機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

邵 京

（中鐵十六局集團(tuán)物資貿(mào)易有限公司，北京 100018）

1 機(jī)電一體化技術(shù)特征

1.1 學(xué)科交互性特征突出

機(jī)電一體化技術(shù)融合多種技術(shù)形式，含多領(lǐng)域知識(shí)，能夠發(fā)揮微電子和機(jī)械技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)推動(dòng)工程機(jī)械的運(yùn)行具有重要意義。

1.2 整體最優(yōu)化。

在機(jī)電一體化技術(shù)的支撐下，機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率提高，日常運(yùn)行時(shí)的能耗降低，在滿足生產(chǎn)需求的同時(shí)具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)[1]。

1.3 技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富

機(jī)電一體化技術(shù)的理論成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)逐步積累，作為相對(duì)成熟的技術(shù)，具有可行性。

2 工程機(jī)械具備的性能

生產(chǎn)效率高、能耗低，踐行節(jié)能環(huán)保的發(fā)展路徑，減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。充分發(fā)揮工程機(jī)械在自動(dòng)化方面的優(yōu)勢(shì)，以便更高效地施工，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，保證施工精度，營(yíng)造安全的施工環(huán)境。機(jī)械設(shè)備的功能豐富，操作較便捷，需在設(shè)計(jì)階段踐行人性化理念，提高人機(jī)交互水平，使操作人員能夠根據(jù)自身需求更為高效地操作。工程機(jī)械應(yīng)具有足夠的耐久性，隨著工程機(jī)械使用時(shí)間延長(zhǎng)，其在經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)勢(shì)逐步彰顯，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、低成本的發(fā)展目標(biāo)。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

3.1 傳感器檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

傳感器檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非電量向電量的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用于工程機(jī)械能夠完整且及時(shí)地顯示最佳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效控制。隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，融合信息化、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，在靈敏性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性等方面均具有突出的優(yōu)勢(shì)。工程機(jī)械的使用環(huán)境復(fù)雜，粉塵、泥漿等對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響較明顯，傳感器應(yīng)具備密封、耐磨的特性，以免出現(xiàn)異常。應(yīng)用優(yōu)質(zhì)電子器件可以保證溫度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化與線性化，將溫度控制在合理范圍內(nèi)。

機(jī)電傳感器檢測(cè)技術(shù)如圖1所示。

圖1 機(jī)電傳感器檢測(cè)技術(shù)

3.2 I/O接口技術(shù)的應(yīng)用

工程機(jī)械對(duì)信號(hào)的多元化提出較高要求，為了順應(yīng)行業(yè)發(fā)展，在配套微處理器的基礎(chǔ)上聯(lián)合應(yīng)用I/O接口技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信息的有效處理；聯(lián)合應(yīng)用傳感器，獲得能夠反映機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，并對(duì)其進(jìn)行邏輯分析、判斷、轉(zhuǎn)換，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行要求，生成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一體化控制指令，達(dá)到動(dòng)態(tài)化調(diào)控效果。工程機(jī)械具備自診斷功能，可以基于I/O接口技術(shù)完成基于信息的一系列操作，如信息優(yōu)化、系統(tǒng)顯示。配套單片機(jī)能夠完成數(shù)據(jù)采集、傳遞、處理相關(guān)操作。

3.3 故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

基于機(jī)電一體化技術(shù)的工程機(jī)械運(yùn)行效率較高，存在噪聲低、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。功能層面的提升豐富了工程機(jī)械的配套技術(shù)，技術(shù)融合時(shí)，可能出現(xiàn)協(xié)調(diào)不佳或其他方面的問題。此時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員需要建立安全容錯(cuò)體系，幫助工程機(jī)械規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保證機(jī)械運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。故障自診斷功能模塊屬于工程機(jī)械的重要組成部分，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，基于算法確定故障的具體部位，對(duì)故障形成正確的認(rèn)識(shí)，及時(shí)定位和修復(fù)設(shè)備故障。電子故障診斷技術(shù)體系中，根據(jù)實(shí)際需求靈活選用紅外線分光光度儀、金屬微粒含量分析儀、超聲波探傷儀等儀器。

工程機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 工程機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)

3.4 在柴油機(jī)自動(dòng)控制中的應(yīng)用

工程機(jī)械的運(yùn)行負(fù)荷較大，對(duì)機(jī)械的動(dòng)力核心提出較高的要求，為順利推動(dòng)機(jī)械運(yùn)行，通常配套柴油機(jī)。技術(shù)人員通過降低柴油機(jī)污染物等級(jí)和提高燃油效率等方法，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化。機(jī)電一體化技術(shù)為柴油機(jī)的自動(dòng)控制提供可能，在合理的控制機(jī)制下，可以降低柴油機(jī)日常運(yùn)行中的廢氣排放量，提高其動(dòng)力性能；能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)工程機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行合理的調(diào)整，保持運(yùn)行全程的最優(yōu)化，使用自動(dòng)控制調(diào)速器能夠保證柴油機(jī)的合理運(yùn)行。在動(dòng)態(tài)化調(diào)控機(jī)制下，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益均提升。

3.5 實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)

應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)可以提高工程機(jī)械的自動(dòng)化水平，對(duì)保證質(zhì)量、提高效率、減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度等均具有積極意義。現(xiàn)代大型工程機(jī)械中，在技術(shù)層面進(jìn)行大量突破，如配置電子系統(tǒng)控制的自動(dòng)變速箱，可以提高挖掘機(jī)、推土機(jī)等相關(guān)工程機(jī)械的燃油經(jīng)濟(jì)性，有效地控制運(yùn)行全過程的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

3.6 分布式系統(tǒng)的應(yīng)用

在工程機(jī)械的機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用中，分布式控制系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)有控制內(nèi)容進(jìn)行分類，分別對(duì)應(yīng)特定的子處理系統(tǒng)，能夠取得傳統(tǒng)集中式控制方式不具備的良好控制效果。分布式控制系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用頻率逐步提高，能夠給實(shí)時(shí)調(diào)度、在線最優(yōu)化等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供更可靠的技術(shù)支持，逐步朝著“測(cè)、控、管”一體化的綜合性系統(tǒng)方向發(fā)展。分布式控制系統(tǒng)主要實(shí)施二級(jí)或三級(jí)模式，在部分應(yīng)用要求更高的工程機(jī)械中，具備更多的分級(jí)數(shù)量。

3.7 在改造機(jī)床方面的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床對(duì)產(chǎn)品加工精度具有較高的要求，配套模具存在偏差可能導(dǎo)致加工后的產(chǎn)品難以滿足質(zhì)量要求，實(shí)際使用中存在異常。機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)精確度的要求較高，配套高效的檢測(cè)系統(tǒng)，將其應(yīng)用于工程機(jī)械，能夠有效解決傳統(tǒng)方式下數(shù)控機(jī)床精度有限的問題，有利于數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]。

3.8 在包裝機(jī)械中的應(yīng)用

包裝機(jī)械的內(nèi)部組成復(fù)雜，任意部分存在異常均會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備的整體運(yùn)行狀態(tài)造成不良影響。控制連桿屬于機(jī)械的關(guān)鍵部分，可能影響機(jī)械整體運(yùn)行效果。向包裝機(jī)械中融入機(jī)電一體化技術(shù)，能夠達(dá)到化繁為簡(jiǎn)的效果，使包裝機(jī)械更順暢地運(yùn)行，提高作業(yè)效率，降低在檢維修方面的成本投入。

3.9 一體化智能化軌排

軌道成套智能化建造設(shè)備主要由智能分枕機(jī)、智能粗鋪機(jī)、智能精調(diào)機(jī)、承軌臺(tái)檢測(cè)機(jī)器人等設(shè)備組成，能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土澆筑質(zhì)量和精度智能控制、軌排軌枕自動(dòng)分枕定位組裝、軌排智能運(yùn)輸定位和粗鋪、軌排自動(dòng)精調(diào)鎖定，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、承軌臺(tái)數(shù)據(jù)智能測(cè)量、扣件自動(dòng)精準(zhǔn)配置的智能一體化施工工法，提高施工功效及工程質(zhì)量。

（1）智能分枕機(jī)。軌排組裝時(shí)，軌枕的分枕、定位可以采用智能分枕機(jī)完成，智能分枕機(jī)采用電腦編程控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的軌枕數(shù)量及軌枕間距，在人機(jī)界面選擇對(duì)應(yīng)的軌排型號(hào)，啟動(dòng)設(shè)備自動(dòng)完成分枕、勻枕和定位鎖定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收攏、自動(dòng)分枕、軌枕自動(dòng)定位、自動(dòng)鎖定等功能。自動(dòng)完成不同軌枕間距分枕，無(wú)累積誤差和設(shè)備間隙誤差，可以控制軌枕間距誤差小于3 mm，軌枕與鋼軌垂直度小于1 mm，每個(gè)軌排自動(dòng)分枕時(shí)間不超過1 min，極大地提高軌排組裝的功效。

（2）智能粗鋪機(jī)。軌排組裝完成，可以采用智能粗鋪機(jī)完成軌排吊裝，運(yùn)送至預(yù)鋪位置，并進(jìn)行精準(zhǔn)鋪設(shè)，智能粗鋪機(jī)采用電腦編程控制系統(tǒng)與全站儀測(cè)量技術(shù)，在軌排運(yùn)送過程中實(shí)時(shí)測(cè)量軌排的三維空間數(shù)據(jù)，自動(dòng)追蹤調(diào)整軌排位置，由測(cè)量系統(tǒng)與電腦控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)將軌排準(zhǔn)確定位鋪設(shè)，鋪設(shè)精度可以達(dá)到5 mm，減少后期軌排精調(diào)的時(shí)間。采用智能化建造設(shè)備，日平均工效顯著提高，砼澆筑后各項(xiàng)軌道指標(biāo)數(shù)據(jù)精度優(yōu)于傳統(tǒng)建造技術(shù)，工程質(zhì)量大幅度提高，能夠縮短施工工期，極大地降低扣件的更換率，降低施工成本，解決傳統(tǒng)建造技術(shù)勞動(dòng)力投入量大、設(shè)備功能單一、施工功效低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、施工質(zhì)量和施工精度不易控制、扣件更換率高等問題，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)建造設(shè)備向成套智能化建造設(shè)備的轉(zhuǎn)變。

4 機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用展望

（1）智能化。隨著機(jī)電一體化技術(shù)理論的成熟以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，融合人工智能、生命科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，模擬人類的智能活動(dòng)，促進(jìn)工程機(jī)械的智能化運(yùn)行[3]。

（2）模塊化。模塊化發(fā)展方式下，工程機(jī)械的復(fù)雜度降低，達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、減少資源浪費(fèi)等多重效果，工程機(jī)械的性能優(yōu)勢(shì)得到有效發(fā)揮。

（3）個(gè)性化。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨緊張的環(huán)境中，廠商推出的機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)能夠提供定制服務(wù)，滿足不同個(gè)體的特定需求，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，穩(wěn)定市場(chǎng)份額。工程領(lǐng)域中，個(gè)性化的機(jī)械設(shè)備能夠有效推動(dòng)工作開展。

（4）微型化。機(jī)電一體化技術(shù)與納米技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的融合是必然趨勢(shì)，能夠保證工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，減少成本投入。

（5）高性能。工程機(jī)械需要具備足夠的性能優(yōu)勢(shì)，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。因此，在機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展中，需要向高性能的趨勢(shì)邁進(jìn)，憑借良好的性能優(yōu)勢(shì)為日常工作助力。CNC系統(tǒng)中含有多個(gè)CPU結(jié)構(gòu)，配套多條總線，顯著提高工程機(jī)械性能。

（6）節(jié)能環(huán)保。面對(duì)資源日益緊缺的發(fā)展環(huán)境，節(jié)能環(huán)保發(fā)展之路勢(shì)在必行，在機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用中，應(yīng)充分關(guān)注資源的節(jié)約化利用以及生產(chǎn)廢棄物的深度處理，最大限度減小因生產(chǎn)作業(yè)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染問題。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)生產(chǎn)中，工程機(jī)械屬于重要組成部分，通過優(yōu)質(zhì)工程機(jī)械的配套，能夠給工業(yè)的發(fā)展提供助力。在工程機(jī)械的技術(shù)配套中，機(jī)電一體化技術(shù)極具代表性，能夠引領(lǐng)工程機(jī)械行業(yè)向高品質(zhì)、自動(dòng)化、智能化等方向邁進(jìn)，進(jìn)入新的發(fā)展階段。相關(guān)技術(shù)人員需要正確認(rèn)識(shí)機(jī)電一體化技術(shù)的重要性，把握發(fā)展機(jī)遇，注重技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用與創(chuàng)新，以期取得更為顯著的發(fā)展成果。