机电液一体化.docx

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机电液一体化

.1..1.1定义：

1.1.1定义：

机电一体化（Mechatronics）强调的是机械技术与电子技术的结合。

以机械为主体，以计算机控制，特别是以智能控制为核心，将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，强调各种技术的协同和融合，是一种以产品和过程为基础的技术，并贯穿于设计和制造的全过程中。

机电一体化技术是机电技术、微电子技术及各相关技术相互融合的产物。

机电液一体化系统，绝非仅为机械、液压与电子电器的简单组合。

否则，包括有这三个部分的工程机械都可称已实现机电液一体化了。

机电液一体化为工程机械：

装上了感觉器官——传感器，

布上了神经系统——传输线路，

添上了信号处理单元——单片机或微机，

这三部分组成的机电液一体化系统，使工程机械的性能发生了巨大的变化。

1.1.3研究内容

1、自动换挡系统、挖掘机多动作复合功能系统等；

2、摊铺机、平地机自动找平和恒速控制系统，电脑导向台车等。

由于液压与液力传动技术在工程机械技术构成中所占比重越来越大，为突出这一特点，工程机械机电一体化又称之为工程机械机电液一体化。

1.2工程机械机电一体化技术的发展

1.2.1工程机械的发展

⏹液压技术：

工程机械作业形式多种多样，工作装置的种类繁多，要求实现各种各样的复杂运动。

一个动力装置要驱动多种装置，而且传动距离往往比较长，20世纪50年代出现了液体传动，为工程机械提供了良好的传动装置。

液压传动结构紧凑，布置简单方便，易实现各种运动形式的转换，能满足复杂的作业要求，具有许多优良传动性能，如传动平稳，自动防止过载，易实现无级变速，操纵简单轻便，控制性能好等。

由于工程机械找到了理想的传动装置，推动了工程机械的飞速发展，迎来了工程机械的多样化时代，出现了形形色色完成各种施工作业的工程机械。

⏹电子技术

高效节能：

对发动机和传动系统进行控制，合理分配功率，使其处于最佳工况；

减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能：

采用自动控制，实现工程机械自动化。

要完成高技能的作业，就需要智能化；近年来工程机械的发展主要是操纵和控制机构的改进。

提高安全性：

进行运行状态监视，故障自动报警；

随着建设领域的扩展，为了避免人员无法及不易接近的场所和作业环境十分恶劣的地方去作业，需要采用远距离操纵和无人驾驶技术。

【例】

动力装置：

柴油机已采用微机控制电子喷射和电子调速器；挖掘机、推土机和装载机都采用了发动机工况控制，根据作业情况通过电子控制，使发动机输出不同的功率。

传动装置：

装载机变速器采用了电操纵微机控制自动换挡和换挡品质控制等。

工作装置：

推土机、平地机刀板自动调节，摊铺机自动找平，挖掘机轨迹控制、自动挖掘控制等。

液压系统：

节能控制，全功率控制，泵阀和马达联合控制等。

[例]：

液压挖掘机的动作复杂，要求液压系统：

1、既能保证液压挖掘机动臂、斗杆和铲斗各自的单独动作，又要使它们相互配合实现复合动作；

2、工作装置动作和转台回转既能单独进行，又能实现复合动作以提高挖掘机的工作效率。

传统的液压系统无论是定量泵还是变量泵，总有一部分液压油经溢流阀溢流，不仅浪费了能量，还会造成系统发热。

同时由于液压挖掘机的作业对象及工况千变万化，各工作装置所受的负载和工作油压也各不相同，因此，经常出现轻载荷的工作装置“抢占”重载荷工作装置的液压油流量的现象，致使复合动作难于实现，譬如挖掘机行走时由于左右履带载荷不同而导致的拐弯打滑现象，不能实现直线行走，LUDV就是为解决这一难题而设计的液压系统。

在负载传感系统（LoadSensing）中，与负载压力无关性是通过设在测量阻尼孔前的压力补偿阀来实现的。

但当通过多个测量阻尼孔操纵多个执行器时所需的流量大于泵所能提供的流量时，压力补偿阀的压差调节将失效，结果是流量流向具有最低负载压力的执行器，而具有高负载压力的执行器降低其速度直至停止运行。

LUDV系统，即负载独立流量分配（LoadIndependentFlowDistribution）系统，是以执行器最高负载压力控制泵和压力补偿的负载独立流量分配系统，当执行器所需流量大于泵的流量时，系统会按比例将流量分配给各执行器，而不是流向轻负载的执行器。

负载独立流量分配系统（LUDV）目前广泛应用于各类挖掘机的液压系统，系统只采用一个变量泵，省掉了复杂的合流控制系统，减小了系统的安装尺寸，使系统的结构变得更简单。

它既具有传统负荷传感控制系统节能增效的优点，又通过后置压力补偿阀解决了在工作系统要求的流量大于泵的极限流量时的各工作装置实现复合动作的问题。

操纵系统：

从先导操纵到先导比例操纵，最近正在向电操纵杆方向发展。

推土机、装载机等操纵杆数正在减少，操纵功率大大下降，操纵越来越方便。

有的装载机转向操纵已从方向盘改为操纵杆式转向。

当前工程机械的先进技术大部分集中在操纵与控制上。

要解决控制问题，只从机械和液压角度来考虑很难使产品有质的飞跃，必须引入具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术、传感器技术和电液转换技术等。

1.2.2工程机械机电一体化的发展

从1970年算起，工程机械的机电液一体化系统实际上已走过了30年发展史，目前仍在世界范围内蓬勃发展，其效益显著，功能也逐渐完善。

1、国外发展概况

60年代，美国首先发展一体化技术，如第一台机器人、数控车床、内燃机电子燃油喷射装置等，而工程机械在机电液一体化技术方面的开发，甚至比汽车行业还早。

如60年代末，日本小松制作所研制的7m水深的无线电遥控水陆两用推土机就投入了运行（以今天的眼光来看,这只能称为机电一体化的雏形），并于1971年在天津参加了建设机械展览会。

此间，日本日立建机制造所也研制出了无线电遥控水陆两用推土机，其工作装置采用了仿形自动控制。

与此同时，美国卡特彼勒公司将其生产的激光自动调平推土机也推向市场，并于1972年在天津工程机械研究所样机试验场，举办的独家首届展示会上向中国用户亮相。

日本在工程机械上采用现代机电液一体化技术虽然比美国晚几年，但不同的是，美国工程机械运用的这一技术,主要由生产控制装置的专业厂家开发，而日本直接由工程机械制造厂自行开发或与有关公司合作开发。

由于针对性强，日本使工程机械上与机电液一体化技术结合较紧密，发展较为迅速。

最近20年来，随着超大规模集成电路、微型电子计算机、电液控制技术的迅速发展，日本和欧美各国都十分重视将其应用于工程机械，并开发出适用于各类工程机械使用的机电液一体化系统。

如美国卡特彼勒公司自1973年第一次将电子监控系统（EMS系统）用于工程机械以来，至今已发展成系列产品，其生产的工程机械产品中，60%以上均设置了不同功能的监控系统。

2、国内发展概况

我国工程机械开始运用电子技术的时间并不晚。

如上世纪70年代初，天津工程机械研究所研制了我国第一台3m水深无线电遥控水陆两用推土机。

该机采用全液压、无线电操纵装置。

经过长期运行考核，其主要技术性能接近当时先进国家同类产品水平。

到上世纪80年代后期，我国相继开发了以电子监控为主要内容的多种机电液一体化系统。

另外，工程机械智能化系统也在有关院所进行研发。

但由于一些原因，国内工程机械生产厂家目前多采取引进消化与自行开发的方针。

受引进技术水平的限制，至今关键技术仍大大落后工业发达国家。

1.3工程机械的发展趋势

Ø向节能、高效、可靠和环保型发展

为了降低发动机能耗，广泛采用负荷反馈电子控制装置．使发动机处于最佳功率和耗油状态．以大大降低能耗。

通过有效利用液压传动和电子控制，实现输出功率和能耗的最佳匹配。

改进结构和提高性能指标也是措施之一。

如机器上安装电子监控系统、紧急制动系统等，增加机器使用寿命。

在制造质量方面追求高可靠性，大型工程机械第一次大修间隔期提高到了1.5～2.0万h。

【例】液压静力压桩机潜孔钻机挖掘机

Ø向智能化方向发展

★自动作业技术

【例】挖掘机的机电一体化及制造信息化，隧道凿岩机器人。

★故障诊断技术采用机电液一体化技术的新型工程机械，具有噪声低，燃料费用低，操纵人员疲劳度小，生产率高等优点。

但机器发生故障是难以预料的，而且机器结构越复杂，电气、液压控制部分越多，则由人工查明故障的过程也就越困难。

因此，解决机电液一体化系统的另一关键问题，是研制具有自我诊断功能的装置。

【例】目前，电子故障诊断装置可用于诊断工程机械在工作现场是否有故障，性能是否降低等方面的数据，其中包括对发动机及液压传动系统的油液自动进行金属微粒含量分析，检测油液中添加剂的状况以及油液污染变质的程度，判断零部件磨损状态及发展趋势，探求故障和金属磨耗产生原因。

常用的检测方法有光谱分析（原子吸收光谱仪、原子发射光谱仪、X射线荧光光谱仪）和铁谱分析（分析式、旋转式、直读式、在线是铁谱仪）；用于检测润滑油与液压油品质，从而确定油品更换期的红外线分光光度仪；按规定的工作时间间隔或在异常状态时自动采集油品性能的仪器；预先在计算机中贮存发动机、液压泵或变速箱正常工作的振动波形，对实测信号进行比较并自动判断是否产生异常波形的振动分析仪，还有对机器结构件进行超声波探伤的仪器等。

这里要注意一点，就是机器自动故障诊断系统越复杂，其造价也就越高，因此不能盲目追求这一功能。

从我国国情出发，目前亦强调低成本自动化（不一定每个功能全备），但要用于出口，这些功能还是应尽量具备,以提高产品在国际市场的竞争力。

Ø向大型化和微型化发展

大约在1974年,世界上首次出现工作重量超过150ｔ的超大型挖掘机。

目前超大型液压挖掘机的工作重量最大现已达800ｔ以上,斗容量突破50ｍ3。

超大型挖掘机主要用于各种大规模露天矿山的开采及大型基础建设,同时还被用于填海造地工程及港湾河道疏通工程,其中正铲式挖掘机占大部分。

目前生产超大型挖掘机的厂商主要分布在美国、日本、德国,如卡特彼勒、小松、日立、德马克、Ｏ＆Ｋ等公司。

最小的单斗挖掘机整机质量仅为90kg，斗容量仅0.05m3。

日本的小型挖掘机可更换100多种工作装置。

Ø先进的配套动力技术

先进的冷却技术在柴油机上的广泛应用。

Ø虚拟现实技术的研究与应用

虚拟现实（VR-Virtualreality）研究如何实现人与机器之间理想交互方式的技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。

利用虚拟现实技术，计算机可以产生一个三维的、基于感知信息的临场反应，并为用户的行为所控制。

用户可以进入到计算机生成的环境中与机器进行直观的交流，实现逼真的遥控现场效果，达到复杂环境下的可视控制与操作。

虚拟现实技术的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。

这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。

这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。

1.4工程机械机电一体化系统的组成

1、机械本体

机械传动：

齿轮传动、链传动、液压传动等

机械结构：

壳体、机身、支座等支撑结构

实现机械本体的高性能，除了采用钢铁材料外，还必须采用复合材料或非金属材料。

机械结构包括内部结构设计和外部造型。

要求系统整体布局合理，使液压管路、接头、控制线束尽可能地减少，使用、操作方便，造型美观。

机械本体技术主要涉及机械整体的设计及制造和从整个系统研究的运动学及动力学特性。

2、动力系统

动力系统在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作和功能。

机电液一体化系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要求对外部环境的适应性和可靠性。

由于电子与液压技术的高度发展，高性能电子液压比例驱动和电子液压伺服驱动已大量应用于工程机械系统。

按照系统控制要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。

用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，是机电液一体化产品的显著特征之一。

3、检测部分

例：

目前，车用传感器精度要求在40～125℃范围内变化低于1%，而常用的传感器如压力传感器，在上述温度范围，桥臂电阻变化达8%～9%，无法满足要求。

为此，一方面可以开发适应这一温度范围的传感器；另一方面，可充分利用高度发达的电子器件将微控制器用做固态传感器的配套部件，以实现温度补偿线性化和标准化。

常用传感器：

压力传感器，编码盘

4、执行机构

执行机构：

电动执行机构、气动执行机构、液压执行机构及其配套的机械部分。

工程机械上常用的电动执行机构有各种伺服电机（直流、交流、力矩马达、低惯量电机等）、步进电机、电磁阀、继电器。

气动执行机构有气缸、气阀、气动马达等。

液压执行机构主要油液压缸、摆动油缸、旋转油缸和液压马达。

5、控制和信息处理

控制器和信息处理设备是机电液一体化系统的核心部分。

它将来自各传感器的检测信息和外部输入命令按预先编制的程序进行储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统。

一般由工控机、单片机、各种控制器和可编程序控制器（PLC）、数控装置以及逻辑电路、A／D（模／数）与D／A（数／模）转换、I／O（输入／输出）接口和计算机外部设备等组成。

6、接口（驱动部分）

交换：

传输的环节之间，由于信号的模式不同（如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等等），无法直接实现信息或能量的交流，通过接口完成信号或能量的统一。

放大：

接口把输入的控制信号放大、变换（例如变换成气压或液压信号），达到能量的匹配，然后推动执行机构。

传递：

接口的作用使各要素或子系统联接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动。

因此，接口是连接强电设备和弱点设备的纽带。

接口广泛采用电工电子器件。

例如晶闸管双极型功率晶体管（GTR）、功率常控晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅极电力晶体管（GBT）等。

【展开】

★信号处理和I/O接口技术电子技术和电子电路技术已发展成为以微处理器为中心的硬、软件相结合的计算机技术。

可将传感器检测出来的各种信息存贮、运算、逻辑分析、判断、变换，进而向执行机构发出控制指令，若加入自诊断功能，便可实现产品的智能化。

I/O接口技术的优点是现实信息全部、准确、可靠地在系统中传输，同时还可通过显示、应答、音响等实现人机交互。

工程机械机电液一体化产品，通过计算机（单片机）进行数据采集、传递和处理，其运行速度极快，而外设如CRT、打印机等动作较慢，这就要求有实现信号变换和电平转换的电子线路，即接口电路。

在信号处理中心，计算机或单片机，与外部芯片接口中应有一定的连接形式。

这是由于温度传感器的信号是模拟量，旋转编码器的信号是二进制数字式，各类开关则是脉冲信号和数字信号。

数字信号和脉冲信号可直接传递给计算机，但需要将其电平转换成TTL电平，有对应的接口标准如RS232、CAN总线等。

而模拟信号，需要经A/O转换后方可进入计算机。

由于各端口输入的信号有交、直流电压与电流的不同形式，为避免执行器或放大器接口电路的干扰信号造成误动作，可先用光电耦合器和继电器在接口线路中将信号隔离。

1.5工程机械机电液一体化产品的特殊要求

1、环境温度

工程机械广泛应用于市政、野外（平原、高山、水下、沙漠等）施工作业。

为适应多变的气候条件（烈日暴晒或室外严寒），工程机械除了有可靠的加热、冷却系统外，检测设备的耐温性能应保证其能在-40～85℃范围内可靠运行。

目前，半导体集成电路CMOS的工作温度达到-40～125℃，能完全满足工程机械的使用条件，但作为系统组成部分的传感器和执行元件的适应性，还有待提高。

2、密封性和抗振性

工程机械是以泥、沙、石料为主要工作对象的野外作业机械，受泥沙的污染和雨水的冲蚀是不可避免的。

因此，要确保车载的一体化设备的密封性能，防止污物和水分的侵入。

工程机械是一种行走式作业机械，除了地形造成的颠簸振动外，还有发动机、液压装置运转时造成的机械振动，以及工作装置作业时的随机冲击振动等。

这些都会对车载的一体化系统造成损害。

工程机械的振动是极其复杂的随机量，其振动频率、振动幅度和振动加速度值变化范围很大。

因此，机电液一体化产品的抗振性也同样必须满足这一工作环境的要求。

否则，一体化装置本身的故障会直接地影响工程机械性能的充分发挥。

3、抗干扰性能

【例】压桩机测桩系统干扰

4、工程机械整机电气线路

由于认识上的原因，我国工程机械的电气化尚未受到足够的重视。

随着机电液一体化技术的运用，对工程机械的电气线路，应该由其自身的行业标准来规范，引导其电气线路的设计与产品开发，以确保车载一体化系统的正常工作。

1.6工程机械机电液一体化的相关技术-

1．检测传感技术

传感器技术本身就是一门多学科、知识密集的应用技术。

2．信息处理技术

硬件设备：

输入/输出设备、显示器、磁盘、计算机、可编程序控制器及数控装置等。

3．自动控制技术

在机电一体化技术中，诸如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等自动控制技术都是重要的关键技术。

现代控制理论的工程化、实用化以及优化控制模型的建立、复杂控制系统的模拟仿真、自诊断监控技术及容错技术等都是有待进一步开发研究的课题。

4．比例与伺服驱动技术

执行机构主要包括电磁铁、液压泵、液压马达、液压缸、气缸等。

5．接口技术

机电液一体化系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极其重要。

从系统外部看，输入／输出是系统与人、环境或其它系统间的接口；从系统内部看，是通过许多接口将各组成要素的输入／输出联系成一体的系统。

因此，各要素及各子系统之间的接口性能就成为系统综合性能好坏的决定性因素。

6．系统总体技术

系统总体技术就是从整体目标出发，用系统的观点和方法，把机械与电子的功能在结构上有机地一体化的技术。

即使各构成要素的功能、精度、性能都很好，但若整体系统不能很好协调，系统照样难以正常运行而不能发挥其应有的效能。

为了开发出具有较强竞争能力的工程机械机电液一体化产品，系统总体设计除考虑优化设计外，还包括可靠性设计、标准化设计、系列化设计以及造型设计。