淺析機電一體化在工程機械中的應用

曹明政+豐延華

摘要：隨著計算機技術的高速發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發展，并廣泛應用于工程機械領域。本文闡述了機電一體化的內涵和發展趨勢，并對機電一體化技術在工程機械中的應用進行了討論。工程機械的電子與電氣控制系統部分質量與性能的優劣又直接影響到工程機械的動力性、施工質量、生產效率、可靠性、經濟性及使用壽命等。

關鍵詞：機電一體化；工程機械；電子控制；應用

前言

機電一體化又稱機械電子學，是一門跨學科的綜合性高技術，是由微電子技術、計算機技術、信息技術、自動控制技術、機械技術、液壓技術以及其他技術相互融合而成的一門獨立的交叉學科。機電一體化技術從二十世紀70年代中期在國外工程機械上得到初步應用，80年代以微電子技術為核心代表的高新技術的蓬勃發展，使得微型計算機及微處理技術、傳感與檢測技術、信息處理技術等在工程機械上得到應用，推動了工程機械制造技術的迅速發展，從根本上改變了工程機械的面貌，極大提高了產品性能，使工程機械進入了一個全新的發展階段。以微機或微處理器為核心的電子控制系統在國外工程機械上的應用已相當普及，并已成高性能工程機械不可缺少的組成部分。

1機電一體化發展方向

機電一體化是集機械、電子、信息、計算機、控制、光學等多種學科的交叉綜合，它的發展和進步依賴并促進相關技術的發展和進步。縱觀世界各國機電一體化在工程機械中的應用，其主要發展方向大致有以下幾個方面：

1.1智能化

智能化是新世紀機電一體化技術的一個重要發展方向，人工智能在機電一體化的科學研究中日益受到重視。機電一體化產品的智能化主要是使高性能、高速的微處理實現機電一體化產品賦有低級智能或者人的部分智能，機器人與數控機床的智能化就是重要應用代表。智能化通過對機器行為的描述，在控制理論科學的基礎上，應用人工智能、運籌學、模糊數學、計算機科學、生理學、心理學等新思想和新方法，使機器具有邏輯思維、判斷推理最終能夠自主決策。

1.2模塊化

模塊化是機電一體化技術中的一項重要而艱巨的工程。機電一體化產品種類和生產廠家繁多的現實情況使得相關單位制定各項標準，以便于各部件、單元的匹配，企業研制和開發具有標準機械接口、動力接口、電氣接口和環境接口等的機電一體化產品單元，比如研制集減速、智能調速、電機于一體的動力單元以及各種能完成操作的機械裝置等。在這些標準單元的基礎上就可迅速開發新產品，同時也可以擴大生產規模。但是，由于部分企業的短視行為與利益保護，近期很難制定出國際或國內這方面的標準，但可喜的是，通過組建一些大企業可以逐漸形成一定范圍內的標準。

1.3網絡化

20世紀90年代，網絡技術的興起和飛速發展給科學技術，工業生產等都帶來了巨大的變革，網絡系統將全球經濟、生產連成一片，企業間的競爭也將全球化。機電一體化新產品一經研制成功，只要其功能質量可靠，很快就會暢銷全球。另一方面，基于網絡的各種遠程控制和監視技術發展越來越好，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場總線和局域網技術的應用使家用電器網絡化已形成優勢，利用家庭網絡將家用電器連接成以計算機為中心的集成家電網絡系統，能使人們待在家里就可分享高技術的便利和快樂。因此，機電一體化產品必將朝著網絡化方向發展。

1.4微型化

微型化指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢，泛指幾何尺寸不超過1cm3的機電一體化產品，并向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積越來越小，耗能也越來越少，運動更加靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有無可比擬的優勢。微機電一體化產品的加工采用精細加工技術，即超精密技術，它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。

1.5環保化

工業的高速發展致使全球資源減少，生態環境受到嚴重污染。政府和人民越來越重視保護環境資源，回歸自然，綠色產品在這種呼聲下應運而生。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的全過程中，既符合特定的環境保護和人類健康的要求，又對自然生態環境無害或甚至危害極少，同時資源利用率極高。機電一體化產品的綠色化主要是使用時不污染生態環境，報廢后能回收利用，因此綠色的機電一體化產品，具有遠大的發展前景。

2機電一體化的應用

機電一體化技術推動了工程機械的迅速發展，從根本上改變了工程機械的原始面貌，極大促進了機械產品性能的提高，使工程機械進入了一個全新的發展階段。

2.1在線監控與故障自診

對工程機械的發動機、工作裝置、傳動系統、制動系統與液壓系統等的運行狀態進行實時監控，一旦出現異常現象，能自動報警并準確地指出故障的部位，從而改善技術人員的工作條件，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，延長設備的使用壽命。

2.2節約能源，提高效率

傳統工程機械的能量利用率較低，這種現狀迫使工程機械的發展必須著眼于節能。日本某公司研發的新型挖掘機采用節能控制器，燃料可節省23%，具有良好的節能效果；挖掘機節能控制系統采用了卡特電子效率控制系統，對發動機和泵的綜合控制使功率的利用率可達98%。

2.3保證作業質量

機電一體化大大提高了傳統工程機械的作業精度。現代瀝青及水泥混凝土拌和設備廣泛采用了微機控制的自動化電子稱量系統；自動找平系統的也使瀝青混凝土攤鋪機的施工精度和質量有了較大的提高；超聲波自動供料系統使瀝青混凝土攤鋪機的供料實現了自動調節，進一步提高了攤鋪質量。平地機刮刀、推土機鏟刀、鏟運機鏟斗刀刃的機電控制，既提高了作業精度和作業效率，也減輕了操作人員的勞動強度。

2.4作業自動化

工程機械實現自動化或半自動化控制，可以減輕操作者的勞動強度，提高生產率，并減少因操作者的經驗不足對作業精度的影響。例如，日本某挖掘機公司的設有挖掘軌跡控制系統，技術人員在控制板上預先設定好鏟斗運動軌跡后，微機控制系統就能根據傳感器的信號，自動控制動臂、斗桿和鏟刀的運動，實現各種條件下精確挖掘，使挖掘作業實現了自動化。為實現無人駕駛，使工程機械能在危險地帶或人無法接近的地點進行作業，某些國外工程機械上設置了無線遙控裝置。

2.5其他方面的應用

在發達國家，包裝機械設計廣泛應用機電一體化技術已是十分成熟的技術，它們可使傳統的機械設備變得簡單可靠，在實現其復雜包裝功能的過程中。食品機電一體化包裝機械提高包裝機械的自動化程度，將包裝機械的研發與計算機結合，實現機電一體化控制。包裝機械應用機電一體化技術，開發智能化包裝技術，按產品自動包裝工藝要求組合成全自動包裝系統進行生產，生產過程的檢測與控制、故障的診斷與排除將實現全面自動化，實現高速、優質、低耗和安全生產。可用于水產加工食品的精確計量、高速充填和包裝過程自動控制等，將使包裝機械結構大為簡化，提高包裝產品質量。如最常見的塑料袋封口機，其封口質量與包裝材料、熱封溫度和運行速度等有關。如材料（材質、厚度）發生變化，那溫度和速度也要隨之改變，但變化多少卻難把握。如采用微機控制，將各種包裝材料的封口溫度和速度的最佳參數匹配輸入微機存儲器，再配上必要的傳感器，組成自動跟蹤系統，這樣，不管哪個工藝參數改變，都能保證最佳的封口質量。

機電一體化在玻璃紙成型機中的應用在國內也很成功，陜西某設計研發單位在造紙機械中采用了國內較先進的工控機，實現全電腦操作，研制了目前國內玻璃紙行業首臺采用機電一體化的設備。在整體外觀設計上，將造紙機械的優勢融進玻璃紙機的設計當中，使其結構性能更趨于優化合理，特別是在控制系統上更趨完善。經過近1個月的生產，全線設備運行穩定，出紙正常，各項技術指標均達到設計要求。

3結語

機電一體化是當今世界機械工業發展的主要方向，其應用與發展已引起工農業、科技、經濟、社會等各方面的巨大變革。機電一體化技術在工程機械中的應用將越來越廣泛，地位也越來越重要，大力發展新一代機電一體化機械產品，不僅是改造和武裝我國傳統老機械設備的必經之路，而且是推動機械產品更新換代、開辟新領域和發展與振興我國機械工業的必由之路。