工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化

徐欣然

摘要：本文以工程機(jī)械自動(dòng)化的歷史發(fā)展進(jìn)程作為出發(fā)點(diǎn)，介紹工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人自動(dòng)化國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化存在的問題，并簡(jiǎn)單介紹當(dāng)下解決工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化存在的問題的主要方式和方法。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；機(jī)電一體化；機(jī)器人自動(dòng)化

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)各項(xiàng)建設(shè)工程基本上都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但仍然是以人工操縱和控制為主，這對(duì)機(jī)械的技術(shù)發(fā)展、性能和功能而言，具有一定的制約作用。為了工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，必須逐步使機(jī)械向著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。如果僅從機(jī)械和液壓角度來考慮，很難使產(chǎn)品性能有質(zhì)的飛躍，必須引進(jìn)具有良好控制性能和信息處理的電子技術(shù)來改造工程機(jī)械，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械機(jī)電一體化，使工程機(jī)械成為有頭腦（微機(jī)）、有感覺（傳感器）、全身布滿神經(jīng)（電線和光導(dǎo)纖維）、有血液（液壓）和有手足和骨骼（機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)）的機(jī)電一體化系統(tǒng)。電子化和機(jī)器人自動(dòng)化是工程機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代的發(fā)展方向。

一、工程機(jī)械自動(dòng)化的歷史發(fā)展進(jìn)程

在石器時(shí)代，人類依仗的主要?jiǎng)趧?dòng)工具是石器、貝殼和動(dòng)物骨頭，運(yùn)用這些工具能夠有效地改進(jìn)人類生產(chǎn)方式，使得人類能夠很好地適應(yīng)自然和改造自然。隨著農(nóng)耕時(shí)代的到來，石器時(shí)代的工具逐漸退出時(shí)代的舞臺(tái)，逐漸被農(nóng)業(yè)工具所取代。農(nóng)業(yè)工具的出現(xiàn)標(biāo)志著文明時(shí)代的到來，農(nóng)業(yè)工具是土地產(chǎn)出的關(guān)鍵要素，更是標(biāo)志著人類進(jìn)化史上的重要一步，為農(nóng)業(yè)社會(huì)的誕生創(chuàng)造了條件。隨著資本主義時(shí)代的誕生，一共經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，第一次工業(yè)革命是產(chǎn)業(yè)革命，使得農(nóng)業(yè)、手工業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)逐步向大機(jī)器生產(chǎn)發(fā)展，在生產(chǎn)領(lǐng)域和社會(huì)關(guān)系引起根本性變化；第二次工業(yè)革命是工業(yè)革命，工業(yè)革命是始于十九世紀(jì)七十年代，大量工程機(jī)械種類和品牌誕生，并迅速發(fā)展影響工業(yè)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程；第三次工業(yè)革命是科技革命，科技革命是上個(gè)世紀(jì)四五十年代產(chǎn)生的，在材料技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域取得重大突破，極大地提高工程機(jī)械的生產(chǎn)效率，更是推動(dòng)了社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展。第三次工業(yè)革命也就標(biāo)志著工程機(jī)械逐步融入人們的生活生產(chǎn)中，為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，就必須實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化，從而提高工程機(jī)械的作業(yè)精度和完成高技能作業(yè)的能力。

二、工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀。上世紀(jì)九十年代初，我國(guó)智能化工程機(jī)械技術(shù)才剛剛開始，主要是以“863計(jì)劃”自動(dòng)化領(lǐng)域首席科學(xué)家蔣新松等為領(lǐng)導(dǎo)，進(jìn)行相關(guān)的工程機(jī)械機(jī)器人化技術(shù)的研究工作，先后分別實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)機(jī)器人化和推土機(jī)機(jī)器人化，自動(dòng)導(dǎo)引車等技術(shù)開發(fā)。同時(shí)，我國(guó)一些工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化的研究實(shí)驗(yàn)和研究項(xiàng)目都會(huì)與相關(guān)企業(yè)進(jìn)行合作，例如清華大學(xué)等單位與徐工集團(tuán)進(jìn)行了產(chǎn)學(xué)研合作，共同完成了“國(guó)家863/CIMS機(jī)器人化工程機(jī)械現(xiàn)代集成制造應(yīng)用工程”單極和集群自動(dòng)化的課題研究。2003年1月，柳工以華中科技大學(xué)和蘇州大學(xué)為依托，向國(guó)家863/ CIMS自動(dòng)化領(lǐng)域申請(qǐng)裝載機(jī)遠(yuǎn)程服務(wù)專家系統(tǒng)與智能化挖掘機(jī)及企業(yè)信息化工程立項(xiàng)成功。且已經(jīng)有履帶式鑿巖臺(tái)車已經(jīng)應(yīng)運(yùn)于隧道施工中，可以自動(dòng)控制鉆頭的鉆進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)速度和沖擊速度等。

2、國(guó)外現(xiàn)狀。美國(guó)的Cat992C型輪式裝載機(jī)，裝有可視距離內(nèi)無線電遙控，可在危險(xiǎn)地帶實(shí)施作業(yè)。澳大利亞開發(fā)的無人駕駛自卸車，實(shí)現(xiàn)了在千米以下的坑道施工作業(yè)的無人化操縱。德國(guó)的利勃海爾公司生產(chǎn)的靜液壓履帶式工業(yè)推土機(jī)和挖掘機(jī)全部實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行電子控制，最優(yōu)利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，提高了燃油的效率。已經(jīng)有智能推土機(jī)利用GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)引與核實(shí)地形坡度，使之能有效的完成任務(wù)。

三、工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化存在的問題

1、由于環(huán)境因素，工程機(jī)械難于識(shí)別作業(yè)對(duì)象。當(dāng)下，工程機(jī)械的工作主要形式仍是人工操作為主，作業(yè)形式是機(jī)械圍繞作業(yè)對(duì)象在移動(dòng)，而作業(yè)對(duì)象由于環(huán)境因素，使得工程機(jī)械難于識(shí)別作業(yè)對(duì)象。例如，土質(zhì)，地形、障礙物和地面等情況，這就要求操作者要對(duì)環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)觀察，不斷對(duì)作業(yè)對(duì)象和環(huán)境進(jìn)行認(rèn)識(shí)和判斷，還要臨場(chǎng)發(fā)揮，才能很好完成作業(yè)。能否順利和完美地完成作業(yè)，很大程度上取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能。在建設(shè)施工過程中，由于每個(gè)部分的建設(shè)施工作業(yè)千差萬別，這就導(dǎo)致工程機(jī)械的操作內(nèi)容和要求都是不確定的，有些類似于單件生產(chǎn)，難以形成一定的操作規(guī)律，不能按設(shè)定的順序進(jìn)行工作，因此采用工廠的一般自動(dòng)化技術(shù)是很不夠的。要求工程機(jī)械自身能成為類似駕駛員的感覺、認(rèn)識(shí)和判斷能力，成為智能型機(jī)械，具有自我適應(yīng)作業(yè)對(duì)象和環(huán)境變化能力的智能機(jī)器人。

2、工作環(huán)境和技術(shù)因素對(duì)工程機(jī)械機(jī)器人化的挑戰(zhàn)。工程機(jī)械的工作環(huán)境是不固定的，有時(shí)處于高溫環(huán)境之中，有時(shí)處于低溫環(huán)境之中，有時(shí)處于強(qiáng)風(fēng)環(huán)境之中，有時(shí)處于風(fēng)沙環(huán)境之中等等，往往容易使工程機(jī)械的傳感器、微機(jī)系統(tǒng)等部位出現(xiàn)故障，從而影響工程機(jī)械的作業(yè)，這對(duì)工程機(jī)械的控制系統(tǒng)提出了向相應(yīng)的挑戰(zhàn)和要求。工程機(jī)械成為智能型機(jī)器人需要將電、光、聲、化學(xué)、生物等學(xué)科的多種技術(shù)組合起來進(jìn)行工作裝置的自適應(yīng)性控制的信息處理，需要解決大量的基礎(chǔ)技術(shù)問題和特殊問題。

四、當(dāng)下解決工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化存在的問題的主要方式和方法

我國(guó)針對(duì)工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化存在的問題，采取的主要方式和方法是將計(jì)算機(jī)、機(jī)構(gòu)學(xué)、測(cè)試技術(shù)、自動(dòng)控制、微電子和多傳感器等技術(shù)和仿生學(xué)、光學(xué)等學(xué)科理論相融合使用，使各項(xiàng)技術(shù)和理論為工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化。同時(shí)，加強(qiáng)發(fā)展我國(guó)制造技術(shù)，由硬體向軟體轉(zhuǎn)化，使工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化的發(fā)展更加適應(yīng)時(shí)代要求。

五、結(jié)語

我國(guó)的工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化正處蓬勃發(fā)展的時(shí)期，有一些列的問題擺在相關(guān)研究者的眼前，只有將這些問題解決了，才能實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械機(jī)電一體化及機(jī)器人自動(dòng)化。

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