機電一體化在工程機械中

PAGEPAGE12PAGE【學(xué)術(shù)論文】機電一體化在工程機械中的應(yīng)用姓名：職稱學(xué)校：時間

目錄TOC\o"1-4"\h\z\u【學(xué)術(shù)論文】 1【摘要】 3【關(guān)鍵詞】： 3【正文】 3一、 概述 3二、 機電一體化的具體內(nèi)容 41. 機械技術(shù) 42. 計算機與信息技術(shù) 53. 系統(tǒng)技術(shù) 54. 自動控制技術(shù) 55. 傳感檢測技術(shù) 56. 伺服傳動技術(shù) 5三、 機電一體化發(fā)展時代 6四、 現(xiàn)代工程施工對工程機械要求 61. 電子監(jiān)控控制、自動報警及故障自診 62. 節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)率 73. 提高作業(yè)精度 74. 作業(yè)過程的自動化或半自動化 75. 其他應(yīng)用 7五、 機電一體化的發(fā)展趨勢 71. 智能化 82. 模塊化 83. 網(wǎng)絡(luò)化 84. 微型化 85. 環(huán)?；?9六、 機電一體化在現(xiàn)代工程機械中的應(yīng)用 91. 日趨成熟的GPS技術(shù) 92. 機電一體化技術(shù)在挖掘機上的運用 103. 機電一體化技術(shù)在旋挖鉆機上的運用 114. 遙控技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用 125. 小結(jié) 12

機電一體化在工程機械中的應(yīng)用【摘要】機電一體化又稱機械電子學(xué)，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學(xué)Mechanics的前半部分與電子學(xué)Electronics的后半部分組合而成。機電一體化在工程機械上的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)機械的設(shè)計，從而提高了機械的安全性、可靠性、經(jīng)濟性等，電子控制系統(tǒng)也提高了工程機械的工作效率及產(chǎn)品的工藝，使機械的優(yōu)越性能得到最大的發(fā)揮?！娟P(guān)鍵詞】：機電一體化；機械；電子控制機電一體化技術(shù)是將機械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息、技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)等多種技術(shù)進行有機地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實際中去的綜合技術(shù)。是現(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說都是機電一體化的設(shè)備。【正文】概述隨著計算機及微處理技術(shù)的飛速發(fā)展，機電一體化在工程機械上的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在現(xiàn)代工程機械上的應(yīng)用，從而促進了工程機械的智能化，提高了機械的工作效率和性能，使得工程機械的發(fā)展進入了一個新階段。中國機電設(shè)計邁入PLM全新階段，正挑戰(zhàn)著了前所未有的，不可預(yù)測的難題，一個個久戰(zhàn)沙場經(jīng)久不衰精兵良將正褪去了昨日英雄的光環(huán)，唯有CAMELVIEW能夠勝任軍統(tǒng)三國，光復(fù)舊業(yè)的重任，此時數(shù)系科技與德國iXtronicsGmbH公司攜手共同開拓機電設(shè)計領(lǐng)域的新篇章，CAMELVIEW作為機電一體化設(shè)計系統(tǒng)，從產(chǎn)品的概念設(shè)計到產(chǎn)品性能的測試、驗證、通過都是一體化的，流程化的、規(guī)范化的，在滿足用戶設(shè)計的前提下，數(shù)值實驗的仿真與結(jié)果的驗證無不精確化，支持復(fù)雜環(huán)境下，多工況，多耦合場設(shè)計。隨著計算機及微處理技術(shù)的飛速發(fā)展，在工程機械上的應(yīng)用也越來越廣泛，促進了工程機械的智能化，提高了機械的工作效率和性能，使得工程機械的發(fā)展進入了一個新階段。機電一體化械電子學(xué)主要研究目的是把機械技術(shù)與微電子技術(shù)和信息技術(shù)有機地結(jié)合為一體，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。機械電子學(xué)可以充分發(fā)揮機械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的各自的長處和特點，促進機械產(chǎn)品的更新?lián)Q代。機械電子學(xué)系統(tǒng)主要由機械主體、傳感器、信息處理和執(zhí)行機構(gòu)等部分組成。較高級的系統(tǒng)不但有硬件，而且還有相應(yīng)的軟件,利用軟件技術(shù)可以實現(xiàn)硬件難以實現(xiàn)的功能,使機械系統(tǒng)增加柔性。典型的機械電子系統(tǒng)有數(shù)控機床、加工中心、工業(yè)機器人等。機械電子學(xué)技術(shù)除用于單個機器、設(shè)備或一般的生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)改造之外，還用于柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、工廠自動化、辦公自動化、家庭自動化等方面。機電一體化的具體內(nèi)容主要包括：機械技術(shù)、計算機與信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)以及伺服傳動技術(shù)。機械技術(shù)機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)，機械技術(shù)的著眼點在于如何與機電一體化技機電一體化術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。計算機與信息技術(shù)其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均屬于計算機信息處理技術(shù)。系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)即以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解成相互關(guān)聯(lián)的若干功能單元，接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)中一個重要方面，它是實現(xiàn)系統(tǒng)各部分有機連接的保證。自動控制技術(shù)其范圍很廣，在控制理論指導(dǎo)下，進行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計后的系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，控制技術(shù)包括如高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等。傳感檢測技術(shù)傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高?，F(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。伺服傳動技術(shù)包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉(zhuǎn)換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能有決定性的影響。機電一體化發(fā)展時代機電一體化技術(shù)，使機械、液壓技術(shù)及電子控制技術(shù)等有機的結(jié)合在一起，大大提高了工程機械的操穩(wěn)性、可靠性、安全性等性能。目前電子控制技術(shù)已經(jīng)在應(yīng)用到現(xiàn)代工程機械的多個領(lǐng)域當(dāng)中，電子控制技術(shù)的核心主要是其中的微處理器技術(shù)。隨著工程強度和難度的要求變的越來越高，電子技術(shù)越來越多的應(yīng)用在工程機械上，其電子模塊的規(guī)模在逐漸變大、結(jié)構(gòu)也日益的復(fù)雜，相對的，這樣高性能工程機械的價格也在不斷上漲，因此在實際操作中，應(yīng)最大效率的發(fā)揮機械的作用，提高經(jīng)濟性，使得機械的高性能得到體現(xiàn)。工程機械中電子控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣會直接影響到機械的動力性，操作性、可靠性，使用壽命等，從而影響到施工作業(yè)的工藝和精度，但是有些工藝必需依靠電子控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，這樣也就迫切需要操作人員的能力的提高，以滿足電子系統(tǒng)大量應(yīng)用于工程機械的需要。現(xiàn)代工程施工對工程機械要求工程機械的性能高主要是包括能效經(jīng)濟性，性能穩(wěn)定行，工作可靠性，施工精確性，易操作性等等，另外還要求其具有運行狀態(tài)監(jiān)視、故障自診和自動報警功能，能對故障的位置及時的發(fā)現(xiàn)，從而減少損害。電子監(jiān)控控制、自動報警及故障自診在實際應(yīng)用中，要求電子監(jiān)控系統(tǒng)對機械的各個部門的工作狀況實行實時監(jiān)控，比如發(fā)動機的油耗、平整機的平整程度、液壓臂的受力等，而且要求有控制機械的功能，如自動停機裝置、叉車液壓的升降和自動升溫控制裝置等，對于故障自診斷，系統(tǒng)要求能夠及時對機械的異常現(xiàn)象進行檢測，并且能夠及時的報警及指出發(fā)生故障的部位，從而減少停機維修作業(yè)維修成本和時間，來提高機器的工作效率。節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)率傳統(tǒng)的工程機械都是用人工來進行操作控制的，所以施工的工業(yè)和能源的經(jīng)濟性都不高，例如液壓挖掘機對燃料能量利用率僅為30%左右，低能量利用率已經(jīng)成為工程機械發(fā)展的瓶頸，采用電子控制系統(tǒng)有效的減少人工多余的操作，并能夠增強機械工作的精確性，從而減少了機械各個部件之間的傳動，從而減小了能量的消耗。提高作業(yè)精度為了防止叉車的伸縮臂的在省局的過程中受力過大，所以，要采用電子稱重系統(tǒng)，來起到對其保護的作用。并且自動找平系統(tǒng)的應(yīng)用也使得瀝青混凝土攤鋪機的施工質(zhì)量達到了較大程度的提高。作業(yè)過程的自動化或半自動化工程機械實現(xiàn)自動化或半自動化控制，可以減輕操作者的勞動強度，來達到提高生產(chǎn)率的目的，從而減少因由于操作者的經(jīng)驗不足而引起精度過低的現(xiàn)象。其他應(yīng)用一些工程機械比如挖掘機、推土機等都有了電子系統(tǒng)控制的自動變速箱，變速箱能夠根據(jù)路面狀況來自行的變速變矩，從而使得傳動系統(tǒng)的傳動比自動改變，這不僅充分利用了發(fā)動機的功率，提高了燃油的經(jīng)濟性，并且也減少了人員的操作。在一些化工制藥的機械上，制藥對所需要的藥品原料的重量和相互反應(yīng)之間的順序都有著嚴(yán)格的要求，尤其在衛(wèi)生方面，在這種情況下，就可以通過機械操作來保證藥品的質(zhì)量，對藥品采用電子稱重，來對原料用量的精確性進行保證。機電一體化的發(fā)展趨勢計算機微處理技術(shù)、自動控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對機電一體化的發(fā)展起到了極大的推動作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：智能化智能化是機電一體化的重要目標(biāo)之一，所謂智能化就是通過計算機來對機械進行模糊控制，對人的思維進行模擬，以達到機械智能化的效果，機器人就是其中一個最大的應(yīng)用，這其中需要多個學(xué)科的交叉，如計算機科學(xué)、人工智能、控制技術(shù)、模糊控制、心理生理學(xué)等等學(xué)科，通過這些學(xué)科的有機融合，不斷提高機械的智能化程度，從而進一步減少人工的作業(yè)量。模塊化隨著工業(yè)和科技不斷的發(fā)展，每個領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)在不斷的建立和完善，工程化的思想也在不斷深入，工程化帶來的巨大的成果也將逐漸體現(xiàn)出來，在制作標(biāo)準(zhǔn)化智能機械時就需要各項標(biāo)準(zhǔn)的制定，標(biāo)準(zhǔn)機械傳動接口、電氣設(shè)備接口、網(wǎng)絡(luò)通信接口等的機電一體化產(chǎn)品單元如以便于各單位和配件的匹配，這些工作可能需要一個漫長的程，但工程機械系統(tǒng)的模塊化是必然的發(fā)展趨勢。網(wǎng)絡(luò)化通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被應(yīng)用到各個領(lǐng)域中，機電一體化的產(chǎn)品也在朝著網(wǎng)絡(luò)化方向進行著發(fā)展，操作員可以通過網(wǎng)絡(luò)來對工程機械的工作狀況進行實時監(jiān)控，并可以在必要的時候向機械發(fā)出指令，來達到對機械工作進行控制的目的，這樣就提高了工作的安全性和可靠性。微型化隨著大規(guī)模電路的研究發(fā)展，微處理芯片將會變的越來越小，對微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能小等特點起了促進作用，更有利于機械產(chǎn)品在特殊的環(huán)境下進行工作，在一些多精密，要求高是行業(yè)中當(dāng)中，微型化是必然的發(fā)展趨勢。環(huán)?；I(yè)發(fā)展所帶來的污染問題已經(jīng)成為全球性的問題，人們對綠色產(chǎn)品的設(shè)計也在不斷的研究當(dāng)中，機電一體化對綠色環(huán)保有要求，從設(shè)計到生產(chǎn)，再到產(chǎn)品的回收處理，都要求綠色設(shè)計的思想貫穿其中。機電一體化在現(xiàn)代工程機械中的應(yīng)用日趨成熟的GPS技術(shù)

數(shù)量眾多的運用高精度GPS技術(shù)產(chǎn)品的展出，顯示了該技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用日趨廣泛，這也將成為現(xiàn)代化施工的一種趨勢。用于遠程維護、信息管理的GPS技術(shù)

該類技術(shù)的定位精度不高，一般為米級。主要利用GPS控制器采集遠程維護所需的信號上傳到服務(wù)器中，通過Internet可以查看機器的狀態(tài)(通過采集傳感器信息)、歷史工作記錄等。約翰·迪爾、卡特彼勒、小松、現(xiàn)代等紛紛在現(xiàn)場展出自己的該項技術(shù)，其中約翰·迪爾甚至可以現(xiàn)場操作。國內(nèi)很多工程機械主機廠家也采用了該項技術(shù)，但是目前多數(shù)廠家的功能還不夠強大，需進一步完善。高精度GPS系統(tǒng)的應(yīng)用該系統(tǒng)利用GPS差分技術(shù)，結(jié)合激光、全站儀、超聲波及多傳感器技術(shù)，通過軟件界面的設(shè)計，可以在系統(tǒng)的虛擬儀表中提供施工工地的三維圖形、機器的三維坐標(biāo)等信息，精度可達到厘米級。該項技術(shù)在大型的施工現(xiàn)場，尤其在多種機型的建筑工程機械進行集群作業(yè)時，具有明顯的優(yōu)勢。不僅有利于施工管理方進行有序調(diào)度，而且能夠提高集群的工作效率。在該技術(shù)方面，做的比較領(lǐng)先的幾家企業(yè)分別為：Trimble、拓普康及Leica。其中Trimble的用戶主要為：卡特彼勒、小松；拓普康的主要用戶為：卡特彼勒、約翰·迪爾及沃爾沃；Leica的用戶主要為：約翰·迪爾。產(chǎn)品類型包括挖掘機、挖掘裝載機、推土機、平地機、壓路機和農(nóng)業(yè)機械等。由此也顯示出該項技術(shù)在美國有著廣闊的市場，而在我國受成本及市場需求的影響，該項技術(shù)還處于實驗階段。

機電一體化技術(shù)在挖掘機上的運用

機電一體化技術(shù)在挖掘機上的運用可以現(xiàn)代機械應(yīng)用的亮點，幾乎每個挖掘機的主機廠家都擁有在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的相當(dāng)水平。

電控挖掘機該技術(shù)是指在普通的液壓先導(dǎo)式操作挖掘機的基礎(chǔ)上，采用電液比例技術(shù)控制的挖掘機，相應(yīng)的以電比例手柄取代液壓先導(dǎo)手柄。其基本原理是首先采集電手柄的動作信號，然后利用控制器進行運算，最后輸出相應(yīng)的PWM值控制比例閥。結(jié)合布置于機器上的傳感器，電控挖掘機還可以實現(xiàn)某些自動或者半自動功能。具有輔助挖掘系統(tǒng)的挖掘機為提高作業(yè)效率，近幾年來，輔助操作系統(tǒng)逐步得到各主機廠的重視。嚴(yán)格來說，高精度GPS技術(shù)的運用也屬于輔助操作的范疇，現(xiàn)舉2個例子加以說明：Prolec公司開發(fā)的挖掘機輔助挖掘系統(tǒng)、約翰·迪爾60D型挖掘機均采用了Leica公司開發(fā)的整套輔助挖掘系統(tǒng)。這2套系統(tǒng)的基本工作原理類似：主要利用安裝在挖掘機工作裝置上的角度或者傾角傳感器，實時檢測挖掘機的工作狀態(tài)；利用系統(tǒng)中的儀表顯示工作裝置的軌跡及鏟斗末端坐標(biāo)。在進行精細作業(yè)時，可以在儀表中輸入要完成的工作面的形狀，操作者可以按照提示進行工作，直到完成預(yù)定的形狀。尤其是在挖掘復(fù)雜形狀的工作面和平整作業(yè)中，該系統(tǒng)可以提高工作效率和精度。如果配合激光技術(shù)，還可以利用安裝在斗桿上的紅外接收裝置，挖掘規(guī)定深度的基坑。該類技術(shù)在提高精度的同時，也節(jié)約了人工成本。運用在挖掘機上的監(jiān)控系統(tǒng)在挖掘機，尤其是20T以上的挖掘機上，采用高品質(zhì)液晶彩色顯示屏，在國內(nèi)外得到廣泛的認(rèn)可?，F(xiàn)以2款比較先進的儀表加以分析：Trimble公司為挖掘機開發(fā)的CB430型儀表，小松的中挖儀表。其中Trimble以動畫的形式實時顯示挖掘機的運動軌跡，并提供坐標(biāo)，而且顯示屏的按鈕可以實現(xiàn)視角的切換。小松的儀表界面分為2部分:一部分顯示整機的工作參數(shù)，另一部分可以單屏和雙屏的形式顯示車體尾部安裝的攝像頭采集到的圖像。2套操作儀表整體效果好，顯示/監(jiān)控系統(tǒng)界面直觀簡潔、標(biāo)識準(zhǔn)確易懂，便于操作。在儀表方面，國內(nèi)廠家均已采用，但國外儀表的高品質(zhì)性，值得國內(nèi)挖掘機廠家學(xué)習(xí)。自動怠速系統(tǒng)在小型挖掘機上的應(yīng)用在美國市場，發(fā)動機排放要求非常嚴(yán)格，只有符合Tire3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機才能在美國市場銷售。因此進入美國市場的中挖多數(shù)都采用了電控發(fā)動機，無論在可控性還是節(jié)能性方面都較機械式發(fā)動機有很大的改善。但由于成本問題，在10t以下的小型挖掘機上，機械式發(fā)動機還是被廣泛采用。因此，在節(jié)能方面，國外挖掘機廠家采用了不同的技術(shù)。機電一體化技術(shù)在旋挖鉆機上的運用旋挖鉆機是近幾年來在國內(nèi)被廣泛采用的一種重要的工程機械，其應(yīng)用主要集中在大型樁基礎(chǔ)施工中。而在國外，旋挖鉆機使用時間比較長，且發(fā)展也較成熟。主要的國外廠家有:寶峨、Soilmec、IMT、Mait、Casagrande、Junttan