淺析機電一體化在工程機械中的應(yīng)用

曹明政+豐延華

摘要：隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于工程機械領(lǐng)域。本文闡述了機電一體化的內(nèi)涵和發(fā)展趨勢，并對機電一體化技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用進行了討論。工程機械的電子與電氣控制系統(tǒng)部分質(zhì)量與性能的優(yōu)劣又直接影響到工程機械的動力性、施工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、可靠性、經(jīng)濟性及使用壽命等。

關(guān)鍵詞：機電一體化；工程機械；電子控制；應(yīng)用

前言

機電一體化又稱機械電子學(xué)，是一門跨學(xué)科的綜合性高技術(shù)，是由微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械技術(shù)、液壓技術(shù)以及其他技術(shù)相互融合而成的一門獨立的交叉學(xué)科。機電一體化技術(shù)從二十世紀(jì)70年代中期在國外工程機械上得到初步應(yīng)用，80年代以微電子技術(shù)為核心代表的高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得微型計算機及微處理技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)等在工程機械上得到應(yīng)用，推動了工程機械制造技術(shù)的迅速發(fā)展，從根本上改變了工程機械的面貌，極大提高了產(chǎn)品性能，使工程機械進入了一個全新的發(fā)展階段。以微機或微處理器為核心的電子控制系統(tǒng)在國外工程機械上的應(yīng)用已相當(dāng)普及，并已成高性能工程機械不可缺少的組成部分。

1機電一體化發(fā)展方向

機電一體化是集機械、電子、信息、計算機、控制、光學(xué)等多種學(xué)科的交叉綜合，它的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步?？v觀世界各國機電一體化在工程機械中的應(yīng)用，其主要發(fā)展方向大致有以下幾個方面：

1.1智能化

智能化是新世紀(jì)機電一體化技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，人工智能在機電一體化的科學(xué)研究中日益受到重視。機電一體化產(chǎn)品的智能化主要是使高性能、高速的微處理實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或者人的部分智能，機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用代表。智能化通過對機器行為的描述，在控制理論科學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工智能、運籌學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)等新思想和新方法，使機器具有邏輯思維、判斷推理最終能夠自主決策。

1.2模塊化

模塊化是機電一體化技術(shù)中的一項重要而艱巨的工程。機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多的現(xiàn)實情況使得相關(guān)單位制定各項標(biāo)準(zhǔn)，以便于各部件、單元的匹配，企業(yè)研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機械接口、動力接口、電氣接口和環(huán)境接口等的機電一體化產(chǎn)品單元，比如研制集減速、智能調(diào)速、電機于一體的動力單元以及各種能完成操作的機械裝置等。在這些標(biāo)準(zhǔn)單元的基礎(chǔ)上就可迅速開發(fā)新產(chǎn)品，同時也可以擴大生產(chǎn)規(guī)模。但是，由于部分企業(yè)的短視行為與利益保護，近期很難制定出國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可喜的是，通過組建一些大企業(yè)可以逐漸形成一定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3網(wǎng)絡(luò)化

20世紀(jì)90年代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起和飛速發(fā)展給科學(xué)技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)等都帶來了巨大的變革，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片，企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一經(jīng)研制成功，只要其功能質(zhì)量可靠，很快就會暢銷全球。另一方面，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)發(fā)展越來越好，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品，現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使家用電器網(wǎng)絡(luò)化已形成優(yōu)勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)將家用電器連接成以計算機為中心的集成家電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能使人們待在家里就可分享高技術(shù)的便利和快樂。因此，機電一體化產(chǎn)品必將朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

1.4微型化

微型化指的是機電一體化向微型機器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢，泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機電一體化產(chǎn)品體積越來越小，耗能也越來越少，運動更加靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。微機電一體化產(chǎn)品的加工采用精細加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。

1.5環(huán)保化

工業(yè)的高速發(fā)展致使全球資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。政府和人民越來越重視保護環(huán)境資源，回歸自然，綠色產(chǎn)品在這種呼聲下應(yīng)運而生。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的全過程中，既符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，又對自然生態(tài)環(huán)境無害或甚至危害極少，同時資源利用率極高。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢后能回收利用，因此綠色的機電一體化產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前景。

2機電一體化的應(yīng)用

機電一體化技術(shù)推動了工程機械的迅速發(fā)展，從根本上改變了工程機械的原始面貌，極大促進了機械產(chǎn)品性能的提高，使工程機械進入了一個全新的發(fā)展階段。

2.1在線監(jiān)控與故障自診

對工程機械的發(fā)動機、工作裝置、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)等的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，能自動報警并準(zhǔn)確地指出故障的部位，從而改善技術(shù)人員的工作條件，提高機器的工作效率，簡化設(shè)備維護檢查工作，降低使用維修費用，延長設(shè)備的使用壽命。

2.2節(jié)約能源，提高效率

傳統(tǒng)工程機械的能量利用率較低，這種現(xiàn)狀迫使工程機械的發(fā)展必須著眼于節(jié)能。日本某公司研發(fā)的新型挖掘機采用節(jié)能控制器，燃料可節(jié)省23%，具有良好的節(jié)能效果；挖掘機節(jié)能控制系統(tǒng)采用了卡特電子效率控制系統(tǒng)，對發(fā)動機和泵的綜合控制使功率的利用率可達98%。

2.3保證作業(yè)質(zhì)量

機電一體化大大提高了傳統(tǒng)工程機械的作業(yè)精度。現(xiàn)代瀝青及水泥混凝土拌和設(shè)備廣泛采用了微機控制的自動化電子稱量系統(tǒng)；自動找平系統(tǒng)的也使瀝青混凝土攤鋪機的施工精度和質(zhì)量有了較大的提高；超聲波自動供料系統(tǒng)使瀝青混凝土攤鋪機的供料實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)，進一步提高了攤鋪質(zhì)量。平地機刮刀、推土機鏟刀、鏟運機鏟斗刀刃的機電控制，既提高了作業(yè)精度和作業(yè)效率，也減輕了操作人員的勞動強度。

2.4作業(yè)自動化

工程機械實現(xiàn)自動化或半自動化控制，可以減輕操作者的勞動強度，提高生產(chǎn)率，并減少因操作者的經(jīng)驗不足對作業(yè)精度的影響。例如，日本某挖掘機公司的設(shè)有挖掘軌跡控制系統(tǒng)，技術(shù)人員在控制板上預(yù)先設(shè)定好鏟斗運動軌跡后，微機控制系統(tǒng)就能根據(jù)傳感器的信號，自動控制動臂、斗桿和鏟刀的運動，實現(xiàn)各種條件下精確挖掘，使挖掘作業(yè)實現(xiàn)了自動化。為實現(xiàn)無人駕駛，使工程機械能在危險地帶或人無法接近的地點進行作業(yè)，某些國外工程機械上設(shè)置了無線遙控裝置。

2.5其他方面的應(yīng)用

在發(fā)達國家，包裝機械設(shè)計廣泛應(yīng)用機電一體化技術(shù)已是十分成熟的技術(shù)，它們可使傳統(tǒng)的機械設(shè)備變得簡單可靠，在實現(xiàn)其復(fù)雜包裝功能的過程中。食品機電一體化包裝機械提高包裝機械的自動化程度，將包裝機械的研發(fā)與計算機結(jié)合，實現(xiàn)機電一體化控制。包裝機械應(yīng)用機電一體化技術(shù)，開發(fā)智能化包裝技術(shù)，按產(chǎn)品自動包裝工藝要求組合成全自動包裝系統(tǒng)進行生產(chǎn)，生產(chǎn)過程的檢測與控制、故障的診斷與排除將實現(xiàn)全面自動化，實現(xiàn)高速、優(yōu)質(zhì)、低耗和安全生產(chǎn)。可用于水產(chǎn)加工食品的精確計量、高速充填和包裝過程自動控制等，將使包裝機械結(jié)構(gòu)大為簡化，提高包裝產(chǎn)品質(zhì)量。如最常見的塑料袋封口機，其封口質(zhì)量與包裝材料、熱封溫度和運行速度等有關(guān)。如材料（材質(zhì)、厚度）發(fā)生變化，那溫度和速度也要隨之改變，但變化多少卻難把握。如采用微機控制，將各種包裝材料的封口溫度和速度的最佳參數(shù)匹配輸入微機存儲器，再配上必要的傳感器，組成自動跟蹤系統(tǒng)，這樣，不管哪個工藝參數(shù)改變，都能保證最佳的封口質(zhì)量。

機電一體化在玻璃紙成型機中的應(yīng)用在國內(nèi)也很成功，陜西某設(shè)計研發(fā)單位在造紙機械中采用了國內(nèi)較先進的工控機，實現(xiàn)全電腦操作，研制了目前國內(nèi)玻璃紙行業(yè)首臺采用機電一體化的設(shè)備。在整體外觀設(shè)計上，將造紙機械的優(yōu)勢融進玻璃紙機的設(shè)計當(dāng)中，使其結(jié)構(gòu)性能更趨于優(yōu)化合理，特別是在控制系統(tǒng)上更趨完善。經(jīng)過近1個月的生產(chǎn)，全線設(shè)備運行穩(wěn)定，出紙正常，各項技術(shù)指標(biāo)均達到設(shè)計要求。

3結(jié)語

機電一體化是當(dāng)今世界機械工業(yè)發(fā)展的主要方向，其應(yīng)用與發(fā)展已引起工農(nóng)業(yè)、科技、經(jīng)濟、社會等各方面的巨大變革。機電一體化技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用將越來越廣泛，地位也越來越重要，大力發(fā)展新一代機電一體化機械產(chǎn)品，不僅是改造和武裝我國傳統(tǒng)老機械設(shè)備的必經(jīng)之路，而且是推動機械產(chǎn)品更新?lián)Q代、開辟新領(lǐng)域和發(fā)展與振興我國機械工業(yè)的必由之路。