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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得主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù),將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來(lái)所構成的系統的總稱(chēng)。機電一體化發(fā)展至今已成為一門(mén)有著(zhù)自身體系的新型學(xué)科, 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)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(guān)點(diǎn)出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)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), 根據系統功能目標和優(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(shí)現特定功能價(jià)值,并使整個(gè)系統最優(yōu)化的系統工程技術(shù), 由此而產(chǎn)生的功能系統, 則成為一個(gè)機電一體化系統或機電一體化產(chǎn)品。
機電一體化產(chǎn)品可分為系統（整機）和基礎元（部）件兩大類(lèi)：典型的機電一體化系統有數控機床、機器人、汽車(chē)電子化產(chǎn)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(zhuān)用集成電路、伺服機構等。
這些機電一體化產(chǎn)品將給機械產(chǎn)業(yè)和農機產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)帶來(lái)巨大的飛躍，而企業(yè)的技術(shù)開(kāi)發(fā)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(lián)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(chǎn)品高效、多功能、可靠和節能、小型輕量等要求。
動(dòng)力部分。按照系統控制要求，為系統提供能量和動(dòng)力，用盡可能小的動(dòng)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(huán)境的各種參數及狀態(tài)進(jìn)行檢測，變成可識別信號，傳輸到信息處理單元，經(jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)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(dòng)作。執行機構是運動(dòng)部件，一般采用機械、電磁、電液等機構。
驅動(dòng)部分。在控制信息作用下提供動(dòng)力，驅動(dòng)各種執行機構完成各種動(dòng)作和功能。一方面要求驅動(dòng)的高效率和快速響應特征，同時(shí)要求對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應性和可靠性；另一方面，由于幾何尺寸的限制，動(dòng)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(lái)自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進(jìn)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(fā)出相應指令，控制整個(gè)系統有目的地運行[1]
2 機電一體化的發(fā)展歷程與現狀
2.1機電一體化發(fā)展歷程
“ 機電一體化” 這個(gè)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(shí)最先創(chuàng )用的。時(shí)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(shù)” 與“ 機械電子學(xué)”并用, 近年來(lái)“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(gè)階段。20 世紀60 年代以前為第一階段, 這一階段稱(chēng)為初級階段。在這一時(shí)期, 人們自覺(jué)不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機構產(chǎn)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(chǎn)品與電子技術(shù)的結合, 這些機電結合的軍用技術(shù), 戰后轉為民用, 對戰后經(jīng)濟的恢復起了積極的作用。那時(shí)研制和開(kāi)發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài), 由于當時(shí)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)的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展, 已經(jīng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也無(wú)法大量推廣。20 世紀70~80 年代為第二階段, 可稱(chēng)為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)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。大規模、超大規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。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)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(shù)和產(chǎn)品得到了極大的發(fā)展；c.各國均開(kāi)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(kāi)始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段, 機電一體化深入發(fā)展時(shí)期。一方面, 光學(xué), 通信技術(shù)等進(jìn)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(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。同時(shí)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(jìn)步，為機電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學(xué)體系。
2.2我國機電一體化發(fā)展現狀
我國是從20 世紀80 年代初才開(kāi)始在這方面研究和應用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導小組并將該技術(shù)列為“863 計劃中”。在制定“九五”規劃和2010 年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來(lái)的影響。許多大專(zhuān)院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)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(jìn)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
現代工程機械正處在一個(gè)機電一體化的發(fā)展時(shí)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)等有機的結合, 可以極大地提高了工程機械的各種性能，如動(dòng)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)在現代工程機械中的應用已相當普及，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(dòng)找平，攤鋪機的自動(dòng)供料，拌利設備稱(chēng)重計量過(guò)程的自動(dòng)控制,挖掘機的電子功率優(yōu)化，柴油機的電子調速，裝載機、鏟運機變速箱的自動(dòng)控制，工程機械的狀態(tài)監控與故障自診等。隨著(zhù)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(jìn)
目前工程機械的電子（微機）控制系統主要用以實(shí)現如下功能：
電子監控、自動(dòng)報警及故障自診
即對工程機械的發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系統、工作裝置、制動(dòng)系統和液壓系統等的運行狀態(tài)監控, 工作中一旦出現異�，F象, 能動(dòng)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(jiǎn)化設備維護檢查工作, 降低使用維修費用, 縮短停機維修時(shí)間, 延長(cháng)設備的使用壽命。
節能降耗, 提高生產(chǎn)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(fā)展必須著(zhù)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(guò)對發(fā)動(dòng)機和泵的綜合控制, 使功率的利用率可達98%, 同時(shí)生產(chǎn)率也大大提高。
柴油機的控制
如電子調速器、電子油門(mén)控制裝置、自動(dòng)停機裝置、自動(dòng)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(chēng)量系統, 并使計量過(guò)程實(shí)現了自動(dòng)化。自動(dòng)找平系統的應用, 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(dòng)供料系統, 使瀝青混凝土攤鋪機的供料實(shí)現了自動(dòng)調節, 進(jìn)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(dòng)強度。
作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化
工程機械實(shí)現自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制, 可以減輕操作者的勞動(dòng)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有挖掘軌跡控制系統, 操作者在控制板上設定耗鏟斗運動(dòng)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(dòng)控制動(dòng)臂、斗桿和鏟刀的運動(dòng), 實(shí)現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(shí)現了自動(dòng)化。
其他應用
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(dòng)變速器, 其能夠根據外負荷的變化情況自動(dòng)改變傳動(dòng)系的傳動(dòng)比, 這不僅充分利用了發(fā)動(dòng)機功率, 提高了燃油經(jīng)濟性, 而且也簡(jiǎn)化了操作, 降低了勞動(dòng)強度。為有效地防止翻車(chē)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)展的結晶，是社會(huì )生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求，是振興傳統機電工業(yè)的新鮮血液和原動(dòng)力，是開(kāi)啟機電行業(yè)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結構調整大門(mén)的鑰匙。隨著(zhù)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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