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淺談機電一體化技術(shù)及其在工程機械中的運用(一)
機電一體化是指在機構(gòu)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(shù),將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化發(fā)展至今已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科, 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,還將被賦予新的內(nèi)容。但其基本特征可概括為：機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù), 根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標, 合理配置與布局各功能單元, 在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值,并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù), 由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng), 則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產(chǎn)品。
機電一體化產(chǎn)品可分為系統(tǒng)（整機）和基礎(chǔ)元（部）件兩大類：典型的機電一體化系統(tǒng)有數(shù)控機床、機器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、C A D/C A M 系統(tǒng)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(gòu)等。
這些機電一體化產(chǎn)品將給機械產(chǎn)業(yè)和農(nóng)機產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)帶來巨大的飛躍，而企業(yè)的技術(shù)開發(fā)能力也將隨之增強。
1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
機械本體。系統(tǒng)所有功能元素的機械支持結(jié)構(gòu)，包括機身、框架、機械聯(lián)接等。機械本體要在結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝性及幾何尺寸等方面適應(yīng)產(chǎn)品高效、多功能、可靠和節(jié)能、小型輕量等要求。
動力部分。按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)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(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測，變成可識別信號，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧�，�?jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。
執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動作。執(zhí)行機構(gòu)是運動部件，一般采用機械、電磁、電液等機構(gòu)。
驅(qū)動部分。在控制信息作用下提供動力，驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。一方面要求驅(qū)動的高效率和快速響應(yīng)特征，同時要求對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應(yīng)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(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)指令，控制整個系統(tǒng)有目的地運行[1]
2 機電一體化的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀
2.1機電一體化發(fā)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(yè)注冊時最先創(chuàng)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(jié)合。國內(nèi)早期將“機電一體化技術(shù)” 與“ 機械電子學(xué)”并用, 近年來“機電一體化”更流行使用。[2]
機電一體化的發(fā)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(shù)的初步成果來完善機構(gòu)產(chǎn)品的性能, 特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間, 戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合, 這些機電結(jié)合的軍用技術(shù), 戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用, 對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(fù)起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài), 由于當時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達到一定水平, 機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展, 已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)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(fā)展階段。這一時期, 計算機技術(shù), 控制技術(shù),通信技術(shù)的發(fā)展, 為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展, 為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。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(nèi)得到比較廣泛的承認；b. 機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大的發(fā)展；c.各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。20 世紀90 年代后期, 開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進的新階段, 機電一體化深入發(fā)展時期。一方面, 光學(xué), 通信技術(shù)等進入了機電一體化, 微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)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(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得了巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)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(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。
2.2我國機電一體化發(fā)展現(xiàn)狀
我國是從20 世紀80 年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863 計劃中”。在制定“九五”規(guī)劃和2010 年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)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(guān)系
現(xiàn)代工程機械正處在一個機電一體化的發(fā)展時代。引入機電一體化技術(shù)，使機械、液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)等有機的結(jié)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(jīng)濟性、可靠性、安全性、操作舒適性以及作業(yè)精度、作業(yè)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(tǒng))在現(xiàn)代工程機械中的應(yīng)用已相當普及，電子控制技術(shù)已深入到工程機械的許多領(lǐng)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(shè)備稱重計量過程的自動控制,挖掘機的電子功率優(yōu)化，柴油機的電子調(diào)速，裝載機、鏟運機變速箱的自動控制，工程機械的狀態(tài)監(jiān)控與故障自診等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)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(yīng)用將更加廣泛，結(jié)構(gòu)將更加復(fù)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(tǒng)主要用以實現(xiàn)如下功能：
電子監(jiān)控、自動報警及故障自診
即對工程機械的發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、工作裝置、制動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等的運行狀態(tài)監(jiān)控, 工作中一旦出現(xiàn)異常現(xiàn)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(shè)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(shè)備的使用壽命。
節(jié)能降耗, 提高生產(chǎn)率
傳統(tǒng)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(fā)展必須著眼于節(jié)能。日本小松公司挖掘機所采用的新型節(jié)能控制器(OLLS 系統(tǒng)), 具有良好的節(jié)能效果, 燃料可節(jié)省23%; 日本日立公司挖掘機節(jié)能控制系統(tǒng)采用了卡特電子效率控制系統(tǒng), 通過對發(fā)動機和泵的綜合控制, 使功率的利用率可達98%, 同時生產(chǎn)率也大大提高。
柴油機的控制
如電子調(diào)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(yè)精度
為保證成品料的級配精度, 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電子稱量系統(tǒng), 并使計量過程實現(xiàn)了自動化。自動找平系統(tǒng)的應(yīng)用, 使瀝青混凝土攤鋪機的施工質(zhì)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(shù)的自動供料系統(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。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(yè)精度和作業(yè)效率, 而且也減輕了操作人員的勞動強度。
作業(yè)過程的自動化或半自動化
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, 日本三菱公司的挖掘機設(shè)有挖掘軌跡控制系統(tǒng), 操作者在控制板上設(shè)定耗鏟斗運動軌跡的形狀后, 微機控制系統(tǒng)能夠根據(jù)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(xiàn)各種特定形狀和斷面溝槽, 斜面的精確挖掘, 使挖掘作業(yè)實現(xiàn)了自動化。
其他應(yīng)用
一些國外生產(chǎn)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(jù)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(fā)動機功率, 提高了燃油經(jīng)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(yè)的安全性。[4]
綜上所述，機電一體化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求，是振興傳統(tǒng)機電工業(yè)的新鮮血液和原動力，是開啟機電行業(yè)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整大門的鑰匙。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電一體化技術(shù)將得到廣闊發(fā)展，前景也
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