机电一体化技术在现代工程机械中的发展以及应用

洛阳市涧光工程技术有限公司 李成伟

机电一体化是当前的高新技术，主要将信息技术、电子技术与机械技术有机结合，从而实现优化产品加工生产过程与提高产品质量的目的。

工程机械是工程建设活动中使用的施工机械的总称，具体包括建筑、电力、水利、矿山、道路等领域中使用的装卸起重等设备。在当前的发展阶段中，机电一体化系统融入了更加多样化的技术，如将液压技术、电子技术与机械技术结合，赋予机械产品更为丰富的功能，同时强化动力性能，提高产品的可靠性与经济效益，同时舒适度与精准度都获得显著提升；将信息处理技术、传感技术与微处理技术运用到工程机械中，将电子调速系统运用到工程机械中，切实增强了工程机械的可控性。

1 机电一体化技术的主要价值

1.1 提高设备安全化水平

现代工程机械在运用机电一体化相关技术后，增加了传统工程机械缺少的自动检修、报警提示与监控等功能。工程机械在使用期间的工作量往往较大，各个部件的磨损程度较为严重，长时间使用后故障发生率也随之升高，若没有及时进行维修与养护，在使用期间出现故障，可能会威胁操作者的安全。而通过自动监控功能可随时掌握设备运行情况与疲劳、受损程度，设备可自动提示预警信息，以此确保使用者的安全，减少设备造成的安全事故。如为了实现对起重机倾翻事故的有效预防，通过微机来处理传感器提供的信息，系统在有危险时立即将警报发出，提示操作人员立即进行应对；将使用了倾斜仪设备的防倾翻装置运用到坡地作业机械中，可预防机械出现倾翻的情况。

1.2 简化调试与养护工作

将多种类别的传感器运用到工程机械设备中，依靠监控装置就能直接了解机械的液压系统、行驶系统、制动系统、转向系统、变速系统与柴油机的运转情况，预测可能出现的故障。系统提供的信息能帮助检修人员判断故障发生位置，提高故障维修效率，指明养护工作开展方向，从而达到简化维修、调试与保养过程的目的。

1.3 优化产品性能

机电一体化技术在优化工程机械性能方面的作用极为重要，将单一化的机械式操作模式转变为自动化操作模式，不仅简化了操作过程，降低人工作业难度，并提供远程操作与无人驾驶的功能，还扩大了工程机械的应用范围，使人们能安全地探索更具有危险性的海底等区域，借助海底机器人与水下推土机等机械设备就能完成水下作业任务。

机电一体化技术还使工程机械具备自动记录与保存工作信息的功能，可记录柴油机转矩、转速，润滑油消耗量，燃油消耗量，运行时间等技术信息。使用者借助系统自动保存的信息，可完善施工方法，优化管理系统，同时也可将信息作为制定机械设备更新、保养以及修理方案的依据，更好地运用工程机械。另外工程机械上配备的照明、空调等装置也在机电一体化的研究与开发范围之内。

2 机电一体化技术在工程机械中的发展趋势

2.1 高性能化发展

工程机械依靠机电一体化技术能提高运行速度，强化运行可靠性，提高运行效率与精度水平，因此机电一体化技术的应用显现出高性能化的发展趋势。CNC 系统运用多CPU 型结构，同时采用多总线式连接方式，开发应用模式时追求高速、高可靠性、高运行效率与高精度等性能，这一系统支持同时处理多项任务操作的功能，可满足高性能机械产品的生产需求，当前的工程机械对于性能的要求仍在不断提高。

2.2 智能化发展

机电一体化具有明显的智能化发展趋势。研发者基于控制理论，融合计算机科学、人工智能、心理学、混沌动力学、模糊数学等来自不同学科的理论，对人类的智慧进行模拟，使工程机械系统形成自主决策、逻辑思维与推理判断的能力，并增强工程机械的整体可控性。当前的数控机床与机器人都形成了较高的智能化水平。尽管当前机电一体化的机械产品不需达到人类智能的高度，但采用高速与高性能型的微处理器后，机械产品可具备人类的部分智能，形成低级智能水平，自身的应用价值也得以提高，且智能化水平呈现上升趋势。

2.3 微型化发展

工程机械领域中的机电一体化技术的开发目标之一就是实现产品的微型化，通过不断升级现有机械技术与电子技术，开发出微米级或者纳米级尺寸的工程机械产品，控制器体积低于1m3。医疗、信息与军事等领域都需要有这种微型化机电产品，这类产品普遍具有灵活性强、耗能低以及体形小巧的特点。微机电一体化的机械产品在加工过程中运用精密程度极高的技术，如蚀刻技术与光刻技术。除前三种主要发展趋势外，工程机械领域中的机电一体化技术还显现出以下发展趋势。

绿色化趋势。当前人们注重环境保护，很多行业也呈现出环保化发展趋势，因此进行加工时需避免给生态环境带来污染，机械产品进入到报废环节后，材料能被回收与再利用，实现循环利用，机械制造活动中也更多地运用环保友好型材料；模块化发展趋势。研发的机械产品需具有环境接口、动力接口、电气接口与机械接口，重点研发集合电机、智能调速与减速为一体的动力单元，兼具测距、识别、信息处理与视觉等多种丰富功能的控制单元。通过标准化单元实现大力开发新型机械产品的目标。为给模块化产品提供更好的研发与应用环境，需要完善相关标准，使各种单元与部件能相互匹配；网络化趋势。机械产品的远程控制系统所用的终端设备就属于机电一体化产品，通过网络化能更好地实现远距离操控需求。

3 机电一体化技术在现代工程机械的应用

3.1 全自动化与半自动化应用

工程机械在机电一体化的技术的影响下，自动化水平日益提升，实现了半自动化与自动化作业目标，以此来降低工人的劳动强度，同时可代替作业人员前往较为危险的环境中进行相应的施工工作，保障人员的安全。自动化的运行系统可弥补作业人员在技术以及操作经验等方面的缺陷，降低操作难度，提升操作精度。以挖掘机为例，现代挖掘机被赋予了自动控制挖掘轨迹的功能，操作者只需预先为铲斗设置运动轨迹与运动形状，微机操作系统就能结合传感器提供的信号，自动控制斗杆、铲刀与动臂，精准地进行斜坡、开口以及断面沟槽等挖掘任务。

将由微机控制的电子化称量系统运用到搅拌设备中，促使设备自动进行计量工作，设备能提供更为精准可靠的计量结果，省略人工计量步骤，有利于加快施工节奏；摊铺机的自动找平系统切实提高作业路面的实际平整度，符合当前施工对于高质量的追求；自动化供料系统在提升摊铺质量的工作中也发挥了重要作用，使供料过程更加连续。

3.2 柴油机的自动化控制

柴油机这种内燃机的主要燃料是柴油，其借助机电一体化技术可优化运行过程，实现降低排放量与控制油耗的目标。柴油机采用电子化的燃油喷射控制系统，将喷油压力提高，增设定时喷油功能，减少运行中的噪声。喷油控制系统由执行器、电子控制系统与传感器共同组成。其中的传感器能将采集的位移量、化学量与物理量信息转变成输出信号，输入到控制系统中，传感器使用类别包括压力传感器、冷却水温度传感器、燃油温度传感器以及曲轴转角传感器等。

电子控制部分包括备用电路、电源电路、输出/输入回路与微机等；执行器主要有液压式与电磁式。机电一体化技术还可对柴油机设备的压力系统与阀门系统进行控制，以此来调节柴油机，使其使用不同的作业环境；通过计算机系统来监控柴油机的运行状态，获取柴油机运行数据，从而支持后续的检修与维护工作。

3.3 自动化诊断故障、电子监控与报警

机电一体化技术丰富了工程机械的基本功能，通过自动报警功能、自动诊断故障功能与电子监控功能可全方位掌握工程机械的使用情况，了解其制动系统、液压系统、发动机与传动系统的运行状况，及时发现系统出现的异常问题，自动定位故障所在位置，快速处理故障问题。这些自动化功能不仅可使工程机械保持相对安全的运行状态，同时还有利于维护工作的开展，降低维护工作量与成本，检修人员依靠系统提供的设备相关信息即可正确判断设备状况与故障问题，停机维修的时间大幅缩短。

当前工程机械具有较高的整机智能化水平，电液控制系统中综合应用了无人操作、可编程控制、机电一体化控制、负荷传感全功率控制及自动换挡变速器装置；可结合具体选择的作业模式，调整泵排量与油门开度。伺服控制技术与比例控制技术被更多地应用到高精度型工程机械的内部控制系统中，遥控无人驾驶类的工程机械可自动地在有毒环境与危险环境中执行任务。

3.4 机床应用

数控机床在现代工程机械领域中处于极为关键的位置。数控激光切割机可以满足切割质量要求，形成的切缝相对偏小，不会带来过于严重的变形问题，切割效率高，有利于缩短工程机械制造周期，同时其切割范围极广，有机玻璃、皮革以及金属箔等材料均处于其切割范围中。运用这种激光切割机时，需要重点控制加工条件、光学系统、激光发生器等影响因素。使用过程中，需重点保护高度传感器、割枪与镜片，板厚度越大，需要的激光功率也更大。

数控折弯机主要是借助专用或者通用模具，对处于冷态的金属材质板材进行加工，使其形成不同的几何截面形状，其属于板材成型机械，加工的产品可在电梯、轻工、飞机制造与汽车制造等行业中发挥作用。折弯机大多拥有专用型数控系统，其组成部分包括挡料机构、同步系统、工作台与滑块等，挡料机多运用电机传动系统，两个丝杆保同步移动，可借助数控系统实现对挡料尺寸的控制；数控折弯机通过光栅尺、伺服阀等多种液压装置构建闭环回路，以此来控制不同的动作；作业人员可利用按钮盒来操纵电动机，促使挡料架进行前后移动的动作，控制移动距离时需要借助数控系统实现；滑块使用液压式传动方式，滑块系统的构成部分有机械化微调装置、油缸与滑块，机架上安装了左右油缸，控制液压系统可使滑块在活塞的带动下进行上下运动的动作，利用数控系统可直接控制挡块。机床本身的性能直接决定折弯加工质量，板材也会给加工结果带去一定的影响。

弧焊机器人属于工业机器人，能自动完成弧焊任务。这种机器人在汽车零部件加工领域中得到大量使用。弧焊机器人具有柔性特点，在多段焊作业中有良好表现，能满足相对复杂的焊接技术要求。自动送丝装置、控制盘、焊接电源与示教盒共同组成弧焊机器人，利用计算机即可实现点位控制与连续轨迹控制目标。

当前的弧焊机器人主要有非熔化极焊与熔化极焊两种类型。弧焊机器人可满足长时间、高强度焊接需求，焊接稳定性强，焊接质量高。投入使用弧焊机器人后，焊接工人的作业条件得到改善，劳动强度也有所降低，焊接工人只需进行装卸工件的操作即可，可避免受到焊接烟雾与弧光的影响；机器人具有固定的生产节拍，因此能形成明确具体的产品生产周期，产品产量的可控性较强；弧焊机器人是按照预设的焊接参数进行作业，因此产品质量具有均一性。

弧焊机器人中运用了视觉传感器与激光传感器，其中激光传感器可以跟踪工件的焊缝，以此加工较为复杂的工件时，也能够保持良好的适应性与柔性；视觉传感器则可以在离线状态下掌握焊缝的参与偏差，在机器人处于不同的工况时，及时修正其运行轨迹。

4 结语

机电一体化技术不断走向成熟，在工程机械领域的应用范围持续扩大，推动工程机械朝着智能化与集成化的方向发展，促使工程机械形成更加完善的功能体系，使其更好地服务于工程建设活动。随着计算机技术、信息技术、人工智能技术及电子技术基础性技术体系不断发展，机电一体化技术也将获得更多优化发展空间，工程机械也将形成更高的自动化、智能化程度。