機電一體化技術在現(xiàn)代工程機械中的發(fā)展以及應用

洛陽市澗光工程技術有限公司 李成偉

機電一體化是當前的高新技術，主要將信息技術、電子技術與機械技術有機結合，從而實現(xiàn)優(yōu)化產品加工生產過程與提高產品質量的目的。

工程機械是工程建設活動中使用的施工機械的總稱，具體包括建筑、電力、水利、礦山、道路等領域中使用的裝卸起重等設備。在當前的發(fā)展階段中，機電一體化系統(tǒng)融入了更加多樣化的技術，如將液壓技術、電子技術與機械技術結合，賦予機械產品更為豐富的功能，同時強化動力性能，提高產品的可靠性與經濟效益，同時舒適度與精準度都獲得顯著提升；將信息處理技術、傳感技術與微處理技術運用到工程機械中，將電子調速系統(tǒng)運用到工程機械中，切實增強了工程機械的可控性。

1 機電一體化技術的主要價值

1.1 提高設備安全化水平

現(xiàn)代工程機械在運用機電一體化相關技術后，增加了傳統(tǒng)工程機械缺少的自動檢修、報警提示與監(jiān)控等功能。工程機械在使用期間的工作量往往較大，各個部件的磨損程度較為嚴重，長時間使用后故障發(fā)生率也隨之升高，若沒有及時進行維修與養(yǎng)護，在使用期間出現(xiàn)故障，可能會威脅操作者的安全。而通過自動監(jiān)控功能可隨時掌握設備運行情況與疲勞、受損程度，設備可自動提示預警信息，以此確保使用者的安全，減少設備造成的安全事故。如為了實現(xiàn)對起重機傾翻事故的有效預防，通過微機來處理傳感器提供的信息，系統(tǒng)在有危險時立即將警報發(fā)出，提示操作人員立即進行應對；將使用了傾斜儀設備的防傾翻裝置運用到坡地作業(yè)機械中，可預防機械出現(xiàn)傾翻的情況。

1.2 簡化調試與養(yǎng)護工作

將多種類別的傳感器運用到工程機械設備中，依靠監(jiān)控裝置就能直接了解機械的液壓系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、變速系統(tǒng)與柴油機的運轉情況，預測可能出現(xiàn)的故障。系統(tǒng)提供的信息能幫助檢修人員判斷故障發(fā)生位置，提高故障維修效率，指明養(yǎng)護工作開展方向，從而達到簡化維修、調試與保養(yǎng)過程的目的。

1.3 優(yōu)化產品性能

機電一體化技術在優(yōu)化工程機械性能方面的作用極為重要，將單一化的機械式操作模式轉變?yōu)樽詣踊僮髂Ｊ?，不僅簡化了操作過程，降低人工作業(yè)難度，并提供遠程操作與無人駕駛的功能，還擴大了工程機械的應用范圍，使人們能安全地探索更具有危險性的海底等區(qū)域，借助海底機器人與水下推土機等機械設備就能完成水下作業(yè)任務。

機電一體化技術還使工程機械具備自動記錄與保存工作信息的功能，可記錄柴油機轉矩、轉速，潤滑油消耗量，燃油消耗量，運行時間等技術信息。使用者借助系統(tǒng)自動保存的信息，可完善施工方法，優(yōu)化管理系統(tǒng)，同時也可將信息作為制定機械設備更新、保養(yǎng)以及修理方案的依據(jù)，更好地運用工程機械。另外工程機械上配備的照明、空調等裝置也在機電一體化的研究與開發(fā)范圍之內。

2 機電一體化技術在工程機械中的發(fā)展趨勢

2.1 高性能化發(fā)展

工程機械依靠機電一體化技術能提高運行速度，強化運行可靠性，提高運行效率與精度水平，因此機電一體化技術的應用顯現(xiàn)出高性能化的發(fā)展趨勢。CNC 系統(tǒng)運用多CPU 型結構，同時采用多總線式連接方式，開發(fā)應用模式時追求高速、高可靠性、高運行效率與高精度等性能，這一系統(tǒng)支持同時處理多項任務操作的功能，可滿足高性能機械產品的生產需求，當前的工程機械對于性能的要求仍在不斷提高。

2.2 智能化發(fā)展

機電一體化具有明顯的智能化發(fā)展趨勢。研發(fā)者基于控制理論，融合計算機科學、人工智能、心理學、混沌動力學、模糊數(shù)學等來自不同學科的理論，對人類的智慧進行模擬，使工程機械系統(tǒng)形成自主決策、邏輯思維與推理判斷的能力，并增強工程機械的整體可控性。當前的數(shù)控機床與機器人都形成了較高的智能化水平。盡管當前機電一體化的機械產品不需達到人類智能的高度，但采用高速與高性能型的微處理器后，機械產品可具備人類的部分智能，形成低級智能水平，自身的應用價值也得以提高，且智能化水平呈現(xiàn)上升趨勢。

2.3 微型化發(fā)展

工程機械領域中的機電一體化技術的開發(fā)目標之一就是實現(xiàn)產品的微型化，通過不斷升級現(xiàn)有機械技術與電子技術，開發(fā)出微米級或者納米級尺寸的工程機械產品，控制器體積低于1m3。醫(yī)療、信息與軍事等領域都需要有這種微型化機電產品，這類產品普遍具有靈活性強、耗能低以及體形小巧的特點。微機電一體化的機械產品在加工過程中運用精密程度極高的技術，如蝕刻技術與光刻技術。除前三種主要發(fā)展趨勢外，工程機械領域中的機電一體化技術還顯現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。

綠色化趨勢。當前人們注重環(huán)境保護，很多行業(yè)也呈現(xiàn)出環(huán)?；l(fā)展趨勢，因此進行加工時需避免給生態(tài)環(huán)境帶來污染，機械產品進入到報廢環(huán)節(jié)后，材料能被回收與再利用，實現(xiàn)循環(huán)利用，機械制造活動中也更多地運用環(huán)保友好型材料；模塊化發(fā)展趨勢。研發(fā)的機械產品需具有環(huán)境接口、動力接口、電氣接口與機械接口，重點研發(fā)集合電機、智能調速與減速為一體的動力單元，兼具測距、識別、信息處理與視覺等多種豐富功能的控制單元。通過標準化單元實現(xiàn)大力開發(fā)新型機械產品的目標。為給模塊化產品提供更好的研發(fā)與應用環(huán)境，需要完善相關標準，使各種單元與部件能相互匹配；網絡化趨勢。機械產品的遠程控制系統(tǒng)所用的終端設備就屬于機電一體化產品，通過網絡化能更好地實現(xiàn)遠距離操控需求。

3 機電一體化技術在現(xiàn)代工程機械的應用

3.1 全自動化與半自動化應用

工程機械在機電一體化的技術的影響下，自動化水平日益提升，實現(xiàn)了半自動化與自動化作業(yè)目標，以此來降低工人的勞動強度，同時可代替作業(yè)人員前往較為危險的環(huán)境中進行相應的施工工作，保障人員的安全。自動化的運行系統(tǒng)可彌補作業(yè)人員在技術以及操作經驗等方面的缺陷，降低操作難度，提升操作精度。以挖掘機為例，現(xiàn)代挖掘機被賦予了自動控制挖掘軌跡的功能，操作者只需預先為鏟斗設置運動軌跡與運動形狀，微機操作系統(tǒng)就能結合傳感器提供的信號，自動控制斗桿、鏟刀與動臂，精準地進行斜坡、開口以及斷面溝槽等挖掘任務。

將由微機控制的電子化稱量系統(tǒng)運用到攪拌設備中，促使設備自動進行計量工作，設備能提供更為精準可靠的計量結果，省略人工計量步驟，有利于加快施工節(jié)奏；攤鋪機的自動找平系統(tǒng)切實提高作業(yè)路面的實際平整度，符合當前施工對于高質量的追求；自動化供料系統(tǒng)在提升攤鋪質量的工作中也發(fā)揮了重要作用，使供料過程更加連續(xù)。

3.2 柴油機的自動化控制

柴油機這種內燃機的主要燃料是柴油，其借助機電一體化技術可優(yōu)化運行過程，實現(xiàn)降低排放量與控制油耗的目標。柴油機采用電子化的燃油噴射控制系統(tǒng)，將噴油壓力提高，增設定時噴油功能，減少運行中的噪聲。噴油控制系統(tǒng)由執(zhí)行器、電子控制系統(tǒng)與傳感器共同組成。其中的傳感器能將采集的位移量、化學量與物理量信息轉變成輸出信號，輸入到控制系統(tǒng)中，傳感器使用類別包括壓力傳感器、冷卻水溫度傳感器、燃油溫度傳感器以及曲軸轉角傳感器等。

電子控制部分包括備用電路、電源電路、輸出/輸入回路與微機等；執(zhí)行器主要有液壓式與電磁式。機電一體化技術還可對柴油機設備的壓力系統(tǒng)與閥門系統(tǒng)進行控制，以此來調節(jié)柴油機，使其使用不同的作業(yè)環(huán)境；通過計算機系統(tǒng)來監(jiān)控柴油機的運行狀態(tài)，獲取柴油機運行數(shù)據(jù)，從而支持后續(xù)的檢修與維護工作。

3.3 自動化診斷故障、電子監(jiān)控與報警

機電一體化技術豐富了工程機械的基本功能，通過自動報警功能、自動診斷故障功能與電子監(jiān)控功能可全方位掌握工程機械的使用情況，了解其制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)的異常問題，自動定位故障所在位置，快速處理故障問題。這些自動化功能不僅可使工程機械保持相對安全的運行狀態(tài)，同時還有利于維護工作的開展，降低維護工作量與成本，檢修人員依靠系統(tǒng)提供的設備相關信息即可正確判斷設備狀況與故障問題，停機維修的時間大幅縮短。

當前工程機械具有較高的整機智能化水平，電液控制系統(tǒng)中綜合應用了無人操作、可編程控制、機電一體化控制、負荷傳感全功率控制及自動換擋變速器裝置；可結合具體選擇的作業(yè)模式，調整泵排量與油門開度。伺服控制技術與比例控制技術被更多地應用到高精度型工程機械的內部控制系統(tǒng)中，遙控無人駕駛類的工程機械可自動地在有毒環(huán)境與危險環(huán)境中執(zhí)行任務。

3.4 機床應用

數(shù)控機床在現(xiàn)代工程機械領域中處于極為關鍵的位置。數(shù)控激光切割機可以滿足切割質量要求，形成的切縫相對偏小，不會帶來過于嚴重的變形問題，切割效率高，有利于縮短工程機械制造周期，同時其切割范圍極廣，有機玻璃、皮革以及金屬箔等材料均處于其切割范圍中。運用這種激光切割機時，需要重點控制加工條件、光學系統(tǒng)、激光發(fā)生器等影響因素。使用過程中，需重點保護高度傳感器、割槍與鏡片，板厚度越大，需要的激光功率也更大。

數(shù)控折彎機主要是借助專用或者通用模具，對處于冷態(tài)的金屬材質板材進行加工，使其形成不同的幾何截面形狀，其屬于板材成型機械，加工的產品可在電梯、輕工、飛機制造與汽車制造等行業(yè)中發(fā)揮作用。折彎機大多擁有專用型數(shù)控系統(tǒng)，其組成部分包括擋料機構、同步系統(tǒng)、工作臺與滑塊等，擋料機多運用電機傳動系統(tǒng)，兩個絲桿保同步移動，可借助數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)對擋料尺寸的控制；數(shù)控折彎機通過光柵尺、伺服閥等多種液壓裝置構建閉環(huán)回路，以此來控制不同的動作；作業(yè)人員可利用按鈕盒來操縱電動機，促使擋料架進行前后移動的動作，控制移動距離時需要借助數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)；滑塊使用液壓式傳動方式，滑塊系統(tǒng)的構成部分有機械化微調裝置、油缸與滑塊，機架上安裝了左右油缸，控制液壓系統(tǒng)可使滑塊在活塞的帶動下進行上下運動的動作，利用數(shù)控系統(tǒng)可直接控制擋塊。機床本身的性能直接決定折彎加工質量，板材也會給加工結果帶去一定的影響。

弧焊機器人屬于工業(yè)機器人，能自動完成弧焊任務。這種機器人在汽車零部件加工領域中得到大量使用?；『笝C器人具有柔性特點，在多段焊作業(yè)中有良好表現(xiàn)，能滿足相對復雜的焊接技術要求。自動送絲裝置、控制盤、焊接電源與示教盒共同組成弧焊機器人，利用計算機即可實現(xiàn)點位控制與連續(xù)軌跡控制目標。

當前的弧焊機器人主要有非熔化極焊與熔化極焊兩種類型?；『笝C器人可滿足長時間、高強度焊接需求，焊接穩(wěn)定性強，焊接質量高。投入使用弧焊機器人后，焊接工人的作業(yè)條件得到改善，勞動強度也有所降低，焊接工人只需進行裝卸工件的操作即可，可避免受到焊接煙霧與弧光的影響；機器人具有固定的生產節(jié)拍，因此能形成明確具體的產品生產周期，產品產量的可控性較強；弧焊機器人是按照預設的焊接參數(shù)進行作業(yè)，因此產品質量具有均一性。

弧焊機器人中運用了視覺傳感器與激光傳感器，其中激光傳感器可以跟蹤工件的焊縫，以此加工較為復雜的工件時，也能夠保持良好的適應性與柔性；視覺傳感器則可以在離線狀態(tài)下掌握焊縫的參與偏差，在機器人處于不同的工況時，及時修正其運行軌跡。

4 結語

機電一體化技術不斷走向成熟，在工程機械領域的應用范圍持續(xù)擴大，推動工程機械朝著智能化與集成化的方向發(fā)展，促使工程機械形成更加完善的功能體系，使其更好地服務于工程建設活動。隨著計算機技術、信息技術、人工智能技術及電子技術基礎性技術體系不斷發(fā)展，機電一體化技術也將獲得更多優(yōu)化發(fā)展空間，工程機械也將形成更高的自動化、智能化程度。