机电一体化技术在工程机械中的应用

机电一体化技术

在工程机械中的应用授课人——高杰授课主要内容：概述（工程机械、机电一体化、基本原理）机电一体化的发展过程机电一体化技术的应用（汽车、工程机械）机电一体化系统的构成机电一体化技术的发展趋势探讨如何学好工程机械相关专业课程工程机械：工程建设的施工机械的总称，是装备工业的重要组成部分。概括地说，土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装卸作业和各种建筑工程所需的综合性机械化施工工程所必需的机械装备，称为工程机械。用于建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域在世界各国，对这个行业的称谓基本类同：美国和英国称为建筑机械与设备；德国称为建筑机械与装置，俄罗斯称为建筑与筑路机械，日本称为建设机械。国家部分产品也称为建设机械，而在行业内根据国务院组建该行业批文时统称为工程机械，延续到现在。各国对该行业划定产品范围大致相同，我国工程机械与其他各国比较还增加了铁路线路工程机械、叉车与工业搬运车辆、装修机械、电梯、风动工具等行业。现代高新技术（如微电子技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋开发技术、光纤通信技术及现代医学等）的发展需要具有智能化、自动化和柔性化的机械设备,机电一体化正是在这种巨大的需求推动下产生的新兴技术。微电子技术、微计算机技术使信息与智能、机械装置与动力设备有机结合,使得产品结构和生产系统发生了质的飞跃。（一）概述“机电一体化”一词的英文是“Mechatronics”,是20世纪70年代初由日本首先提出的，它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。国内也称为“机械电子学”。机电一体化：是由代表机械技术的机与代表电子技术的电结合而成的日式英语。从1972年开始就在日本国内使用。现在，英语MechatMnics在国际上也被广泛使用看，迄今为止，“机电一体化”一词尚没有统一的定义。一般认为，机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新兴边缘性技术学科。机电一体化的意义在于，将机械技术与电子技术结合在一起，在功能上并非单纯地实现1+1＝2，而是1+1＝10，使其具有新的意义、新的功能。机械技术电子技术1+1＝2（结合）机械技术

反馈技术电子技术

1+1＝10(融合)机电一体化机械与电子机电一体化概念反馈控制（feedbackcontrol）是利用反馈信息进行的控制。生产系统的实际工作表现由感应系统或量度系统进行测定，然后同所要求的标准进行比较，如在差异，则由控制系统加以解释，并由控制系统给操纵装置下命令，操纵装置则提供控制行动，以便改正工作表现，消除异差。这是最简单的反馈制模式。机械控制的基础是反馈控制。所谓反馈控制：通过反馈，将被控制量与目标值相比较，利用其偏差进行控制并最后减小（或消除)偏差的过程。目标值（输入）100Km/hr反馈b70Km/h调节器（大脑）比较、判断操作信号再加大油门（原因）Z＝r－b增加汽油与空气的喷射量传感器（速度计）100Km/h（结果）操作器（腿）操作量y控制对象（车）被控制量（速度）c现代科学技术的不断发展及不同学科技术应用的相互吸收与渗透，大力促进了工程领域的技术革命与改革创新。在工程机械领域，微电子技术和计算机技术向机械工业的渗透，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产逐步由“机械电气化”迈入了“机电一体化”发展阶段。“工程机械机电一体化技术”是引进电子技术，将机械装置、电子技术及软件结合起来的综合技术。随着科学技术的发展，工程机械在工程建设中替代人类的体力劳动，并将进一步的拓展为人的四肢的功能。现代化的工程机械，实现了智能思考、电子信息传输及实际操作为一体，大大提高了工作效率。新型的工程机械在生产效率、工作质量、节能环保、自动化系统等方面是传统的工程机械无法达到的，并且正在进一步的想着智能机器人的方向发展。随着建筑科学技术的发展，各种新材料、新技术、新结构的出现，建筑工程的施工工艺将会有翻天覆地的变化，对工程机械的要求也将更高。液压挖掘机既是工程中最常用的机械，又是最典型的仿生机器：大力士独臂机器人！人挖掘机上身上车部分下肢下车部分腰身回转支承腿脚行走四轮一带鞋子履带板大脑下肢鞋子上身挖掘机的拟人化比喻人体上肢VS

挖掘机工作装置人挖掘机手指斗齿手掌铲斗小胳膊斗杆（小臂）大胳膊动臂（大臂）肌肉油缸、马达上臂肌肉前臂肌肉手掌手指现代工程机械的形象描述：现代工程机械是有头脑、有感觉、全身布满神经、有血液、有手足骨骼或肌肉的机电一体化产品。机电液一体化技术－工程机械机电一体化技术在空间开发领域应用美33年前发射的宇宙飞船已飞220亿公里将离开太阳系海洋开发领域应用2010年8月26日宣布，中国第一台自行设计、自主集成研制的国家863计划重大专项“蛟龙号”载人潜水器，最大下潜深度达3759米世界最大的轮斗式挖掘机德国krupp公司（克虏伯）制造，制造费1亿美元；高95米，长215米，重量达到了4.5万吨；最小的挖掘机：进入人体血管的医用挖掘机（研究阶段）。双臂式液压挖掘机盾构机由于机电一体化技术对现代工业和技术的发展具有巨大的推动力,因此世界各国均将其作为工业技术发展的重要战略之一。机电一体化技术在制造业的应用从一般的数控机床、加工中心和机械手发展到智能机器人、柔性制造系统（FMS）、无人生产车间和将设计、制造、销售、管理集于一体的计算机集成制造系统（CIMS）。CAD（二维、三维）→CAPP→CAE→CAT→CAM动态仿真、快速成型（RPM

）、逆向工程技术、三坐标测量仪管理系统（PDM、ERP）（二）机电一体化发展概况（1）20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段”工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。（2）70－80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段”

计算机技术、控制技术、通信技术（3C技术）的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。这个时期的特点是：①、mechatronics一词首先在日本被普遍接受，到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②、机电一体化技术和产品得到了极大发展；③、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。（3）90年代后期为第三阶段，“智能化阶段”

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；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。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，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。数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。微电子技术为“机电一体化”带来勃勃生机。“可编程序控制器”、“电力电子”等的发展为“机电一体化”提供了坚强基础。激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使“机电一体化”跃上新台阶。机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。典型的机电一体化产品(系统)有：（三）机电一体化技术应用汽车智能化仪器仪表CAD／CAM系统等。数控机床机器人工程机械（1）数控机床数字控制机床的简称，装有程序控制系统的自动化机床。能逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作进行零件的加工。数控铣床数控车床（2）机器人自动执行工作的机器装置。既可接受人类指挥，又可运行预先编排的程序，也可根据人工智能技术制定的原则纲领行动。（3）汽车EFI系统自动变速箱安全气囊ABS系统自动巡航系统利用各种传感器检测发动机的各种状态，经电脑的判断、计算，使发动机在不同工况下，均能获得合适浓度的可燃混合气。电子燃油喷射（EFI）系统汽车自动变速器发动机的输出转速非常高，最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。为了发挥发动机的最佳性能，就必须有一套变速装置，来协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度。自动变速器：能根据油门踏板程度和车速变化，自动地进行变速。而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。液力自动变速器(AT)机械无级自动变速器(CVT)电控机械自动变速器(AMT)双离合器变速器（DSG）目前应用最广泛的是AT，AT几乎成为自动变速器的代名词。汽车自动变速器常见的有以下几种型式：“防锁死刹车系统”（“ABS”）一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。ABS是常规刹车装置基础上的改进型技术，可分机械式和电子式两种。现代汽车上大量安装防抱死制动系统，ABS既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死；使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置。ABS执行器ABS执行电脑（ECU）ABS警告灯后轮速度传感器前轮速度传感器汽车防抱死系统(ABS）汽车安全气囊原理当汽车发生碰撞事故时，汽车和障碍物之间的碰撞称为一次碰撞，一次碰撞的结果导致汽车速度急剧下降；乘员和汽车内部结构之间的碰撞称之为二次碰撞；由于惯性的作用，当汽车急剧降速时，乘员要保持原来的速度向前运动，于是就发生了乘员和方向盘、仪表板、挡风玻璃等之间的碰撞，从而造成了乘员的伤亡。安全气囊的基本思想：在发生—次碰撞后，二次碰撞前，迅速在乘员和汽车内部结构之间打开一个充满气体的袋子，使乘员扑在气袋上，避免或减缓二次碰撞，从而达到保护乘员的目的。由于乘员和气袋相碰时，因振荡造成乘员伤害，所以一般在气囊的背面开两个直径25mm左右的圆孔。这样，当乘员和气整相碰时，借助圆孔的放气可减轻振荡，放气过程同时也是一个释放能量的过程，因此可以很快地吸收乘员的动能，有助于保护乘员。安全气囊由传感器、电控单元(ECU)、气体发生器、气囊、续流器等组成。传感器感受汽车碰撞强度，并将感受到的信号传送到控制器，对信号进行处理；当它判断有必要打开气囊时，立即发出信号触发气体发生器，气体发生器接收到点火信号后，迅速点火并产生大量气体给气囊充气。如果不该点火而点火打开气囊称为误点火；如果应该点火而没有点火称之为漏点火，如果点火太晚则称之为迟点火。无论是误点火、漏点火、还是迟点火都是不能允许的。汽车巡航控制系统（CCS）又称巡航行驶装置、速度控制系统、自动驾驶系统等。作用：按司机所要求的速度闭合开关之后，不用踩油门踏板就可以自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。采用这种装置，在高速公路上长时间行车时，司机就不用再去控制油门踏板，减轻了疲劳，同时减少了不必要的车速变化，可以节省燃料。①、柴油机的电子控制油门、电子调速器、喷油时刻②、挖掘机工作模式选择（F模式，65%；S模式，85%；H模式，100%）EPOS（电子功率优化）系统AutoIdle（自动怠速）电子监控（GPS）（3）工程机械③、沥青混凝土摊铺机行走控制系统自动调平系统供料电控系统加热电控系统摊铺机控制台摊铺机自动调平系统原理调平控制器超声波传感器超声波自动调平系统激光扫描器发射出多束不可见的激光到路面上，再从路面反射回扫描器，扫描器内的电子装置根据从发射到接收激光波所经过的时间的改变，计算出激光波所运行的距离变化，及时进行熨平厚度的调整以保证摊铺层的平整度。激光式自动调平系统④、沥青混凝土搅拌设备称重计量系统过程控制系统沥青加热控制系统⑤、振动压路机行走控制、自动起振控制、密实度控制⑥、路面铣刨机行走控制、铣刨深度控制、金属探测现代工程机械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；机电一体化和智能化将是工程机械今后的发展方向。（1）工程机械电子监控、自动报警及故障自诊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，能自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，降低使刷维修费用，缩短停机维修时间，延长设备的使用寿命。（2）计算机管理及故障诊断、远程监控系统及整机智能化电液控制自动换挡变速器、负荷传感全功率控制、机电一体化控制、可编程控制与遥控以及无人操作等技术。根据不同作业模式选择不同油门开度和泵排量的分工况控制，比例控制技术和伺服控制技术也在高精度工程机械控制中得到了广泛应用。电子检测系统可以密切的监控机械设备各主要功能的变化情况，及时的判断出故障发生的位置，以避免驾驶员的操作失误，确保安全的作业。为了满足危险环境以及有毒环境中的施工作业，遥控无人驾驶的工程机械设备颇受市场的欢迎。无线遥控技术与卫星定位技术应用于工程机械（推土、压实机械）中，而利用这些机械来进行垃圾场的推土、碾压工作，其效果非常好。另外，日本研制出一种可以在悬崖小峭壁上工作的挖掘机，也是采用了遥控技术。遥控无人驾驶技术的应用不但可以提高作业效率，还可以避免人员的身体收到伤害。（四）机电一体化系统的构成执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数（1）机械本体机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。（2）动力源机电一体化产品的能量供应部分，其作用是按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能。（3）传感检测单元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。（4）控制与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的指令，控制整个系统有目的地运行。（5）执行机构根据控制指令驱动机械部件的运动。通常采用电力、气压和液压驱动等几种方式。（6）驱动单元在控制信息作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。（7）接口将各组成单元或子系统连接成一有机的整体。接口包括：电气接口：实现系统间电信号的连接。机械接口：完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接。人机接口：提供人与系统间的交互界面。机械技术传感检测技术信息处理技术自动控制技术伺服驱动技术系统总体技术机电一体化的共性关键技术（1）机械技术是机电一体化的基础。实现机电一体化产品的主功能和构造功能；影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。（2）传感检测技术研究对象：传感器及其信号检测装置；要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。（3）信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策；实现信息处理的工具是计算机,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。（4）自动控制技术软件方面的技术；主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等进行控制的技术。（5）伺服驱动技术研究对象：执行元件及其驱动装置执行元件种类：电动、液压、气压驱动装置：各种电动机的驱动电源电路（6）系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优的应用技术。其重要内容为接口技术。（五）机电一体化的发展趋势机电一体化是机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的综合应用，其发展有赖于相关技术的不断进步。其发展趋势：（1）智能化智能化是世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。人工智能可使机器具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，虽然机电一体化产品不可能具有与人完全相同的智能，但依赖高性能、高速的微处理器可使其具有低级智能或人的部分智能，从而达到更精确的控制目标。（2）模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口