机电一体化在工程机械中的应用.docx

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机电一体化在工程机械中的应用

机电一体化在工程机械中的应用

【学术论文】

机电一体化在工程机械中的应用

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机电一体化在工程机械中的应用

【摘要】

机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。

机电一体化在工程机械上的应用打破了传统机械的设计，从而提高了机械的安全性、可靠性、经济性等，电子控制系统也提高了工程机械的工作效率及产品的工艺，使机械的优越性能得到最大的发挥。

【关键词】：

机电一体化；机械；电子控制

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息、技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。

是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。

【正文】

一、概述

随着计算机及微处理技术的飞速发展，机电一体化在工程机械上的应用也越来越广泛，尤其是在现代工程机械上的应用，从而促进了工程机械的智能化，提高了机械的工作效率和性能，使得工程机械的发展进入了一个新阶段。

中国机电设计迈入PLM全新阶段，正挑战着了前所未有的，不可预测的难题，一个个久战沙场经久不衰精兵良将正褪去了昨日英雄的光环，唯有CAMELVIEW能够胜任军统三国，光复旧业的重任，此时数系科技与德国iXtronicsGmbH公司携手共同开拓机电设计领域的新篇章，CAMELVIEW作为机电一体化设计系统，从产品的概念设计到产品性能的测试、验证、通过都是一体化的，流程化的、规范化的，在满足用户设计的前提下，数值实验的仿真与结果的验证无不精确化，支持复杂环境下，多工况，多耦合场设计。

随着计算机及微处理技术的飞速发展，在工程机械上的应用也越来越广泛，促进了工程机械的智能化，提高了机械的工作效率和性能，使得工程机械的发展进入了一个新阶段。

机电一体化械电子学主要研究目的是把机械技术与微电子技术和信息技术有机地结合为一体，实现整个系统的最优化。

机械电子学可以充分发挥机械技术、微电子技术和信息技术的各自的长处和特点，促进机械产品的更新换代。

机械电子学系统主要由机械主体、传感器、信息处理和执行机构等部分组成。

较高级的系统不但有硬件，而且还有相应的软件,利用软件技术可以实现硬件难以实现的功能,使机械系统增加柔性。

典型的机械电子系统有数控机床、加工中心、工业机器人等。

机械电子学技术除用于单个机器、设备或一般的生产系统的技术改造之外，还用于柔性制造系统、计算机集成制造系统、工厂自动化、办公自动化、家庭自动化等方面。

二、机电一体化的具体内容

主要包括：

机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术以及伺服传动技术。

1.机械技术

机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技机电一体化术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。

在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。

2.计算机与信息技术

其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。

3.系统技术

系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。

4.自动控制技术

其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

5.传感检测技术

传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。

其功能越强，系统的自动化程序就越高。

现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。

6.伺服传动技术

包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。

三、机电一体化发展时代

机电一体化技术，使机械、液压技术及电子控制技术等有机的结合在一起，大大提高了工程机械的操稳性、可靠性、安全性等性能。

目前电子控制技术已经在应用到现代工程机械的多个领域当中，电子控制技术的核心主要是其中的微处理器技术。

随着工程强度和难度的要求变的越来越高，电子技术越来越多的应用在工程机械上，其电子模块的规模在逐渐变大、结构也日益的复杂，相对的，这样高性能工程机械的价格也在不断上涨，因此在实际操作中，应最大效率的发挥机械的作用，提高经济性，使得机械的高性能得到体现。

工程机械中电子控制系统的性能优劣会直接影响到机械的动力性，操作性、可靠性，使用寿命等，从而影响到施工作业的工艺和精度，但是有些工艺必需依靠电子控制系统来实现，这样也就迫切需要操作人员的能力的提高，以满足电子系统大量应用于工程机械的需要。

四、现代工程施工对工程机械要求

工程机械的性能高主要是包括能效经济性，性能稳定行，工作可靠性，施工精确性，易操作性等等，另外还要求其具有运行状态监视、故障自诊和自动报警功能，能对故障的位置及时的发现，从而减少损害。

1.电子监控控制、自动报警及故障自诊

在实际应用中，要求电子监控系统对机械的各个部门的工作状况实行实时监控，比如发动机的油耗、平整机的平整程度、液压臂的受力等，而且要求有控制机械的功能，如自动停机装置、叉车液压的升降和自动升温控制装置等，对于故障自诊断，系统要求能够及时对机械的异常现象进行检测，并且能够及时的报警及指出发生故障的部位，从而减少停机维修作业维修成本和时间，来提高机器的工作效率。

2.节能降耗，提高生产率

传统的工程机械都是用人工来进行操作控制的，所以施工的工业和能源的经济性都不高，例如液压挖掘机对燃料能量利用率仅为30%左右，低能量利用率已经成为工程机械发展的瓶颈，采用电子控制系统有效的减少人工多余的操作，并能够增强机械工作的精确性，从而减少了机械各个部件之间的传动，从而减小了能量的消耗。

3.提高作业精度

为了防止叉车的伸缩臂的在省局的过程中受力过大，所以，要采用电子称重系统，来起到对其保护的作用。

并且自动找平系统的应用也使得沥青混凝土摊铺机的施工质量达到了较大程度的提高。

4.作业过程的自动化或半自动化

工程机械实现自动化或半自动化控制，可以减轻操作者的劳动强度，来达到提高生产率的目的，从而减少因由于操作者的经验不足而引起精度过低的现象。

5.其他应用

一些工程机械比如挖掘机、推土机等都有了电子系统控制的自动变速箱，变速箱能够根据路面状况来自行的变速变矩，从而使得传动系统的传动比自动改变，这不仅充分利用了发动机的功率，提高了燃油的经济性，并且也减少了人员的操作。

在一些化工制药的机械上，制药对所需要的药品原料的重量和相互反应之间的顺序都有着严格的要求，尤其在卫生方面，在这种情况下，就可以通过机械操作来保证药品的质量，对药品采用电子称重，来对原料用量的精确性进行保证。

五、机电一体化的发展趋势

计算机微处理技术、自动控制技术等相关技术的发展对机电一体化的发展起到了极大的推动作用，主要体现在以下几个方面：

1.智能化

智能化是机电一体化的重要目标之一，所谓智能化就是通过计算机来对机械进行模糊控制，对人的思维进行模拟，以达到机械智能化的效果，机器人就是其中一个最大的应用，这其中需要多个学科的交叉，如计算机科学、人工智能、控制技术、模糊控制、心理生理学等等学科，通过这些学科的有机融合，不断提高机械的智能化程度，从而进一步减少人工的作业量。

2.模块化

随着工业和科技不断的发展，每个领域的标准在不断的建立和完善，工程化的思想也在不断深入，工程化带来的巨大的成果也将逐渐体现出来，在制作标准化智能机械时就需要各项标准的制定，标准机械传动接口、电气设备接口、网络通信接口等的机电一体化产品单元如以便于各单位和配件的匹配，这些工作可能需要一个漫长的程，但工程机械系统的模块化是必然的发展趋势。

3.网络化

通信网络已经被应用到各个领域中，机电一体化的产品也在朝着网络化方向进行着发展，操作员可以通过网络来对工程机械的工作状况进行实时监控，并可以在必要的时候向机械发出指令，来达到对机械工作进行控制的目的，这样就提高了工作的安全性和可靠性。

4.微型化

随着大规模电路的研究发展，微处理芯片将会变的越来越小，对微机电一体化产品体积小、耗能小等特点起了促进作用，更有利于机械产品在特殊的环境下进行工作，在一些多精密，要求高是行业中当中，微型化是必然的发展趋势。

5.环保化

工业发展所带来的污染问题已经成为全球性的问题，人们对绿色产品的设计也在不断的研究当中，机电一体化对绿色环保有要求，从设计到生产，再到产品的回收处理，都要求绿色设计的思想贯穿其中。

六、机电一体化在现代工程机械中的应用

1.日趋成熟的GPS技术

    　数量众多的运用高精度GPS技术产品的展出，显示了该技术在工程机械上的应用日趋广泛，这也将成为现代化施工的一种趋势。

1）用于远程维护、信息管理的GPS技术

    　该类技术的定位精度不高，一般为米级。

主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息）、历史工作记录等。

约翰·迪尔、卡特彼勒、小松、现代等纷纷在现场展出自己的该项技术，其中约翰·迪尔甚至可以现场操作。

国内很多工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的功能还不够强大，需进一步完善。

2）高精度GPS系统的应用

该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息，精度可达到厘米级。

该项技术在大型的施工现场，尤其在多种机型的建筑工程机械进行集群作业时，具有明显的优势。

不仅有利于施工管理方进行有序调度，而且能够提高集群的工作效率。

在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：

Trimble、拓普康及Leica。

其中Trimble的用户主要为：

卡特彼勒、小松；拓普康的主要用户为：

卡特彼勒、约翰·迪尔及沃尔沃；Leica的用户主要为：

约翰·迪尔。

产品类型包括挖掘机、挖掘装载机、推土机、平地机、压路机和农业机械等。

由此也显示出该项技术在美国有着广阔的市场，而在我国受成本及市场需求的影响，该项技术还处于实验阶段。

2. 机电一体化技术在挖掘机上的运用

    　机电一体化技术在挖掘机上的运用可以现代机械应用的亮点，几乎每个挖掘机的主机厂家都拥有在该技术领域内的相当水平。

1） 电控挖掘机

该技术是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制的挖掘机，相应的以电比例手柄取代液压先导手柄。

其基本原理是首先采集电手柄的动作信号，然后利用控制器进行运算，最后输出相应的PWM值控制比例阀。

结合布置于机器上的传感器，电控挖掘机还可以实现某些自动或者半自动功能。

2）具有辅助挖掘系统的挖掘机

为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。

严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，现举2个例子加以说明：

Prolec公司开发的挖掘机辅助挖掘系统、约翰·迪尔60D型挖掘机均采用了Leica公司开发的整套辅助挖掘系统。

这2套系统的基本工作原理类似：

主要利用安装在挖掘机工作装置上的角度或者倾角传感器，实时检测挖掘机的工作状态；利用系统中的仪表显示工作装置的轨迹及铲斗末端坐标。

在进行精细作业时，可以在仪表中输