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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(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科, 隨著科學技術的不斷發(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、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(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, 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)技術帶來巨大的飛躍，而企業(yè)的技術開發(fā)能力也將隨之增強。
1.2 機電一體化系統(tǒng)的基本結構
機械本體。系統(tǒng)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(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)生相應的控制信息。
執(zhí)行機構。根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動作。執(zhí)行機構是運動部件，一般采用機械、電磁、電液等機構。
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特征，同時要求對水、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)信息處理結果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應指令，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合。國內(nèi)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(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的初步成果來完善機構產(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)品與電子技術的結合, 這些機電結合的軍用技術, 戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用, 對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài), 由于當時電子技術的發(fā)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(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, 控制技術,通信技術的發(fā)展, 為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。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。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和產(chǎn)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(fā)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(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)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時由于人工智能技術、神經(jīng)網(wǎng)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(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和逐漸形成完整的科學體系。
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(guī)劃和2010 年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(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(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，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(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(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。隨著科學技術的不斷發(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
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�，F(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(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有挖掘軌跡控制系統(tǒng), 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(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，機電一體化是科學技術發(fā)展的結晶，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)結構調(diào)整大門的鑰匙。隨著科學技術的發(fā)展，機電一體化技術將得到廣闊發(fā)展，前景也
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