機電一體化技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用

機電一體化技術(shù)

在工程機械中的應(yīng)用授課人——高杰授課主要內(nèi)容：概述（工程機械、機電一體化、基本原理）機電一體化的發(fā)展過程機電一體化技術(shù)的應(yīng)用（汽車、工程機械）機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢探討如何學(xué)好工程機械相關(guān)專業(yè)課程工程機械：工程建設(shè)的施工機械的總稱，是裝備工業(yè)的重要組成部分。概括地說，土石方施工工程、路面建設(shè)與養(yǎng)護、流動式起重裝卸作業(yè)和各種建筑工程所需的綜合性機械化施工工程所必需的機械裝備，稱為工程機械。用于建筑、水利、電力、道路、礦山、港口和國防等工程領(lǐng)域在世界各國，對這個行業(yè)的稱謂基本類同：美國和英國稱為建筑機械與設(shè)備；德國稱為建筑機械與裝置，俄羅斯稱為建筑與筑路機械，日本稱為建設(shè)機械。國家部分產(chǎn)品也稱為建設(shè)機械，而在行業(yè)內(nèi)根據(jù)國務(wù)院組建該行業(yè)批文時統(tǒng)稱為工程機械，延續(xù)到現(xiàn)在。各國對該行業(yè)劃定產(chǎn)品范圍大致相同，我國工程機械與其他各國比較還增加了鐵路線路工程機械、叉車與工業(yè)搬運車輛、裝修機械、電梯、風(fēng)動工具等行業(yè)?，F(xiàn)代高新技術(shù)（如微電子技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、空間技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)、光纖通信技術(shù)及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等）的發(fā)展需要具有智能化、自動化和柔性化的機械設(shè)備,機電一體化正是在這種巨大的需求推動下產(chǎn)生的新興技術(shù)。微電子技術(shù)、微計算機技術(shù)使信息與智能、機械裝置與動力設(shè)備有機結(jié)合,使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。（一）概述“機電一體化”一詞的英文是“Mechatronics”,是20世紀70年代初由日本首先提出的，它是取Mechanics（機械學(xué)）的前半部分和Electronics（電子學(xué)）的后半部分拼合而成的。國內(nèi)也稱為“機械電子學(xué)”。機電一體化：是由代表機械技術(shù)的機與代表電子技術(shù)的電結(jié)合而成的日式英語。從1972年開始就在日本國內(nèi)使用?，F(xiàn)在，英語MechatMnics在國際上也被廣泛使用看，迄今為止，“機電一體化”一詞尚沒有統(tǒng)一的定義。一般認為，機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機地加以綜合，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的一門新興邊緣性技術(shù)學(xué)科。機電一體化的意義在于，將機械技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合在一起，在功能上并非單純地實現(xiàn)1+1＝2，而是1+1＝10，使其具有新的意義、新的功能。機械技術(shù)電子技術(shù)1+1＝2（結(jié)合）機械技術(shù)

反饋技術(shù)電子技術(shù)

1+1＝10(融合)機電一體化機械與電子機電一體化概念反饋控制（feedbackcontrol）是利用反饋信息進行的控制。生產(chǎn)系統(tǒng)的實際工作表現(xiàn)由感應(yīng)系統(tǒng)或量度系統(tǒng)進行測定，然后同所要求的標準進行比較，如在差異，則由控制系統(tǒng)加以解釋，并由控制系統(tǒng)給操縱裝置下命令，操縱裝置則提供控制行動，以便改正工作表現(xiàn)，消除異差。這是最簡單的反饋制模式。機械控制的基礎(chǔ)是反饋控制。所謂反饋控制：通過反饋，將被控制量與目標值相比較，利用其偏差進行控制并最后減?。ɑ蛳?偏差的過程。目標值（輸入）100Km/hr反饋b70Km/h調(diào)節(jié)器（大腦）比較、判斷操作信號再加大油門（原因）Z＝r－b增加汽油與空氣的噴射量傳感器（速度計）100Km/h（結(jié)果）操作器（腿）操作量y控制對象（車）被控制量（速度）c現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及不同學(xué)科技術(shù)應(yīng)用的相互吸收與滲透，大力促進了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改革創(chuàng)新。在工程機械領(lǐng)域，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)向機械工業(yè)的滲透，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)逐步由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”發(fā)展階段。“工程機械機電一體化技術(shù)”是引進電子技術(shù)，將機械裝置、電子技術(shù)及軟件結(jié)合起來的綜合技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程機械在工程建設(shè)中替代人類的體力勞動，并將進一步的拓展為人的四肢的功能?，F(xiàn)代化的工程機械，實現(xiàn)了智能思考、電子信息傳輸及實際操作為一體，大大提高了工作效率。新型的工程機械在生產(chǎn)效率、工作質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保、自動化系統(tǒng)等方面是傳統(tǒng)的工程機械無法達到的，并且正在進一步的想著智能機器人的方向發(fā)展。隨著建筑科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，建筑工程的施工工藝將會有翻天覆地的變化，對工程機械的要求也將更高。液壓挖掘機既是工程中最常用的機械，又是最典型的仿生機器：大力士獨臂機器人！人挖掘機上身上車部分下肢下車部分腰身回轉(zhuǎn)支承腿腳行走四輪一帶鞋子履帶板大腦下肢鞋子上身挖掘機的擬人化比喻人體上肢VS

挖掘機工作裝置人挖掘機手指斗齒手掌鏟斗小胳膊斗桿（小臂）大胳膊動臂（大臂）肌肉油缸、馬達上臂肌肉前臂肌肉手掌手指現(xiàn)代工程機械的形象描述：現(xiàn)代工程機械是有頭腦、有感覺、全身布滿神經(jīng)、有血液、有手足骨骼或肌肉的機電一體化產(chǎn)品。機電液一體化技術(shù)－工程機械機電一體化技術(shù)在空間開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用美33年前發(fā)射的宇宙飛船已飛220億公里將離開太陽系海洋開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用2010年8月26日宣布，中國第一臺自行設(shè)計、自主集成研制的國家863計劃重大專項“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器，最大下潛深度達3759米世界最大的輪斗式挖掘機德國krupp公司（克虜伯）制造，制造費1億美元；高95米，長215米，重量達到了4.5萬噸；最小的挖掘機：進入人體血管的醫(yī)用挖掘機（研究階段）。雙臂式液壓挖掘機盾構(gòu)機由于機電一體化技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展具有巨大的推動力,因此世界各國均將其作為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。機電一體化技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用從一般的數(shù)控機床、加工中心和機械手發(fā)展到智能機器人、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、無人生產(chǎn)車間和將設(shè)計、制造、銷售、管理集于一體的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。CAD（二維、三維）→CAPP→CAE→CAT→CAM動態(tài)仿真、快速成型（RPM

）、逆向工程技術(shù)、三坐標測量儀管理系統(tǒng)（PDM、ERP）（二）機電一體化發(fā)展概況（1）20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段”工程師們自覺或者不自覺地把機械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合，以提高機械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對落后，使得機械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。（2）70－80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階段”

計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)（3C技術(shù)）的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。這個時期的特點是：①、mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，到20世紀80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認；②、機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③、各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。（3）90年代后期為第三階段，“智能化階段”

光學(xué)、通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。數(shù)控機床的問世，寫下了“機電一體化”歷史的第一頁。微電子技術(shù)為“機電一體化”帶來勃勃生機?！翱删幊绦蚩刂破鳌?、“電力電子”等的發(fā)展為“機電一體化”提供了堅強基礎(chǔ)。激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機電一體化”躍上新臺階。機電一體化一般包含機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))和機電一體化技術(shù)兩層含義。典型的機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：（三）機電一體化技術(shù)應(yīng)用汽車智能化儀器儀表CAD／CAM系統(tǒng)等。數(shù)控機床機器人工程機械（1）數(shù)控機床數(shù)字控制機床的簡稱，裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。能邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作進行零件的加工。數(shù)控銑床數(shù)控車床（2）機器人自動執(zhí)行工作的機器裝置。既可接受人類指揮，又可運行預(yù)先編排的程序，也可根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。（3）汽車EFI系統(tǒng)自動變速箱安全氣囊ABS系統(tǒng)自動巡航系統(tǒng)利用各種傳感器檢測發(fā)動機的各種狀態(tài)，經(jīng)電腦的判斷、計算，使發(fā)動機在不同工況下，均能獲得合適濃度的可燃混合氣。電子燃油噴射（EFI）系統(tǒng)汽車自動變速器發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速非常高，最大功率及最大扭矩在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)出現(xiàn)。為了發(fā)揮發(fā)動機的最佳性能，就必須有一套變速裝置，來協(xié)調(diào)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和車輪的實際行駛速度。自動變速器：能根據(jù)油門踏板程度和車速變化，自動地進行變速。而駕駛者只需操縱加速踏板控制車速即可。液力自動變速器(AT)機械無級自動變速器(CVT)電控機械自動變速器(AMT)雙離合器變速器（DSG）目前應(yīng)用最廣泛的是AT，AT幾乎成為自動變速器的代名詞。汽車自動變速器常見的有以下幾種型式：“防鎖死剎車系統(tǒng)”（“ABS”）一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點的汽車安全控制系統(tǒng)。ABS是常規(guī)剎車裝置基礎(chǔ)上的改進型技術(shù)，可分機械式和電子式兩種?，F(xiàn)代汽車上大量安裝防抱死制動系統(tǒng)，ABS既有普通制動系統(tǒng)的制動功能，又能防止車輪鎖死；使汽車在制動狀態(tài)下仍能轉(zhuǎn)向，保證汽車的制動方向穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏，是目前汽車上最先進、制動效果最佳的制動裝置。ABS執(zhí)行器ABS執(zhí)行電腦（ECU）ABS警告燈后輪速度傳感器前輪速度傳感器汽車防抱死系統(tǒng)(ABS）汽車安全氣囊原理當汽車發(fā)生碰撞事故時，汽車和障礙物之間的碰撞稱為一次碰撞，一次碰撞的結(jié)果導(dǎo)致汽車速度急劇下降；乘員和汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的碰撞稱之為二次碰撞；由于慣性的作用，當汽車急劇降速時，乘員要保持原來的速度向前運動，于是就發(fā)生了乘員和方向盤、儀表板、擋風(fēng)玻璃等之間的碰撞，從而造成了乘員的傷亡。安全氣囊的基本思想：在發(fā)生—次碰撞后，二次碰撞前，迅速在乘員和汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間打開一個充滿氣體的袋子，使乘員撲在氣袋上，避免或減緩二次碰撞，從而達到保護乘員的目的。由于乘員和氣袋相碰時，因振蕩造成乘員傷害，所以一般在氣囊的背面開兩個直徑25mm左右的圓孔。這樣，當乘員和氣整相碰時，借助圓孔的放氣可減輕振蕩，放氣過程同時也是一個釋放能量的過程，因此可以很快地吸收乘員的動能，有助于保護乘員。安全氣囊由傳感器、電控單元(ECU)、氣體發(fā)生器、氣囊、續(xù)流器等組成。傳感器感受汽車碰撞強度，并將感受到的信號傳送到控制器，對信號進行處理；當它判斷有必要打開氣囊時，立即發(fā)出信號觸發(fā)氣體發(fā)生器，氣體發(fā)生器接收到點火信號后，迅速點火并產(chǎn)生大量氣體給氣囊充氣。如果不該點火而點火打開氣囊稱為誤點火；如果應(yīng)該點火而沒有點火稱之為漏點火，如果點火太晚則稱之為遲點火。無論是誤點火、漏點火、還是遲點火都是不能允許的。汽車巡航控制系統(tǒng)（CCS）又稱巡航行駛裝置、速度控制系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等。作用：按司機所要求的速度閉合開關(guān)之后，不用踩油門踏板就可以自動地保持車速，使車輛以固定的速度行駛。采用這種裝置，在高速公路上長時間行車時，司機就不用再去控制油門踏板，減輕了疲勞，同時減少了不必要的車速變化，可以節(jié)省燃料。①、柴油機的電子控制油門、電子調(diào)速器、噴油時刻②、挖掘機工作模式選擇（F模式，65%；S模式，85%；H模式，100%）EPOS（電子功率優(yōu)化）系統(tǒng)AutoIdle（自動怠速）電子監(jiān)控（GPS）（3）工程機械③、瀝青混凝土攤鋪機行走控制系統(tǒng)自動調(diào)平系統(tǒng)供料電控系統(tǒng)加熱電控系統(tǒng)攤鋪機控制臺攤鋪機自動調(diào)平系統(tǒng)原理調(diào)平控制器超聲波傳感器超聲波自動調(diào)平系統(tǒng)激光掃描器發(fā)射出多束不可見的激光到路面上，再從路面反射回掃描器，掃描器內(nèi)的電子裝置根據(jù)從發(fā)射到接收激光波所經(jīng)過的時間的改變，計算出激光波所運行的距離變化，及時進行熨平厚度的調(diào)整以保證攤鋪層的平整度。激光式自動調(diào)平系統(tǒng)④、瀝青混凝土攪拌設(shè)備稱重計量系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)瀝青加熱控制系統(tǒng)⑤、振動壓路機行走控制、自動起振控制、密實度控制⑥、路面銑刨機行走控制、銑刨深度控制、金屬探測現(xiàn)代工程機械引入機電一體化技術(shù)，使機械、液壓技術(shù)和電子控制技術(shù)等有機的結(jié)合；可以極大地提高了工程機械的各種性能，如動力性、燃油經(jīng)濟性、可靠性、安全性，操作舒適性以及作業(yè)精度、作業(yè)效率、使用壽命等。目前以微機或微處理器為核心的電子控制裝置在現(xiàn)代工程機械中的應(yīng)用已相當普及，電子控制技術(shù)已深入到工程機械的許多領(lǐng)域；機電一體化和智能化將是工程機械今后的發(fā)展方向。（1）工程機械電子監(jiān)控、自動報警及故障自診對工程機械的發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、工作裝置、制動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等的運行狀態(tài)監(jiān)控；工作中一旦出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，能自動報警并準確地指出故障的部位；從而改善駕駛員的工作條件，提高機器的工作效率，簡化設(shè)備維護檢查工作，降低使刷維修費用，縮短停機維修時間，延長設(shè)備的使用壽命。（2）計算機管理及故障診斷、遠程監(jiān)控系統(tǒng)及整機智能化電液控制自動換擋變速器、負荷傳感全功率控制、機電一體化控制、可編程控制與遙控以及無人操作等技術(shù)。根據(jù)不同作業(yè)模式選擇不同油門開度和泵排量的分工況控制，比例控制技術(shù)和伺服控制技術(shù)也在高精度工程機械控制中得到了廣泛應(yīng)用。電子檢測系統(tǒng)可以密切的監(jiān)控機械設(shè)備各主要功能的變化情況，及時的判斷出故障發(fā)生的位置，以避免駕駛員的操作失誤，確保安全的作業(yè)。為了滿足危險環(huán)境以及有毒環(huán)境中的施工作業(yè)，遙控?zé)o人駕駛的工程機械設(shè)備頗受市場的歡迎。無線遙控技術(shù)與衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于工程機械（推土、壓實機械）中，而利用這些機械來進行垃圾場的推土、碾壓工作，其效果非常好。另外，日本研制出一種可以在懸崖小峭壁上工作的挖掘機，也是采用了遙控技術(shù)。遙控?zé)o人駕駛技術(shù)的應(yīng)用不但可以提高作業(yè)效率，還可以避免人員的身體收到傷害。（四）機電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成執(zhí)行器控制信息電子控制單元動力源檢測傳感部分機械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動力能量檢測參數(shù)（1）機械本體機電一體化的基礎(chǔ)，起著支撐系統(tǒng)中其他功能單元、傳遞運動和動力的作用。（2）動力源機電一體化產(chǎn)品的能量供應(yīng)部分，其作用是按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動力，使系統(tǒng)正常運行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能。（3）傳感檢測單元對系統(tǒng)運行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進行檢測。（4）控制與信息處理單元將來自各傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行集中、儲存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個系統(tǒng)有目的地運行。（5）執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制指令驅(qū)動機械部件的運動。通常采用電力、氣壓和液壓驅(qū)動等幾種方式。（6）驅(qū)動單元在控制信息作用下，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成各種動作和功能。（7）接口將各組成單元或子系統(tǒng)連接成一有機的整體。接口包括：電氣接口：實現(xiàn)系統(tǒng)間電信號的連接。機械接口：完成機械與機械部分、機械與電氣裝置部分的連接。人機接口：提供人與系統(tǒng)間的交互界面。機械技術(shù)傳感檢測技術(shù)信息處理技術(shù)自動控制技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)機電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)（1）機械技術(shù)是機電一體化的基礎(chǔ)。實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能；影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。（2）傳感檢測技術(shù)研究對象：傳感器及其信號檢測裝置；要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。（3）信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策；實現(xiàn)信息處理的工具是計算機,因此計算機技術(shù)與信息處理技術(shù)是密切相關(guān)的。（4）自動控制技術(shù)軟件方面的技術(shù)；主要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運行等進行控制的技術(shù)。（5）伺服驅(qū)動技術(shù)研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動裝置執(zhí)行元件種類：電動、液壓、氣壓驅(qū)動裝置：各種電動機的驅(qū)動電源電路（6）系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點和方法，將系統(tǒng)各個功能模塊有機的結(jié)合起來，以實現(xiàn)整體最優(yōu)的應(yīng)用技術(shù)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。（五）機電一體化的發(fā)展趨勢機電一體化是機械、電子、光學(xué)、控制、計算機、信息等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，其發(fā)展有賴于相關(guān)技術(shù)的不斷進步。其發(fā)展趨勢：（1）智能化智能化是世紀機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。人工智能可使機器具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，雖然機電一體化產(chǎn)品不可能具有與人完全相同的智能，但依賴高性能、高速的微處理器可使其具有低級智能或人的部分智能，從而達到更精確的控制目標。（2）模塊化由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口