機電一體化在工程機械中的應(yīng)用研究

全劍

【摘 要】文章介紹了機電一體化技術(shù)的概念及特點，解讀了該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢（智能化、區(qū)域化和系統(tǒng)化）和在工程機械（如節(jié)能、監(jiān)控和檢測等領(lǐng)域）中的應(yīng)用情況，重點討論了工程機電系統(tǒng)核心組件的選型與設(shè)計，包括單片機、三相PWM波發(fā)生器、智能逆變模塊、位置檢測電路、通信接口、時鐘電路、液晶顯示和程序故障自恢復(fù)電路，對提高企業(yè)智能化、精細(xì)化施工具有積極作用。

【關(guān)鍵詞】一體化;機械;工程

【中圖分類號】TH39 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0063-03

當(dāng)前，我國工程機電一體化技術(shù)正迅速發(fā)展，機電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用使多個學(xué)科進(jìn)行交叉和滲透，并不斷推動機械工程、電子技術(shù)、自動控制等專業(yè)領(lǐng)域的突破，機電一體化技術(shù)在很大程度上實現(xiàn)了工程機械的自動化、模塊化、數(shù)字化的高效施工，使企業(yè)進(jìn)一步提高了工程的施工質(zhì)量、降低了施工成本、縮短了施工周期，為行業(yè)在市場中的競爭集聚了一定優(yōu)勢。與此同時，以微處理器為核心的新一代機電一體化技術(shù)實現(xiàn)了與其他專業(yè)的進(jìn)一步融合，有效整合并優(yōu)化了系統(tǒng)在設(shè)備分析方面的數(shù)據(jù)流程，為機電一體化技術(shù)向智能化發(fā)展明確了方向[1]。

1 機電一體化概念及特點

1.1 概念

機電一體化（Mechatronics）技術(shù)也稱為機械電子工程技術(shù)，屬于機械工程和電子專業(yè)領(lǐng)域的交叉融合，其英文由機械學(xué)（Mechanics）與電子學(xué)（Electronics）組成。機電一體化專業(yè)術(shù)語最早是在日本的《機械設(shè)計》雜志提出，該技術(shù)是將機械工程技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)和傳感技術(shù)等多領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)行有機結(jié)合形成的一門新型科學(xué)技術(shù)，搭載機電一體化技術(shù)的各類先進(jìn)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)各個領(lǐng)域的具體功能需求，例如工業(yè)制造、工程施工、醫(yī)療、高鐵等領(lǐng)域，極大地提高了社會生產(chǎn)力。當(dāng)前，幾乎全部的現(xiàn)代化自動生產(chǎn)、加工、制造設(shè)備及各類應(yīng)用都屬于機電一體化技術(shù)應(yīng)用范疇。隨著機械工程、微電子和計算機等專業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，機電一體化技術(shù)的發(fā)展更加趨于智能化、人性化。

1.2 特點

機電一體化技術(shù)是當(dāng)今各領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，使生產(chǎn)人員從繁重的體力勞動中解脫出來，并提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，節(jié)約了人力成本。機電一體化技術(shù)最顯著的特點主要體現(xiàn)在高精度檢測、智能裝備制造和機械化施工等方面。

1.2.1 高精度檢測

在各類工程施工中常需要進(jìn)行大量繁雜的質(zhì)量檢測工作，這些工作無法僅通過工程技術(shù)人員獨立完成，需依賴先進(jìn)的高精度檢測設(shè)備，隨著工程施工質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，檢測技術(shù)也在不斷革新和進(jìn)步，以機電一體化技術(shù)為核心架構(gòu)的各類檢測設(shè)備在工程施工中的應(yīng)用逐漸興起，實現(xiàn)了施工質(zhì)量檢測的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2.2 智能裝備制造

智能裝備在國民經(jīng)濟的發(fā)展中具有至關(guān)重要的基礎(chǔ)作用，例如智能交通、智能醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域。智能裝備在制造過程中依靠的是集成化、模塊化的生產(chǎn)線，通過預(yù)先設(shè)定好的計算機程序，結(jié)合PLC、工控機等工業(yè)設(shè)備，實現(xiàn)智能裝備制造領(lǐng)域的高質(zhì)量、大批量生產(chǎn)。機電一體化技術(shù)完美解決了智能裝備制造在數(shù)據(jù)傳輸、自動控制和信息集成等方面的技術(shù)瓶頸，是智能裝備制造行業(yè)發(fā)展的一次飛躍。

1.2.3 機械化施工

交通工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展對各橋梁、公路等工程的施工工期提出了更高的要求，在保證施工質(zhì)量的前提下逐步縮短工期，進(jìn)行機械化施工已成為必然趨勢，而機械化施工中主要用到的就是機電一體化技術(shù)。機電一體化技術(shù)的應(yīng)用使施工機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)更為有效，例如在橋梁工程施工中，機電一體化技術(shù)高度整合施工現(xiàn)場的各類設(shè)備，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、集約化施工，達(dá)到施工材料、施工設(shè)備、施工人員的高度協(xié)調(diào)一致，提高了橋梁工程施工效率并節(jié)約了工程成本[2]。

2 機電一體化發(fā)展趨勢

2.1 智能化發(fā)展

機電一體化技術(shù)的先進(jìn)程度主要體現(xiàn)在其智能化發(fā)展方向上，即不再局限于某種機電一體化設(shè)備的單獨應(yīng)用，而是體現(xiàn)了多領(lǐng)域、多數(shù)量的機電設(shè)備集群優(yōu)勢，智能化的發(fā)展趨勢使得機電一體化技術(shù)可嘗試自主修復(fù)或創(chuàng)新等功能，類似于當(dāng)前較為流行的機器學(xué)習(xí)技術(shù)，但機電一體化技術(shù)在某種程度上已超出了機器學(xué)習(xí)的范疇，可歸屬為一種自適應(yīng)、自控制的全新領(lǐng)域。

2.2 區(qū)域化發(fā)展

城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速使得機電一體化技術(shù)也向著集中化、區(qū)域化的模式發(fā)展，區(qū)域化的發(fā)展模式將機電一體化技術(shù)在機械制造、機械施工等行業(yè)內(nèi)的優(yōu)勢進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為發(fā)展的潛力，并以此帶動機械施工領(lǐng)域中精細(xì)化控制和傳動技術(shù)的變革，使得區(qū)域內(nèi)機電一體化技術(shù)在各類應(yīng)用中實現(xiàn)優(yōu)勢互補、產(chǎn)業(yè)聯(lián)動，逐漸形成機電一體化技術(shù)的區(qū)域發(fā)展規(guī)?；骸?/p>

2.3 系統(tǒng)化發(fā)展

機電一體化技術(shù)并不是機電技術(shù)簡單的更新與迭代，而是多專業(yè)、多學(xué)科彼此交叉、融合的產(chǎn)物，從宏觀的角度上來講屬于一個立體的、多元化的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)有機結(jié)合了機電工程、電子工程、信息工程等相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也十分豐富，例如遙感、電控和自動檢測等。機電一體化技術(shù)具有豐富的接口設(shè)計，各類差異化的功能需求可通過簡單的接口變更和調(diào)試，便可實現(xiàn)種類豐富的應(yīng)用功能。機電一體化技術(shù)系統(tǒng)化的發(fā)展模式，改變了過去單獨功能模塊單獨發(fā)揮特定功能的思維定位，形成完善的、靈活的、系統(tǒng)化的模型架構(gòu)[3]。

3 機電一體化在工程施工機械中的應(yīng)用

3.1 節(jié)能機械應(yīng)用

公路工程施工中所用到的機械設(shè)備通常采用兩種方式獲得動力：一種是燃油（汽油或柴油）型，另一種是燃料電池（可充電電池）型。近5年出廠的公路施工機械設(shè)備（如挖掘機、壓路機、攤鋪機等）一般均以燃料電池為動力方式，即所謂的電動型施工機械。此種類型的公路施工機械在節(jié)能方面具有強大的特點，這得益于機電一體化技術(shù)在燃料電池組控制方面的成功應(yīng)用。例如，在電動型挖掘機的使用中，需要綜合考慮動力和節(jié)能等問題，機電一體化技術(shù)的電控模塊具有根據(jù)土方深度和強度調(diào)節(jié)輸出功率（動力）的自反饋功能，類似于空調(diào)或汽車領(lǐng)域中的變頻控制功能，但不同點在于機電一體化技術(shù)中的自反饋功能是完全基于目標(biāo)定位而實現(xiàn)的直接功能，省去了“變頻”這一環(huán)節(jié)，其意義在于反饋的初始環(huán)節(jié)中，無須驅(qū)動信號的啟動源，即省去了這部分能量消耗，主要側(cè)重于電控全過程中的能量動態(tài)、均勻分布，節(jié)能效果非常明顯。因此，各種類型的挖掘機體積都不大，卻能夠保證公路施工時所需的強大挖掘功率，同時兼顧節(jié)能問題，這其中機電一體化技術(shù)發(fā)揮了強大的作用。

3.2 監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用

為保證公路工程的施工質(zhì)量和施工安全，在施工現(xiàn)場的重要位置布設(shè)有多臺監(jiān)控設(shè)備，定點施工位置的監(jiān)控設(shè)備主要是以攝像頭為主，而在流動式的施工監(jiān)測中，所用到的施工監(jiān)控設(shè)備還包括全站儀和示波器等，在流動的卡車、攪拌車、叉車及其他運輸車輛中，特別是司機視線的盲區(qū)也應(yīng)安裝攝像頭，這些監(jiān)控設(shè)備種類繁多、型號多樣，但核心功能都是以實現(xiàn)動態(tài)可視化的監(jiān)測為目的。機電一體化技術(shù)在監(jiān)控設(shè)備領(lǐng)域的成功應(yīng)用，使得監(jiān)控設(shè)備不再局限于單一的監(jiān)測用途，而是在監(jiān)測基礎(chǔ)上融合了功能強大的報警和決策功能。例如，攪拌車或卡車的盲區(qū)位置安裝的監(jiān)控設(shè)備，不僅具有畫面監(jiān)視功能，對于攝像頭無法覆蓋的區(qū)域還配置有紅外傳感器，專門用于人體的識別和檢測，機電一體化技術(shù)將監(jiān)控設(shè)備、紅外線傳感設(shè)備、報警設(shè)備進(jìn)行深度集成，是監(jiān)控設(shè)備在公路工程施工中的一次顛覆性應(yīng)用[4]。

3.3 檢測機械應(yīng)用

自動檢測機械是機電一體化技術(shù)在工程施工中的應(yīng)用代表，主要用于子系統(tǒng)檢測、系統(tǒng)運行可靠性檢測等領(lǐng)域。當(dāng)施工機械設(shè)備開機后，自動檢測系統(tǒng)開始進(jìn)行自檢，自檢過程由既定的程序指引，以綜合判斷子系統(tǒng)的運行工況，如果其中某個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，搭載機電一體化技術(shù)的自動跟蹤和報警模塊會被觸發(fā)，現(xiàn)場施工技術(shù)人員會第一時間發(fā)現(xiàn)并處理問題，避免了施工故障進(jìn)一步擴大，保證了后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

4 工程機電系統(tǒng)核心組件的選型與設(shè)計

4.1 單片機

單片機主要是由并行8255端口控制系統(tǒng)的信號處理，信號處理一般包括接收系統(tǒng)的對轉(zhuǎn)矩、閥門的開啟和關(guān)閉等，此外閥門的開度也需要設(shè)定信號進(jìn)行處理，最終提供三相PWM波發(fā)生器在工程施工中所需的各類控制信號。單片機還可實現(xiàn)對IPM發(fā)出的警報及故障信號的處理任務(wù)，模擬接口輸入的電壓、電流和電位等檢測信號，提供工程施工中各設(shè)備運轉(zhuǎn)的狀態(tài)信號，還有執(zhí)行施工命令的控制信號和施工進(jìn)度及質(zhì)量的反饋信號等，可選用INTEL公司所生產(chǎn)的8031型單片機。

4.2 三相PWM波發(fā)生器

三相PWM波可通過模擬及數(shù)字兩種方式獲取，其中模擬方法較為復(fù)雜，并且通常伴有溫漂情況發(fā)生，獲取的三相PWM波精度較低，對控制系統(tǒng)的性能具有一定影響。數(shù)字方法獲取PWM波是以不同計算模型為基礎(chǔ)得出各切換點而后存入內(nèi)存，由查詢表和相關(guān)公式產(chǎn)生PWM波，但這種方法占有較大的內(nèi)存，在保證控制系統(tǒng)的精度方面效果不理想。因此，為使工程施工中各機械設(shè)備的智能功率模塊能夠獲得高質(zhì)量的PWM波控制信號，使微處理器有充足時間完成各系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢測、保護(hù)等功能，擬選用MITEL公司生產(chǎn)的SA8282型三相PWM波發(fā)生器。該類型PWM波發(fā)生器屬于工程施工中專用的大規(guī)模集成化電路系統(tǒng)，擁有獨立的微處理器接口且芯片組內(nèi)部含有波形、頻率和幅值等相關(guān)控制信息，便于工程技術(shù)人員查找和使用。

4.3 智能逆變模塊

智能逆變模塊IPM的設(shè)計目的是為了減少工程機械設(shè)備空間占用率并提高機械設(shè)備的性能，機械設(shè)備的電機電源應(yīng)采用智能逆變模塊IPM，其實際的執(zhí)行機構(gòu)適用于功率為5.5 kW以下的三相異步電機，額定電壓為380 V，額定功率因素為0.75，為使機械設(shè)備在工程施工中發(fā)揮出良好的動力性能，可選用日本生產(chǎn)的PM50RSA120型逆變功率模塊，該型號的逆變功率模塊集成了功率開關(guān)、驅(qū)動電路和制動電路，內(nèi)部設(shè)置了相應(yīng)的電路保護(hù)系統(tǒng)，如過壓、過流、短路、失壓及過熱等保護(hù)，當(dāng)保護(hù)動作時會發(fā)出相應(yīng)的報警以提示工程技術(shù)人員進(jìn)行檢查，屬于高穩(wěn)定性的功率開關(guān)元件。

4.4 位置檢測電路

位置檢測電路是工程機械設(shè)備中執(zhí)行機構(gòu)的主要組成部分，其功能是提供執(zhí)行命令所需的準(zhǔn)確位置信號，位置檢測電路的選取關(guān)鍵在于位置傳感器，傳統(tǒng)方式的電動執(zhí)行機構(gòu)通常使用繞線式電位器、差動式變壓器和導(dǎo)電塑料式電位器等，繞線式電位器使用壽命短且容易發(fā)生故障，而差動式變壓器的線性區(qū)間較窄，其溫度曲線突變的情況經(jīng)常發(fā)生。繞線式電位器和差動式變壓器的性能不夠理想，在工程應(yīng)用中受到很多限制。導(dǎo)電塑料式電位器當(dāng)前的工程應(yīng)用較多，但也存在很多弊端，例如觸點問題、壽命問題和精度問題等。鑒于機電一體化技術(shù)在工程機械中應(yīng)用的穩(wěn)定性和安全性考慮，可使用脈沖數(shù)字式傳感器，該類型的傳感器無觸點、精度高、穩(wěn)定性好，并且沒有線性區(qū)間和溫度區(qū)間等限制。

4.5 電壓、電流檢測

對電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行檢測的目的是為了評估電機的力矩情況，當(dāng)工程機械的變頻器出現(xiàn)短路、斷路及其他模塊故障時可以進(jìn)行分析和排查。變頻器輸出的信號頻率范圍通常為0～50 Hz，使用常規(guī)類型的CT（電流互感器）或PT（電壓互感器）無法達(dá)到要求，為獲得電流、電壓的真實數(shù)值，可使用霍爾型CT檢測IPM輸出的實際三相電流大小，使用分壓電路對IPM的輸出電壓進(jìn)行檢測。

4.6 通信接口

為實現(xiàn)工程機械中的工控機聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程終端的控制功能，機械設(shè)備的控制單元應(yīng)具有相應(yīng)的通信接口，接口分為串行接口和并行接口兩種，由于系統(tǒng)兼容性等問題，并行接口在當(dāng)前的各類計算機系統(tǒng)中的使用已不多見。可選用MAX232作為控制系統(tǒng)的通信接口（串行），MAX232內(nèi)部含有多個同類型的電平轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)?031串行口發(fā)出的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232標(biāo)準(zhǔn)電平，也可將其他工控機傳輸過來的RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，再傳回至8031，以此實現(xiàn)單片機和其他工控機之間的通信。

4.7 時鐘電路及液晶顯示

時鐘電路可為工程機械的控制系統(tǒng)提供采樣和控制周期，同時包含施工速度的計算和日歷、時間等常用功能，為獲得更長時間的數(shù)據(jù)保持、備份能力，可選用DS12887型時鐘電路，其內(nèi)部的RAM具有114字節(jié)的非易失性保護(hù)模組。為方便施工現(xiàn)場指揮人員進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度，應(yīng)在控制系統(tǒng)配置液晶顯示單元以實現(xiàn)良好的人機交互模式?？墒褂肕GLS12832型液晶模塊組成顯示電路，以組態(tài)的方式呈現(xiàn)給使用者，使用者通過瀏覽菜單可對工程機械設(shè)備的電機、限位、力矩及通信參數(shù)進(jìn)行調(diào)試或修改，使用圖文結(jié)合的顯示方式更為直觀和清晰。

4.8 程序故障自恢復(fù)電路

程序故障自恢復(fù)電路能夠使工程機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)異?；虬l(fā)生程序故障時自動還原系統(tǒng)，使系統(tǒng)重新恢復(fù)正常使用，MAX705型程序故障自恢復(fù)電路運行工況比較穩(wěn)定，由與非門和微分、差分電路構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)程序出現(xiàn)故障時，WDO由高位變成低位，差分電路的使能作用將與非門引腳變?yōu)楦唠娖?，引腳電位的變化使與非門發(fā)出相應(yīng)的正脈沖，此時單片機收到正脈沖后進(jìn)行一次復(fù)位，復(fù)位完成后由程序通過通信端口向MAX705的WDI引腳發(fā)送正脈沖，WDO的引腳變?yōu)楦唠娖剑绦蚬收献曰謴?fù)電路對程序的運行情況進(jìn)行不間斷監(jiān)測，當(dāng)再次發(fā)現(xiàn)程序運行故障時，將重復(fù)上述步驟，直至程序恢復(fù)正常為止，保證工程機械的正常運轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語

機電一體化技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用正向著智能化的方向不斷邁進(jìn)，既提高了工程質(zhì)量和效率，又簡化了施工過程，同時各類施工中的建模設(shè)計、集成分析等有價值的工程數(shù)據(jù)又為機電一體化技術(shù)的自我完善和修正提供了支持。機電一體化技術(shù)的關(guān)鍵在于系統(tǒng)組件的選型與設(shè)計，應(yīng)由不同工程中機械設(shè)備使用的不同需求完成系統(tǒng)組件的選型工作，使機械設(shè)備在工程施工中發(fā)揮出最大的作用，最終實現(xiàn)智能化、精細(xì)化的施工愿景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]黃俊.論機電一體化技術(shù)在交通工程設(shè)施中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2020（9）：201-203.

[2]張文潔.機電一體化技術(shù)在機械工程上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].中國設(shè)備工程，2020（10）：225-226.

[3]李隨峰.機電一體化技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用論述[J].信息系統(tǒng)工程，2020（1）：71-72.

[4]劉克宇.工程機械機電一體化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].造紙裝備及材料，2021（9）：90-91.