浅析机电一体化在工程机械中的应用

曹明政+丰延华

摘要：随着计算机技术的高速发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，并广泛应用于工程机械领域。本文阐述了机电一体化的内涵和发展趋势，并对机电一体化技术在工程机械中的应用进行了讨论。工程机械的电子与电气控制系统部分质量与性能的优劣又直接影响到工程机械的动力性、施工质量、生产效率、可靠性、经济性及使用寿命等。

关键词：机电一体化；工程机械；电子控制；应用

前言

机电一体化又称机械电子学，是一门跨学科的综合性高技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术、机械技术、液压技术以及其他技术相互融合而成的一门独立的交叉学科。机电一体化技术从二十世纪70年代中期在国外工程机械上得到初步应用，80年代以微电子技术为核心代表的高新技术的蓬勃发展，使得微型计算机及微处理技术、传感与检测技术、信息处理技术等在工程机械上得到应用，推动了工程机械制造技术的迅速发展，从根本上改变了工程机械的面貌，极大提高了产品性能，使工程机械进入了一个全新的发展阶段。以微机或微处理器为核心的电子控制系统在国外工程机械上的应用已相当普及，并已成高性能工程机械不可缺少的组成部分。

1机电一体化发展方向

机电一体化是集机械、电子、信息、计算机、控制、光学等多种学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。纵观世界各国机电一体化在工程机械中的应用，其主要发展方向大致有以下几个方面：

1.1智能化

智能化是新世纪机电一体化技术的一个重要发展方向，人工智能在机电一体化的科学研究中日益受到重视。机电一体化产品的智能化主要是使高性能、高速的微处理实现机电一体化产品赋有低级智能或者人的部分智能，机器人与数控机床的智能化就是重要应用代表。智能化通过对机器行为的描述，在控制理论科学的基础上，应用人工智能、运筹学、模糊数学、计算机科学、生理学、心理学等新思想和新方法，使机器具有逻辑思维、判断推理最终能够自主决策。

1.2模块化

模块化是机电一体化技术中的一项重要而艰巨的工程。机电一体化产品种类和生产厂家繁多的现实情况使得相关单位制定各项标准，以便于各部件、单元的匹配，企业研制和开发具有标准机械接口、动力接口、电气接口和环境接口等的机电一体化产品单元，比如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元以及各种能完成操作的机械装置等。在这些标准单元的基础上就可迅速开发新产品，同时也可以扩大生产规模。但是，由于部分企业的短视行为与利益保护，近期很难制定出国际或国内这方面的标准，但可喜的是，通过组建一些大企业可以逐渐形成一定范围内的标准。

1.3网络化

20世纪90年代，网络技术的兴起和飞速发展给科学技术，工业生产等都带来了巨大的变革，网络系统将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一经研制成功，只要其功能质量可靠，很快就会畅销全球。另一方面，基于网络的各种远程控制和监视技术发展越来越好，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术的应用使家用电器网络化已形成优势，利用家庭网络将家用电器连接成以计算机为中心的集成家电网络系统，能使人们待在家里就可分享高技术的便利和快乐。因此，机电一体化产品必将朝着网络化方向发展。

1.4微型化

微型化指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势，泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积越来越小，耗能也越来越少，运动更加灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有无可比拟的优势。微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

1.5环保化

工业的高速发展致使全球资源减少，生态环境受到严重污染。政府和人民越来越重视保护环境资源，回归自然，绿色产品在这种呼声下应运而生。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的全过程中，既符合特定的环境保护和人类健康的要求，又对自然生态环境无害或甚至危害极少，同时资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是使用时不污染生态环境，报废后能回收利用，因此绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前景。

2机电一体化的应用

机电一体化技术推动了工程机械的迅速发展，从根本上改变了工程机械的原始面貌，极大促进了机械产品性能的提高，使工程机械进入了一个全新的发展阶段。

2.1在线监控与故障自诊

对工程机械的发动机、工作装置、传动系统、制动系统与液压系统等的运行状态进行实时监控，一旦出现异常现象，能自动报警并准确地指出故障的部位，从而改善技术人员的工作条件，提高机器的工作效率，简化设备维护检查工作，降低使用维修费用，延长设备的使用寿命。

2.2节约能源，提高效率

传统工程机械的能量利用率较低，这种现状迫使工程机械的发展必须着眼于节能。日本某公司研发的新型挖掘机采用节能控制器，燃料可节省23%，具有良好的节能效果；挖掘机节能控制系统采用了卡特电子效率控制系统，对发动机和泵的综合控制使功率的利用率可达98%。

2.3保证作业质量

机电一体化大大提高了传统工程机械的作业精度。现代沥青及水泥混凝土拌和设备广泛采用了微机控制的自动化电子称量系统；自动找平系统的也使沥青混凝土摊铺机的施工精度和质量有了较大的提高；超声波自动供料系统使沥青混凝土摊铺机的供料实现了自动调节，进一步提高了摊铺质量。平地机刮刀、推土机铲刀、铲运机铲斗刀刃的机电控制，既提高了作业精度和作业效率，也减轻了操作人员的劳动强度。

2.4作业自动化

工程机械实现自动化或半自动化控制，可以减轻操作者的劳动强度，提高生产率，并减少因操作者的经验不足对作业精度的影响。例如，日本某挖掘机公司的设有挖掘轨迹控制系统，技术人员在控制板上预先设定好铲斗运动轨迹后，微机控制系统就能根据传感器的信号，自动控制动臂、斗杆和铲刀的运动，实现各种条件下精确挖掘，使挖掘作业实现了自动化。为实现无人驾驶，使工程机械能在危险地带或人无法接近的地点进行作业，某些国外工程机械上设置了无线遥控装置。

2.5其他方面的应用

在发达国家，包装机械设计广泛应用机电一体化技术已是十分成熟的技术，它们可使传统的机械设备变得简单可靠，在实现其复杂包装功能的过程中。食品机电一体化包装机械提高包装机械的自动化程度，将包装机械的研发与计算机结合，实现机电一体化控制。包装机械应用机电一体化技术，开发智能化包装技术，按产品自动包装工艺要求组合成全自动包装系统进行生产，生产过程的检测与控制、故障的诊断与排除将实现全面自动化，实现高速、优质、低耗和安全生产。可用于水产加工食品的精确计量、高速充填和包装过程自动控制等，将使包装機械结构大为简化，提高包装产品质量。如最常见的塑料袋封口机，其封口质量与包装材料、热封温度和运行速度等有关。如材料（材质、厚度）发生变化，那温度和速度也要随之改变，但变化多少却难把握。如采用微机控制，将各种包装材料的封口温度和速度的最佳参数匹配输入微机存储器，再配上必要的传感器，组成自动跟踪系统，这样，不管哪个工艺参数改变，都能保证最佳的封口质量。

机电一体化在玻璃纸成型机中的应用在国内也很成功，陕西某设计研发单位在造纸机械中采用了国内较先进的工控机，实现全电脑操作，研制了目前国内玻璃纸行业首台采用机电一体化的设备。在整体外观设计上，将造纸机械的优势融进玻璃纸机的设计当中，使其结构性能更趋于优化合理，特别是在控制系统上更趋完善。经过近1个月的生产，全线设备运行稳定，出纸正常，各项技术指标均达到设计要求。

3结语

机电一体化是当今世界机械工业发展的主要方向，其应用与发展已引起工农业、科技、经济、社会等各方面的巨大变革。机电一体化技术在工程机械中的应用将越来越广泛，地位也越来越重要，大力发展新一代机电一体化机械产品，不仅是改造和武装我国传统老机械设备的必经之路，而且是推动机械产品更新换代、开辟新领域和发展与振兴我国机械工业的必由之路。