浅谈机电一体化技术及其在工程机械中的运用

机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科, 随着科学技术的不断发展,还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术, 根据系统功能目标和优化组织目标, 合理配置与布局各功能单元, 在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术, 由此而产生的功能系统, 则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
机电一体化产品可分为系统（整机）和基础元（部）件两大类：典型的机电一体化系统有数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、C A D/C A M 系统等；典型的机电一体化元（部）件有电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。
这些机电一体化产品将给机械产业和农机产业的生产技术带来巨大的飞跃，而企业的技术开发能力也将随之增强。
1.2 机电一体化系统的基本结构
机械本体。系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械联接等。机械本体要在结构、材料、加工工艺性及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型轻量等要求。
动力部分。按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出。
测试传感部分。对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。
执行机构。根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。
驱动部分。在控制信息作用下提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。一方面要求驱动的高效率和快速响应特征，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性；另一方面，由于几何尺寸的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修及标准化。
控制及信息处理单元。将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应指令，控制整个系统有目的地运行[1]
2 机电一体化的发展历程与现状
2.1机电一体化发展历程
“ 机电一体化” 这个词是日本安川电机公司在20 世纪60 年代末作商业注册时最先创用的。时及20 世纪70 年代, 人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。国内早期将“机电一体化技术” 与“ 机械电子学”并用, 近年来“机电一体化”更流行使用。[2]
机电一体化的发展大体可以分为3 个阶段。20 世纪60 年代以前为第一阶段, 这一阶段称为初级阶段。在这一时期, 人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机构产品的性能, 特别是在第二次世界大战期间, 战争刺激了机械产品与电子技术的结合, 这些机电结合的军用技术, 战后转为民用, 对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态, 由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平, 机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展, 已经开发的产品也无法大量推广。20 世纪70~80 年代为第二阶段, 可称为蓬勃发展阶段。这一时期, 计算机技术, 控制技术,通信技术的发展, 为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展, 为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是a.MECHATRONICS 一词首先在日本被普遍接受, 大约到20 世纪80 年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；b. 机电一体化技术和产品得到了极大的发展；c.各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。20 世纪90 年代后期, 开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段, 机电一体化深入发展时期。一方面, 光学, 通信技术等进入了机电一体化, 微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得了巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。
2.2我国机电一体化发展现状
我国是从20 世纪80 年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863 计划中”。在制定“九五”规划和2010 年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。[3]
3机电一体化在工程机械中的运用
3.1机电一体化和工程机械的关系
现代工程机械正处在一个机电一体化的发展时代。引入机电一体化技术，使机械、液压技术和电子控制技术等有机的结合, 可以极大地提高了工程机械的各种性能，如动力性、燃油经济性、可靠性、安全性、操作舒适性以及作业精度、作业效率、使用寿命等。目前以微机或微处理器为核心的电子控制装置(系统)在现代工程机械中的应用已相当普及，电子控制技术已深入到工程机械的许多领域, 如摊铺机和平地机的自动找平，摊铺机的自动供料，拌利设备称重计量过程的自动控制,挖掘机的电子功率优化，柴油机的电子调速，装载机、铲运机变速箱的自动控制，工程机械的状态监控与故障自诊等。随着科学技术的不断发展,对工程机械的性能要求不断提高，电子（微机）控制装置在工程机械上的应用将更加广泛，结构将更加复杂。
3.2机电一体化对工程机械功能的改进
目前工程机械的电子（微机）控制系统主要用以实现如下功能：
电子监控、自动报警及故障自诊
即对工程机械的发动机、传动系统、工作装置、制动系统和液压系统等的运行状态监控, 工作中一旦出现异常现象, 能动报警并准确地指出故障的部位, 从而改善驾驶员的工作条件, 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, 缩短停机维修时间, 延长设备的使用寿命。
节能降耗, 提高生产率
传统工程机械的能量利用率较低, 例如液压挖掘机的燃料能量利用率仅为20%左右, 如此低的能量利用率迫使工程机械的发展必须着眼于节能。日本小松公司挖掘机所采用的新型节能控制器(OLLS 系统), 具有良好的节能效果, 燃料可节省23%; 日本日立公司挖掘机节能控制系统采用了卡特电子效率控制系统, 通过对发动机和泵的综合控制, 使功率的利用率可达98%, 同时生产率也大大提高。
柴油机的控制
如电子调速器、电子油门控制装置、自动停机装置、自动升温控制装置等。
提高作业精度
为保证成品料的级配精度, 现代沥青及水泥混凝土拌和设备广泛采用了微