洛陽(yáng)市澗光工程技術(shù)有限公司 李成偉

機(jī)電一體化是當(dāng)前的高新技術(shù)，主要將信息技術(shù)、電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品加工生產(chǎn)過程與提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

工程機(jī)械是工程建設(shè)活動(dòng)中使用的施工機(jī)械的總稱，具體包括建筑、電力、水利、礦山、道路等領(lǐng)域中使用的裝卸起重等設(shè)備。在當(dāng)前的發(fā)展階段中，機(jī)電一體化系統(tǒng)融入了更加多樣化的技術(shù)，如將液壓技術(shù)、電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)結(jié)合，賦予機(jī)械產(chǎn)品更為豐富的功能，同時(shí)強(qiáng)化動(dòng)力性能，提高產(chǎn)品的可靠性與經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)舒適度與精準(zhǔn)度都獲得顯著提升；將信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)與微處理技術(shù)運(yùn)用到工程機(jī)械中，將電子調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)用到工程機(jī)械中，切實(shí)增強(qiáng)了工程機(jī)械的可控性。

1 機(jī)電一體化技術(shù)的主要價(jià)值

1.1 提高設(shè)備安全化水平

現(xiàn)代工程機(jī)械在運(yùn)用機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)后，增加了傳統(tǒng)工程機(jī)械缺少的自動(dòng)檢修、報(bào)警提示與監(jiān)控等功能。工程機(jī)械在使用期間的工作量往往較大，各個(gè)部件的磨損程度較為嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間使用后故障發(fā)生率也隨之升高，若沒有及時(shí)進(jìn)行維修與養(yǎng)護(hù)，在使用期間出現(xiàn)故障，可能會(huì)威脅操作者的安全。而通過自動(dòng)監(jiān)控功能可隨時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況與疲勞、受損程度，設(shè)備可自動(dòng)提示預(yù)警信息，以此確保使用者的安全，減少設(shè)備造成的安全事故。如為了實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)傾翻事故的有效預(yù)防，通過微機(jī)來處理傳感器提供的信息，系統(tǒng)在有危險(xiǎn)時(shí)立即將警報(bào)發(fā)出，提示操作人員立即進(jìn)行應(yīng)對(duì)；將使用了傾斜儀設(shè)備的防傾翻裝置運(yùn)用到坡地作業(yè)機(jī)械中，可預(yù)防機(jī)械出現(xiàn)傾翻的情況。

1.2 簡(jiǎn)化調(diào)試與養(yǎng)護(hù)工作

將多種類別的傳感器運(yùn)用到工程機(jī)械設(shè)備中，依靠監(jiān)控裝置就能直接了解機(jī)械的液壓系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速系統(tǒng)與柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障。系統(tǒng)提供的信息能幫助檢修人員判斷故障發(fā)生位置，提高故障維修效率，指明養(yǎng)護(hù)工作開展方向，從而達(dá)到簡(jiǎn)化維修、調(diào)試與保養(yǎng)過程的目的。

1.3 優(yōu)化產(chǎn)品性能

機(jī)電一體化技術(shù)在優(yōu)化工程機(jī)械性能方面的作用極為重要，將單一化的機(jī)械式操作模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化操作模式，不僅簡(jiǎn)化了操作過程，降低人工作業(yè)難度，并提供遠(yuǎn)程操作與無人駕駛的功能，還擴(kuò)大了工程機(jī)械的應(yīng)用范圍，使人們能安全地探索更具有危險(xiǎn)性的海底等區(qū)域，借助海底機(jī)器人與水下推土機(jī)等機(jī)械設(shè)備就能完成水下作業(yè)任務(wù)。

機(jī)電一體化技術(shù)還使工程機(jī)械具備自動(dòng)記錄與保存工作信息的功能，可記錄柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，潤(rùn)滑油消耗量，燃油消耗量，運(yùn)行時(shí)間等技術(shù)信息。使用者借助系統(tǒng)自動(dòng)保存的信息，可完善施工方法，優(yōu)化管理系統(tǒng)，同時(shí)也可將信息作為制定機(jī)械設(shè)備更新、保養(yǎng)以及修理方案的依據(jù)，更好地運(yùn)用工程機(jī)械。另外工程機(jī)械上配備的照明、空調(diào)等裝置也在機(jī)電一體化的研究與開發(fā)范圍之內(nèi)。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 高性能化發(fā)展

工程機(jī)械依靠機(jī)電一體化技術(shù)能提高運(yùn)行速度，強(qiáng)化運(yùn)行可靠性，提高運(yùn)行效率與精度水平，因此機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用顯現(xiàn)出高性能化的發(fā)展趨勢(shì)。CNC 系統(tǒng)運(yùn)用多CPU 型結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用多總線式連接方式，開發(fā)應(yīng)用模式時(shí)追求高速、高可靠性、高運(yùn)行效率與高精度等性能，這一系統(tǒng)支持同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)操作的功能，可滿足高性能機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，當(dāng)前的工程機(jī)械對(duì)于性能的要求仍在不斷提高。

2.2 智能化發(fā)展

機(jī)電一體化具有明顯的智能化發(fā)展趨勢(shì)。研發(fā)者基于控制理論，融合計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、心理學(xué)、混沌動(dòng)力學(xué)、模糊數(shù)學(xué)等來自不同學(xué)科的理論，對(duì)人類的智慧進(jìn)行模擬，使工程機(jī)械系統(tǒng)形成自主決策、邏輯思維與推理判斷的能力，并增強(qiáng)工程機(jī)械的整體可控性。當(dāng)前的數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人都形成了較高的智能化水平。盡管當(dāng)前機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品不需達(dá)到人類智能的高度，但采用高速與高性能型的微處理器后，機(jī)械產(chǎn)品可具備人類的部分智能，形成低級(jí)智能水平，自身的應(yīng)用價(jià)值也得以提高，且智能化水平呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2.3 微型化發(fā)展

工程機(jī)械領(lǐng)域中的機(jī)電一體化技術(shù)的開發(fā)目標(biāo)之一就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的微型化，通過不斷升級(jí)現(xiàn)有機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)，開發(fā)出微米級(jí)或者納米級(jí)尺寸的工程機(jī)械產(chǎn)品，控制器體積低于1m3。醫(yī)療、信息與軍事等領(lǐng)域都需要有這種微型化機(jī)電產(chǎn)品，這類產(chǎn)品普遍具有靈活性強(qiáng)、耗能低以及體形小巧的特點(diǎn)。微機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品在加工過程中運(yùn)用精密程度極高的技術(shù)，如蝕刻技術(shù)與光刻技術(shù)。除前三種主要發(fā)展趨勢(shì)外，工程機(jī)械領(lǐng)域中的機(jī)電一體化技術(shù)還顯現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。

綠色化趨勢(shì)。當(dāng)前人們注重環(huán)境保護(hù)，很多行業(yè)也呈現(xiàn)出環(huán)保化發(fā)展趨勢(shì)，因此進(jìn)行加工時(shí)需避免給生態(tài)環(huán)境帶來污染，機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)入到報(bào)廢環(huán)節(jié)后，材料能被回收與再利用，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，機(jī)械制造活動(dòng)中也更多地運(yùn)用環(huán)保友好型材料；模塊化發(fā)展趨勢(shì)。研發(fā)的機(jī)械產(chǎn)品需具有環(huán)境接口、動(dòng)力接口、電氣接口與機(jī)械接口，重點(diǎn)研發(fā)集合電機(jī)、智能調(diào)速與減速為一體的動(dòng)力單元，兼具測(cè)距、識(shí)別、信息處理與視覺等多種豐富功能的控制單元。通過標(biāo)準(zhǔn)化單元實(shí)現(xiàn)大力開發(fā)新型機(jī)械產(chǎn)品的目標(biāo)。為給模塊化產(chǎn)品提供更好的研發(fā)與應(yīng)用環(huán)境，需要完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使各種單元與部件能相互匹配；網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)。機(jī)械產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)所用的終端設(shè)備就屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，通過網(wǎng)絡(luò)化能更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控需求。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在現(xiàn)代工程機(jī)械的應(yīng)用

3.1 全自動(dòng)化與半自動(dòng)化應(yīng)用

工程機(jī)械在機(jī)電一體化的技術(shù)的影響下，自動(dòng)化水平日益提升，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化與自動(dòng)化作業(yè)目標(biāo)，以此來降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)可代替作業(yè)人員前往較為危險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行相應(yīng)的施工工作，保障人員的安全。自動(dòng)化的運(yùn)行系統(tǒng)可彌補(bǔ)作業(yè)人員在技術(shù)以及操作經(jīng)驗(yàn)等方面的缺陷，降低操作難度，提升操作精度。以挖掘機(jī)為例，現(xiàn)代挖掘機(jī)被賦予了自動(dòng)控制挖掘軌跡的功能，操作者只需預(yù)先為鏟斗設(shè)置運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)形狀，微機(jī)操作系統(tǒng)就能結(jié)合傳感器提供的信號(hào)，自動(dòng)控制斗桿、鏟刀與動(dòng)臂，精準(zhǔn)地進(jìn)行斜坡、開口以及斷面溝槽等挖掘任務(wù)。

將由微機(jī)控制的電子化稱量系統(tǒng)運(yùn)用到攪拌設(shè)備中，促使設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行計(jì)量工作，設(shè)備能提供更為精準(zhǔn)可靠的計(jì)量結(jié)果，省略人工計(jì)量步驟，有利于加快施工節(jié)奏；攤鋪機(jī)的自動(dòng)找平系統(tǒng)切實(shí)提高作業(yè)路面的實(shí)際平整度，符合當(dāng)前施工對(duì)于高質(zhì)量的追求；自動(dòng)化供料系統(tǒng)在提升攤鋪質(zhì)量的工作中也發(fā)揮了重要作用，使供料過程更加連續(xù)。

3.2 柴油機(jī)的自動(dòng)化控制

柴油機(jī)這種內(nèi)燃機(jī)的主要燃料是柴油，其借助機(jī)電一體化技術(shù)可優(yōu)化運(yùn)行過程，實(shí)現(xiàn)降低排放量與控制油耗的目標(biāo)。柴油機(jī)采用電子化的燃油噴射控制系統(tǒng)，將噴油壓力提高，增設(shè)定時(shí)噴油功能，減少運(yùn)行中的噪聲。噴油控制系統(tǒng)由執(zhí)行器、電子控制系統(tǒng)與傳感器共同組成。其中的傳感器能將采集的位移量、化學(xué)量與物理量信息轉(zhuǎn)變成輸出信號(hào)，輸入到控制系統(tǒng)中，傳感器使用類別包括壓力傳感器、冷卻水溫度傳感器、燃油溫度傳感器以及曲軸轉(zhuǎn)角傳感器等。

電子控制部分包括備用電路、電源電路、輸出/輸入回路與微機(jī)等；執(zhí)行器主要有液壓式與電磁式。機(jī)電一體化技術(shù)還可對(duì)柴油機(jī)設(shè)備的壓力系統(tǒng)與閥門系統(tǒng)進(jìn)行控制，以此來調(diào)節(jié)柴油機(jī)，使其使用不同的作業(yè)環(huán)境；通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來監(jiān)控柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，獲取柴油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而支持后續(xù)的檢修與維護(hù)工作。

3.3 自動(dòng)化診斷故障、電子監(jiān)控與報(bào)警

機(jī)電一體化技術(shù)豐富了工程機(jī)械的基本功能，通過自動(dòng)報(bào)警功能、自動(dòng)診斷故障功能與電子監(jiān)控功能可全方位掌握工程機(jī)械的使用情況，了解其制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)的異常問題，自動(dòng)定位故障所在位置，快速處理故障問題。這些自動(dòng)化功能不僅可使工程機(jī)械保持相對(duì)安全的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還有利于維護(hù)工作的開展，降低維護(hù)工作量與成本，檢修人員依靠系統(tǒng)提供的設(shè)備相關(guān)信息即可正確判斷設(shè)備狀況與故障問題，停機(jī)維修的時(shí)間大幅縮短。

當(dāng)前工程機(jī)械具有較高的整機(jī)智能化水平，電液控制系統(tǒng)中綜合應(yīng)用了無人操作、可編程控制、機(jī)電一體化控制、負(fù)荷傳感全功率控制及自動(dòng)換擋變速器裝置；可結(jié)合具體選擇的作業(yè)模式，調(diào)整泵排量與油門開度。伺服控制技術(shù)與比例控制技術(shù)被更多地應(yīng)用到高精度型工程機(jī)械的內(nèi)部控制系統(tǒng)中，遙控?zé)o人駕駛類的工程機(jī)械可自動(dòng)地在有毒環(huán)境與危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。

3.4 機(jī)床應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代工程機(jī)械領(lǐng)域中處于極為關(guān)鍵的位置。數(shù)控激光切割機(jī)可以滿足切割質(zhì)量要求，形成的切縫相對(duì)偏小，不會(huì)帶來過于嚴(yán)重的變形問題，切割效率高，有利于縮短工程機(jī)械制造周期，同時(shí)其切割范圍極廣，有機(jī)玻璃、皮革以及金屬箔等材料均處于其切割范圍中。運(yùn)用這種激光切割機(jī)時(shí)，需要重點(diǎn)控制加工條件、光學(xué)系統(tǒng)、激光發(fā)生器等影響因素。使用過程中，需重點(diǎn)保護(hù)高度傳感器、割槍與鏡片，板厚度越大，需要的激光功率也更大。

數(shù)控折彎?rùn)C(jī)主要是借助專用或者通用模具，對(duì)處于冷態(tài)的金屬材質(zhì)板材進(jìn)行加工，使其形成不同的幾何截面形狀，其屬于板材成型機(jī)械，加工的產(chǎn)品可在電梯、輕工、飛機(jī)制造與汽車制造等行業(yè)中發(fā)揮作用。折彎?rùn)C(jī)大多擁有專用型數(shù)控系統(tǒng)，其組成部分包括擋料機(jī)構(gòu)、同步系統(tǒng)、工作臺(tái)與滑塊等，擋料機(jī)多運(yùn)用電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，兩個(gè)絲桿保同步移動(dòng)，可借助數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)擋料尺寸的控制；數(shù)控折彎?rùn)C(jī)通過光柵尺、伺服閥等多種液壓裝置構(gòu)建閉環(huán)回路，以此來控制不同的動(dòng)作；作業(yè)人員可利用按鈕盒來操縱電動(dòng)機(jī)，促使擋料架進(jìn)行前后移動(dòng)的動(dòng)作，控制移動(dòng)距離時(shí)需要借助數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；滑塊使用液壓式傳動(dòng)方式，滑塊系統(tǒng)的構(gòu)成部分有機(jī)械化微調(diào)裝置、油缸與滑塊，機(jī)架上安裝了左右油缸，控制液壓系統(tǒng)可使滑塊在活塞的帶動(dòng)下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，利用數(shù)控系統(tǒng)可直接控制擋塊。機(jī)床本身的性能直接決定折彎加工質(zhì)量，板材也會(huì)給加工結(jié)果帶去一定的影響。

弧焊機(jī)器人屬于工業(yè)機(jī)器人，能自動(dòng)完成弧焊任務(wù)。這種機(jī)器人在汽車零部件加工領(lǐng)域中得到大量使用?；『笝C(jī)器人具有柔性特點(diǎn)，在多段焊作業(yè)中有良好表現(xiàn)，能滿足相對(duì)復(fù)雜的焊接技術(shù)要求。自動(dòng)送絲裝置、控制盤、焊接電源與示教盒共同組成弧焊機(jī)器人，利用計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制與連續(xù)軌跡控制目標(biāo)。

當(dāng)前的弧焊機(jī)器人主要有非熔化極焊與熔化極焊兩種類型。弧焊機(jī)器人可滿足長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度焊接需求，焊接穩(wěn)定性強(qiáng)，焊接質(zhì)量高。投入使用弧焊機(jī)器人后，焊接工人的作業(yè)條件得到改善，勞動(dòng)強(qiáng)度也有所降低，焊接工人只需進(jìn)行裝卸工件的操作即可，可避免受到焊接煙霧與弧光的影響；機(jī)器人具有固定的生產(chǎn)節(jié)拍，因此能形成明確具體的產(chǎn)品生產(chǎn)周期，產(chǎn)品產(chǎn)量的可控性較強(qiáng)；弧焊機(jī)器人是按照預(yù)設(shè)的焊接參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，因此產(chǎn)品質(zhì)量具有均一性。

弧焊機(jī)器人中運(yùn)用了視覺傳感器與激光傳感器，其中激光傳感器可以跟蹤工件的焊縫，以此加工較為復(fù)雜的工件時(shí)，也能夠保持良好的適應(yīng)性與柔性；視覺傳感器則可以在離線狀態(tài)下掌握焊縫的參與偏差，在機(jī)器人處于不同的工況時(shí)，及時(shí)修正其運(yùn)行軌跡。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)電一體化技術(shù)不斷走向成熟，在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大，推動(dòng)工程機(jī)械朝著智能化與集成化的方向發(fā)展，促使工程機(jī)械形成更加完善的功能體系，使其更好地服務(wù)于工程建設(shè)活動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)及電子技術(shù)基礎(chǔ)性技術(shù)體系不斷發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)也將獲得更多優(yōu)化發(fā)展空間，工程機(jī)械也將形成更高的自動(dòng)化、智能化程度。