產(chǎn)品主要是利用電液比例技術(shù)控制挖掘機(jī)，通過采集電手柄的動(dòng)作信號(hào)，運(yùn)算控制器，進(jìn)而輸出相應(yīng)的PWM值控制比例閥，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自動(dòng)或半自動(dòng)功能。

4.1.4各種監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用

為操作方面，及時(shí)了解挖掘機(jī)的工作狀態(tài)，機(jī)械式儀表或者黑白液晶顯示屏等技術(shù)應(yīng)用與挖掘機(jī)中，圖4是Jcb挖掘機(jī)的黑白液晶儀表。

圖4　Jcb公司挖掘機(jī)儀表

4.1.5GPS技術(shù)的應(yīng)用

GPS技術(shù)的定位精度不高，主要是用來采集遠(yuǎn)程維護(hù)所需的信息，通過網(wǎng)絡(luò)可看到機(jī)械的狀態(tài)，圖5所示的是Hitachi展出出的挖掘機(jī)上的GPS系統(tǒng)的構(gòu)成，我國(guó)的挖掘機(jī)也都采用了該技術(shù)，但是還需要進(jìn)一步的完善。高精度GPS技術(shù)可以通過軟件界面的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中設(shè)置施工場(chǎng)地的三維圖形，方便管理和調(diào)度，提高工作效率。

4.2旋挖鉆機(jī)上中機(jī)電一體化的運(yùn)用

近幾年，旋挖鉆機(jī)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，多集中在大型樁基礎(chǔ)的施工中，國(guó)外在這方面的使用和發(fā)展較為成熟，主要品牌有Soilmec、Mait、IMT、Junttan等，我國(guó)的旋挖鉆機(jī)品牌主要有三一、山河智能（見圖6）等，旋挖鉆機(jī)對(duì)施工的精度要求高，因此需要具有自動(dòng)控制功能和高精度特點(diǎn)。另外，不同的公司根據(jù)廠家的需要還設(shè)計(jì)出了具有圖像監(jiān)視屏、報(bào)警面板等特色的機(jī)電一體化的挖掘機(jī)。

圖5　Hitachi的GPS系統(tǒng)

圖6　山河智能旋挖鉆機(jī)

5　工程施工機(jī)械中機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)

5.1智能化

21世紀(jì)機(jī)電一體化發(fā)展的一個(gè)重要方向就是實(shí)現(xiàn)智能化。在機(jī)電一體化研究中，人工智能得到越來越高的重視，進(jìn)而出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等智能化機(jī)械。智能化主要針對(duì)的是機(jī)械的行為，使其可以具有一定的邏輯思維、判斷推理等能力，以實(shí)現(xiàn)更高的目標(biāo)。通過實(shí)現(xiàn)工程施工機(jī)械的智能化，可以使其在工作中，通過判斷，進(jìn)行選擇性施工。

5.2網(wǎng)絡(luò)化

20世紀(jì)90年代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為計(jì)算機(jī)技術(shù)的突出成就，其興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、教育等日常生活的各個(gè)領(lǐng)域都帶來了巨大的變革。各種網(wǎng)絡(luò)將全球經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也將全球化。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷全球，由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以通過與機(jī)械的連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制工程施工機(jī)械，這樣人們坐在辦公室里就可以進(jìn)行機(jī)械的操作。

5.3模塊化

作為一項(xiàng)重要工程，研究和開發(fā)機(jī)電一體化的產(chǎn)品單元，實(shí)現(xiàn)模塊化是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，例如研發(fā)具有圖像處理、視覺識(shí)別等功能的控制單元，完成操作的機(jī)械裝置，迅速開發(fā)新產(chǎn)品，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，另外還要制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以確保各個(gè)零件可以相互匹配。

5.4微型化

微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)外稱其為微電子的機(jī)械系統(tǒng)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小，耗能少，運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)。微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。

5.5環(huán)保化

工業(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是，人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源，回歸自然，綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生，綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的過程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，資源利用率極高。設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化產(chǎn)品，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用。

5.6系統(tǒng)化

系統(tǒng)化的表現(xiàn)就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用開放式和模式化的總體結(jié)構(gòu)。靈活組態(tài)、任意剪裁與組合，以尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與綜合管理。

6　結(jié)束語(yǔ)

在工程施工機(jī)械中，機(jī)電一體化得到廣泛的應(yīng)用，其使用價(jià)值也越來越高，機(jī)電一體化正逐步成為機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展方向，同時(shí)也為傳統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)帶來了新的發(fā)展空間。在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)分支高度發(fā)展以后，各分支之間的相互交融滲透是必不可少的，以機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化技術(shù)正是眾多學(xué)科相互滲透融合的產(chǎn)物。

［1］莫卓寧.論工程施工中的機(jī)電一體化［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，17：323.

［2］曾華明.探討工程施工機(jī)械中的機(jī)電一體化［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015，05.

［3］那鳳華.工程施工機(jī)械中的機(jī)電一體化探討［J］.中華民居（學(xué)術(shù)版），2014，07.

［4］陳金發(fā).論工程施工機(jī)械中的機(jī)電一體化［J］.科學(xué)與財(cái)富，2012，12.

彭旺殷（1974-），男，漢族，廣西來賓人，工程師，本科，主要從事氧化鋁及電解鋁裝備工程施工技術(shù)工作。

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2095-2066（2016）16-0236-03

2016-5-25