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淺談機(jī)電一體化技術(shù)及其在工程機(jī)械中的運(yùn)用(一)
機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)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(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來(lái)所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱(chēng)。機(jī)電一體化發(fā)展至今已成為一門(mén)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(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)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(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo), 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(xiàn)特定功能價(jià)值,并使整個(gè)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(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。
機(jī)電一體化產(chǎn)品可分為系統(tǒng)（整機(jī)）和基礎(chǔ)元（部）件兩大類(lèi)：典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)有數(shù)控機(jī)床、機(jī)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(tǒng)、C A D/C A M 系統(tǒng)等；典型的機(jī)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(jī)、傳感器、專(zhuān)用集成電路、伺服機(jī)構(gòu)等。
這些機(jī)電一體化產(chǎn)品將給機(jī)械產(chǎn)業(yè)和農(nóng)機(jī)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(qiáng)。
1.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
機(jī)械本體。系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等。機(jī)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(dòng)力部分。按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)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(cè)試傳感部分。對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行檢測(cè)，變成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧�，�?jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件，一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)。
驅(qū)動(dòng)部分。在控制信息作用下提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。一方面要求驅(qū)動(dòng)的高效率和快速響應(yīng)特征，同時(shí)要求對(duì)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(dòng)作范圍狹窄，還需考慮維修及標(biāo)準(zhǔn)化。
控制及信息處理單元。將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行[1]
2 機(jī)電一體化的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀
2.1機(jī)電一體化發(fā)展歷程
“ 機(jī)電一體化” 這個(gè)詞是日本安川電機(jī)公司在20 世紀(jì)60 年代末作商業(yè)注冊(cè)時(shí)最先創(chuàng)用的。時(shí)及20 世紀(jì)70 年代, 人們一直把機(jī)電一體化看作是機(jī)械與電子的結(jié)合。國(guó)內(nèi)早期將“機(jī)電一體化技術(shù)” 與“ 機(jī)械電子學(xué)”并用, 近年來(lái)“機(jī)電一體化”更流行使用。[2]
機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為3 個(gè)階段。20 世紀(jì)60 年代以前為第一階段, 這一階段稱(chēng)為初級(jí)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(jī)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(zhēng)刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合, 這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù), 戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用, 對(duì)戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)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(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平, 機(jī)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(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也無(wú)法大量推廣。20 世紀(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù), 控制技術(shù),通信技術(shù)的發(fā)展, 為機(jī)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(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展, 為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。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(jì)80 年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；b. 機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大的發(fā)展；c.各國(guó)均開(kāi)始對(duì)機(jī)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(jì)90 年代后期, 開(kāi)始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段, 機(jī)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(jī)電一體化, 微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢(shì)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(jī)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(jī)電一體化進(jìn)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(guó)機(jī)電一體化發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)是從20 世紀(jì)80 年代初才開(kāi)始在這方面研究和應(yīng)用。國(guó)務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863 計(jì)劃中”。在制定“九五”規(guī)劃和2010 年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國(guó)際上關(guān)于機(jī)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(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對(duì)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(jìn)國(guó)家相比仍有相當(dāng)差距。[3]
3機(jī)電一體化在工程機(jī)械中的運(yùn)用
3.1機(jī)電一體化和工程機(jī)械的關(guān)系
現(xiàn)代工程機(jī)械正處在一個(gè)機(jī)電一體化的發(fā)展時(shí)代。引入機(jī)電一體化技術(shù)，使機(jī)械、液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)等有機(jī)的結(jié)合, 可以極大地提高了工程機(jī)械的各種性能，如動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)械中的應(yīng)用已相當(dāng)普及，電子控制技術(shù)已深入到工程機(jī)械的許多領(lǐng)域, 如攤鋪機(jī)和平地機(jī)的自動(dòng)找平，攤鋪機(jī)的自動(dòng)供料，拌利設(shè)備稱(chēng)重計(jì)量過(guò)程的自動(dòng)控制,挖掘機(jī)的電子功率優(yōu)化，柴油機(jī)的電子調(diào)速，裝載機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)變速箱的自動(dòng)控制，工程機(jī)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(duì)工程機(jī)械的性能要求不斷提高，電子（微機(jī)）控制裝置在工程機(jī)械上的應(yīng)用將更加廣泛，結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜。
3.2機(jī)電一體化對(duì)工程機(jī)械功能的改進(jìn)
目前工程機(jī)械的電子（微機(jī)）控制系統(tǒng)主要用以實(shí)現(xiàn)如下功能：
電子監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警及故障自診
即對(duì)工程機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作裝置、制動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控, 工作中一旦出現(xiàn)異�，F(xiàn)象, 能動(dòng)報(bào)警并準(zhǔn)確地指出故障的部位, 從而改善駕駛員的工作條件, 提高機(jī)器的工作效率, 簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)檢查工作, 降低使用維修費(fèi)用, 縮短停機(jī)維修時(shí)間, 延長(zhǎng)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(jī)械的能量利用率較低, 例如液壓挖掘機(jī)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(jī)械的發(fā)展必須著眼于節(jié)能。日本小松公司挖掘機(jī)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(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)采用了卡特電子效率控制系統(tǒng), 通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的綜合控制, 使功率的利用率可達(dá)98%, 同時(shí)生產(chǎn)率也大大提高。
柴油機(jī)的控制
如電子調(diào)速器、電子油門(mén)控制裝置、自動(dòng)停機(jī)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(jí)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(jī)控制的電子稱(chēng)量系統(tǒng), 并使計(jì)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。自動(dòng)找平系統(tǒng)的應(yīng)用, 使瀝青混凝土攤鋪機(jī)的施工質(zhì)量有了較大的提高, 路面的平整度可達(dá)到0.127MM/3M。采用超聲波技術(shù)的自動(dòng)供料系統(tǒng), 使瀝青混凝土攤鋪機(jī)的供料實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié), 進(jìn)一步提高了攤鋪質(zhì)量。推土機(jī)鏟刀、平地機(jī)刮刀、鏟運(yùn)機(jī)鏟斗刀刃的電子( 微機(jī)) 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(qiáng)度。
作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化
工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化控制, 可以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高生產(chǎn)率, 并減少因操作者的經(jīng)驗(yàn)不足, 對(duì)作業(yè)精度的影響。例如, 日本三菱公司的挖掘機(jī)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(yùn)動(dòng)軌跡的形狀后, 微機(jī)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)各種角度傳感器的信號(hào), 自動(dòng)控制動(dòng)臂、斗桿和鏟刀的運(yùn)動(dòng), 實(shí)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
其他應(yīng)用
一些國(guó)外生產(chǎn)的推土機(jī)、裝載機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)等采用了電子控制的自動(dòng)變速器, 其能夠根據(jù)外負(fù)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(jī)功率, 提高了燃油經(jīng)濟(jì)性, 而且也簡(jiǎn)化了操作, 降低了勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)電一體化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)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(tǒng)機(jī)電工業(yè)的新鮮血液和原動(dòng)力，是開(kāi)啟機(jī)電行業(yè)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整大門(mén)的鑰匙。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)將得到廣闊發(fā)展，前景也
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