淺談機電一體化技術及其在工程機械中的運用(一)

淺談機電一體化技術及其在工程機械中的運用(一)

   機電一體化是指在機構得主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。機電一體化發展至今已成為一門有著自身體系的新型學科, 隨著科學技術的不斷發展,還將被賦予新的內容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術, 根據系統功能目標和優化組織目標, 合理配置與布局各功能單元, 在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值,并使整個系統最優化的系統工程技術, 由此而產生的功能系統, 則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。
 機電一體化產品可分為系統（整機）和基礎元（部）件兩大類：典型的機電一體化系統有數控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統、C A D/C A M 系統等；典型的機電一體化元（部）件有電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。
 這些機電一體化產品將給機械產業和農機產業的生產技術帶來巨大的飛躍，而企業的技術開發能力也將隨之增強。
1.2  機電一體化系統的基本結構
 機械本體。系統所有功能元素的機械支持結構，包括機身、框架、機械聯接等。機械本體要在結構、材料、加工工藝性及幾何尺寸等方面適應產品高效、多功能、可靠和節能、小型輕量等要求。
 動力部分。按照系統控制要求，為系統提供能量和動力，用盡可能小的動力輸入獲得盡可能大的功能輸出。
 測試傳感部分。對系統運行中所需要的本身和外界環境的各種參數及狀態進行檢測，變成可識別信號，傳輸到信息處理單元，經過分析、處理后產生相應的控制信息。
 執行機構。根據控制信息和指令，完成要求的動作。執行機構是運動部件，一般采用機械、電磁、電液等機構。
 驅動部分。在控制信息作用下提供動力，驅動各種執行機構完成各種動作和功能。一方面要求驅動的高效率和快速響應特征，同時要求對水、油、溫度、塵埃等外部環境的適應性和可靠性；另一方面，由于幾何尺寸的限制，動作范圍狹窄，還需考慮維修及標準化。
 控制及信息處理單元。將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工，根據信息處理結果，按照一定的程序和節奏發出相應指令，控制整個系統有目的地運行[1]
2 機電一體化的發展歷程與現狀
2.1機電一體化發展歷程
“ 機電一體化” 這個詞是日本安川電機公司在20 世紀60 年代末作商業注冊時最先創用的。時及20 世紀70 年代, 人們一直把機電一體化看作是機械與電子的結合。國內早期將“機電一體化技術” 與“ 機械電子學”并用, 近年來“機電一體化”更流行使用。[2]
 機電一體化的發展大體可以分為3 個階段。20 世紀60 年代以前為第一階段, 這一階段稱為初級階段。在這一時期, 人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機構產品的性能, 特別是在第二次世界大戰期間, 戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合, 這些機電結合的軍用技術, 戰后轉為民用, 對戰后經濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發從總體上看還處于自發狀態, 由于當時電子技術的發展尚未達到一定水平, 機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展, 已經開發的產品也無法大量推廣。20 世紀70~80 年代為第二階段, 可稱為蓬勃發展階段。這一時期, 計算機技術, 控制技術,通信技術的發展, 為機電一體化的發展奠定了技術基礎。大規模、超大規模集成電路和微型計算機的迅猛發展, 為機電一體化的發展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是a.MECHATRONICS 一詞首先在日本被普遍接受, 大約到20 世紀80 年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；b. 機電一體化技術和產品得到了極大的發展；c.各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。20 世紀90 年代后期, 開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段, 機電一體化深入發展時期。一方面, 光學, 通信技術等進入了機電一體化, 微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時由于人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得了巨大進步，為機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。
2.2我國機電一體化發展現狀
 我國是從20 世紀80 年代初才開始在這方面研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組并將該技術列為“863 計劃中”。在制定“九五”規劃和2010 年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作， 取得了一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當差距。[3]
3機電一體化在工程機械中的運用
3.1機電一體化和工程機械的關系
 現代工程機械正處在一個機電一體化的發展時代。引入機電一體化技術，使機械、液壓技術和電子控制技術等有機的結合, 可以極大地提高了工程機械的各種性能，如動力性、燃油經濟性、可靠性、安全性、操作舒適性以及作業精度、作業效率、使用壽命等。目前以微機或微處理器為核心的電子控制裝置(系統)在現代工程機械中的應用已相當普及，電子控制技術已深入到工程機械的許多領域, 如攤鋪機和平地機的自動找平，攤鋪機的自動供料，拌利設備稱重計量過程的自動控制,挖掘機的電子功率優化，柴油機的電子調速，裝載機、鏟運機變速箱的自動控制，工程機械的狀態監控與故障自診等。隨著科學技術的不斷發展,對工程機械的性能要求不斷提高，電子（微機）控制裝置在工程機械上的應用將更加廣泛，結構將更加復雜。
3.2機電一體化對工程機械功能的改進
 目前工程機械的電子（微機）控制系統主要用以實現如下功能：
電子監控、自動報警及故障自診
 即對工程機械的發動機、傳動系統、工作裝置、制動系統和液壓系統等的運行狀態監控, 工作中一旦出現異常現象, 能動報警并準確地指出故障的部位, 從而改善駕駛員的工作條件, 提高機器的工作效率, 簡化設備維護檢查工作, 降低使用維修費用, 縮短停機維修時間, 延長設備的使用壽命。
節能降耗, 提高生產率
 傳統工程機械的能量利用率較低, 例如液壓挖掘機的燃料能量利用率僅為20%左右, 如此低的能量利用率迫使工程機械的發展必須著眼于節能。日本小松公司挖掘機所采用的新型節能控制器(OLLS 系統), 具有良好的節能效果, 燃料可節省23%; 日本日立公司挖掘機節能控制系統采用了卡特電子效率控制系統, 通過對發動機和泵的綜合控制, 使功率的利用率可達98%, 同時生產率也大大提高。
柴油機的控制
 如電子調速器、電子油門控制裝置、自動停機裝置、自動升溫控制裝置等。
提高作業精度
 為保證成品料的級配精度, 現代瀝青及水泥混凝土拌和設備廣泛采用了微機控制的電子稱量系統, 并使計量過程實現了自動化。自動找平系統的應用, 使瀝青混凝土攤鋪機的施工質量有了較大的提高, 路面的平整度可達到0.127MM/3M。采用超聲波技術的自動供料系統, 使瀝青混凝土攤鋪機的供料實現了自動調節, 進一步提高了攤鋪質量。推土機鏟刀、平地機刮刀、鏟運機鏟斗刀刃的電子( 微機) 控制, 不僅提高了作業精度和作業效率, 而且也減輕了操作人員的勞動強度。
作業過程的自動化或半自動化
 工程機械實現自動化或半自動化控制, 可以減輕操作者的勞動強度, 提高生產率, 并減少因操作者的經驗不足, 對作業精度的影響。例如, 日本三菱公司的挖掘機設有挖掘軌跡控制系統, 操作者在控制板上設定耗鏟斗運動軌跡的形狀后, 微機控制系統能夠根據各種角度傳感器的信號, 自動控制動臂、斗桿和鏟刀的運動, 實現各種特定形狀和斷面溝槽, 斜面的精確挖掘, 使挖掘作業實現了自動化。
其他應用
 一些國外生產的推土機、裝載機、鏟運機等采用了電子控制的自動變速器, 其能夠根據外負荷的變化情況自動改變傳動系的傳動比, 這不僅充分利用了發動機功率, 提高了燃油經濟性, 而且也簡化了操作, 降低了勞動強度。為有效地防止翻車和斷臂事故, 提高作業的安全性。[4]
綜上所述，機電一體化是科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求，是振興傳統機電工業的新鮮血液和原動力，是開啟機電行業產品和產業結構調整大門的鑰匙。隨著科學技術的發展，機電一體化技術將得到廣闊發展，前景也

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