论工程机械机电一体化及机器人化

刘欢 王洋

摘要：本文分析工程机械机电一体化、机器人化的发展现状及存在的问题，并提出具体的解决措施，促使工程机械更好地为建设项目服务。

关键词：工程机械；机器人化；机电一体化

随着机器人技术的广泛应用，计算机技术、信息传感技术、自动控制技术和人工智能在工程机械中的应用将实现工程机械的自动化，能够有效地提高系统的可操作性、机动性、安全性和可靠性。可降低油耗和成本，提高运行效率和质量。工程机械机器人在我国起步较晚，但在喷射混凝土机器人、压路机机器人、自动铺路机、隧道钻孔机器人、隧道镗孔机器人、装载机器人、挖掘机器人等工程机械机器人研究领域取得了可喜的成果。

1 工程机械一体化机器化

工程机械机器人化涉及机械、电子、信息与控制等多学科知识，主要研究内容包括电液伺服控制技术、遥控与自动控制技术、系统智能监测与诊断技术、作业对象识别与智能控制技术（如图1所示）。

图1工程机械机器人化关键技术

2 工程机械机电一体化、机器人化过程中存在的问题

2.1 机械对工作对象的识别能力较差

工程在生产和建设过程中需要应用大量的机械设备。机械设备围绕工作内容而开展，并且跟随作业对象在移动。由于作业对象和作业环境会随着工作开展的程度而不断变化，且无规律可以遵循，如地下环境和地上的障碍物随时会发生变化，所以需要机械操作人员随时观察工程建设的现场施工情况，监测工程现场的作业情况，根据现有的作业环境对其做出准确判断，以更好地指挥机械设备，促使其顺利完成工作任务。

由于机械对作业对象的自我感应能力较弱，面对不确定的工作环境和工作内容无法找寻其工作规律，所以需要操作人员运用自身的技术对其进行操作，在不同环境下采用不同的工作方式。因此，现阶段所运用的工程机械无法满足实际应用的需求。后续的研究工作中，为了让工程机械更好地为施工现场服务，要不断提高工程机械的判断和识别能力，研发出适应作业环境变化的新型智能机械设备。

2.2 施工环境对工程机械机器人提出了较高要求

工程机械的作业场所主要在室外，施工环境多为40℃以上的高温或者是-30℃以下的低温，大风天气较多，且伴有暴雪、尘埃等，作业环境十分恶劣。除了天气对施工环境造成较大影响外，施工场所经常受到强烈的冲击和震动，甚至在某些作业环境下机械设备无法开展工作。例如，在-35℃的天气下，土壤受到寒冷天气的影响形成冻土层，无法开展挖掘工作，或者是挖掘速度较慢且对设备的损伤较大。所以，这对控制系统提出了更高要求，希望智能设备能够适应各种作业环境，并且保证其运行效率。

2.3 工程机械机电一体化和机械人技术融合度较低

工程机械投入到实践应用领域，需要涉及到机电、光学、生物等多个学科中的内容，才能保证其满足智能化发展的需求。通过研究现阶段工程机械设备的智能化系统，结合实际工作情况，发现智能机械设备的信息处理能力较低，各种程序之间的协调能力较差。并且由于技术的融合水平较低，机械设备无法通过自控系统完成全部的操作内容，需要操作人员协助其开展工作。可见，技术的发展水平和融合程度较低，亟待工程机械设备的技术研发人员加大研发力度，提高工程机械的智能化水平。

3 智能监测与诊断技术

工程机械往往工作在复杂恶劣环境下，对系统工况进行实时监测，并进行故障诊断与报警是提高安全性和可靠性的关键。在工程机械的关键部位安装传感器，定量监测系统中温度、振动、转速、流量、压力、位移与变形等参数，利用现代信号处理技术提取信息特征，再通过专家系统推理判断，提前预报系统危险工况并提示相关维修策略。以往的工程机械监控系统中，通常采用嵌入式微控制器直接采集信息，或仅采用总线控制系统进行系统监控。

4 实现工程机械机电一体化、机器人化的有效措施

4.1 提高工程机械的识别能力

工程项目的施工环境较为复杂，作业条件经常变化。为了提高施工效率，减少操作人员的参与，需加大研发力度，提高工程机械的识别能力。首先，设备的研究部门要深入施工现场，了解不同作业环境对机械设备所提出的要求。其次，与科研院校进行合作，提高工程机械设备的技术含量。通过提升智能化水平的方式，更好地感应作业环境的变化，让机械设备通过传感器所传输的数据调整其作业方式，适应作业环境的变化，满足作业对象提出的多种要求，从而提高工程的施工效率。

4.2 工程机械要满足作业环境的需求

通过分析施工现场工程机械的运行和发生的故障，受高温或者低温等自然因素的影响，电气、传感器等设备在正常温度下可以开展工作，但在施工现场却难以开展。因此，要调整工程机械设备上的元件。首先，机械设备研发人员研发出适应恶劣天气的设备元件，在各种环境下均可以保持良好的工作状态。

其次，施工人员要定期检修和维护设备，避免出现停工修理机械设备的现象。最后，保护好控制元件，对必要的设备做好隔离和反干扰措施，减少外界环境对机械设备的影响。

4.3 提高技术的融合度

工程项目的作业环境和工作内容，对工程机械设备提出了较高的技术要求。只有机械设备的技术水平高，才能最大限度地降低人工介入，进而提高施工速度和效率。同时，为了了解工程機械的施工紧张情况，需要工程机械传输大量的图像资料，通过图像资料找出其所在的位置等。现阶段，智能化的应用水平较低，需要多种设备分散进行，才能完成工程建设的工作内容。因此，工程机械设备只有将光学、计算机、自动控制等多个领域的知识进行有效融合，并平行向前发展，才能加快机电一体化和机器人化建设的步伐。

5 结语

随着工程项目的发展，应用设备机械化水平不断提高。受国家政策上的支持和大学、科研机构的参与，工程机械机电一体化和机械人化取得了较好发展。由于施工环境较为恶劣，技术发展不完善，它在实际应用中存在一定的不足。所以，要加大研发力度，不断改进设备工艺，进而更好地投入到实践工作领域，从而推动其更好地发展。

参考文献：

[1]索小娟，陈光伟，王娜.工程机械机电一体化技术的应用与发展[J].科技传播，2013，（14）：157-158.

[2]曾拥华，严骏，黎波，等.自主作业挖掘机电控模型[J].建筑机械，2012，11（2012）：134-136.

（作者单位：长城汽车底盘事业部）