機(jī)電一體化技術(shù)在挖掘機(jī)中的應(yīng)用

1、 機(jī)電一體化作業(yè) 姓名：司卓印 學(xué)號(hào)：03100991 班級(jí)：機(jī)自10-4 機(jī)電一體化技術(shù)在挖掘機(jī)中的應(yīng)用一、機(jī)電一體化技術(shù)概述機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化發(fā)展至今已成為一門自成體系的新型學(xué)科。其基本特征可概括為：機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)控技術(shù)、電力電子術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上

2、實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電一體化是一種以實(shí)踐即產(chǎn)品為基礎(chǔ)的技術(shù),這是它和任何其它技術(shù)不一樣的地方。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā),使產(chǎn)品與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)業(yè)和制造業(yè)從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制等諸方面都帶來深刻的變化,是當(dāng)今機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì),也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)振興與發(fā)展的必由之路。隨著機(jī)電一體化產(chǎn)品占有額的迅速增大, 機(jī)電一體化技術(shù)的重要性將日益為人們所認(rèn)識(shí)。比如機(jī)器人,只是機(jī)電一體化廣闊領(lǐng)域的一個(gè)部分,就具有100億美元的市場(chǎng), 而整個(gè)機(jī)電一體化的市場(chǎng)則要大10

3、倍。所以,對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的需求與日俱增。二、國(guó)內(nèi)應(yīng)用價(jià)值機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了很好的促進(jìn)作用,因此受到了國(guó)家的重視。國(guó)家科委綜合局組織的我國(guó)機(jī)電一體化發(fā)展途徑與對(duì)策中,根據(jù)社會(huì)需要、投資效益和現(xiàn)有基礎(chǔ)等條件,提出優(yōu)先發(fā)展15個(gè)領(lǐng)域中的機(jī)電一體化產(chǎn)品,即數(shù)控機(jī)床及其它機(jī)械制造工藝設(shè)備、電子化量具量?jī)x、工業(yè)自動(dòng)化控制儀表、中小型電機(jī)與電氣傳動(dòng)控制裝置、電子化低壓電器、工業(yè)機(jī)器人、電子化家用電器、電子控制的輕工機(jī)械、電子控制的紡織機(jī)械、機(jī)電一體化的醫(yī)療器械、汽車電子化和電子控制內(nèi)燃機(jī)、機(jī)電一體化的辦公機(jī)械、電站電子化自動(dòng)化自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子式照相機(jī)、采用微電子技術(shù)的印刷機(jī)械

4、等。機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用于我們生產(chǎn)和生活的方方面面。因機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同而使機(jī)電一體化專業(yè)派生出許多專門化,例如數(shù)控技術(shù)應(yīng)用、機(jī)電一體化設(shè)備的制造與維修、自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)線、制冷與空調(diào)、機(jī)器人等。但是由于種種因素的制約，我國(guó)發(fā)展“機(jī)電一體化”的狀況和面臨的形勢(shì)也同樣很艱難。1.我國(guó)用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)的工作量大而廣，有難度 2. 我國(guó)用機(jī)電一體化技術(shù)加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高市場(chǎng)占有率的呼聲高，有壓力。 3. 我國(guó)用機(jī)電一體化產(chǎn)品取代技術(shù)含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、擾民產(chǎn)品的責(zé)任重，有意義。在我國(guó)工業(yè)系統(tǒng)中，能耗、耗水大戶，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的企業(yè)還占相當(dāng)大的比重。近年來我國(guó)的工

5、業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)雖然幾經(jīng)調(diào)整，但由于多種原因，成效一直不夠明顯。這里面固然有上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門的政出多門問題，有企業(yè)的“故土難離”“死守故業(yè)”問題，但不可否認(rèn)也有優(yōu)化不出理想的產(chǎn)業(yè)，優(yōu)選不出中意的產(chǎn)品問題。上佳的答案早就擺在了這些企業(yè)的面前，這就是發(fā)展機(jī)電一體化，開發(fā)和生產(chǎn)有關(guān)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品功能強(qiáng)、性能好、質(zhì)量高、成本低，且具有柔性，可根據(jù)市場(chǎng)需要和用戶反映時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程做必要的調(diào)整、改革，而無須改換設(shè)備。這是解決機(jī)電產(chǎn)品多品種、少批量生產(chǎn)的重要出路。同時(shí)，可為傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)注入新鮮血液，帶來新的活力，把機(jī)械生產(chǎn)從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)。 另外，從市場(chǎng)需求的角

6、度看，由于我國(guó)研制、開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品的歷史不長(zhǎng)，差距較大，許多產(chǎn)品的品種、數(shù)量、檔次、質(zhì)量都不能滿足需求，每年進(jìn)口量都比較大，因此亟需發(fā)展。 三、機(jī)電一體化與挖掘機(jī)的結(jié)合四挖掘機(jī)作為一種重要的施工機(jī)械,人們對(duì)它的質(zhì)量?jī)?yōu)良、作業(yè)性能完善和生產(chǎn)效率高的需求更加迫切,因此各國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)為占領(lǐng)市場(chǎng)都進(jìn)行有關(guān)挖掘機(jī)高新技術(shù)的研究和開發(fā),因?yàn)闄C(jī)械裝置已經(jīng)基本定型,所以電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電液比例技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用研究已經(jīng)成為現(xiàn)在挖掘機(jī)的主要研究方向。1、普遍采用電子節(jié)能技術(shù)的大中型液壓挖掘機(jī)美國(guó)市場(chǎng)在發(fā)動(dòng)機(jī)排放上的要求非常嚴(yán)格，要求符合Tire 3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)才能在其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷售。所以進(jìn)

7、入美國(guó)市場(chǎng)的挖掘機(jī)多數(shù)都采用了高排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是中大型挖掘機(jī)，電噴發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置，該種發(fā)動(dòng)機(jī)無論在可控性還是節(jié)能方面都較機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的改善。2、采用自動(dòng)怠速功能的小型液壓挖掘機(jī)對(duì)比上面所提到的大中型液壓挖掘機(jī)普遍采用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀，由于成本問題，在10噸以下的小型挖掘機(jī)上，機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)還是被廣泛采用；因此，在其節(jié)能方面，國(guó)外的挖掘機(jī)公司采用了不同的技術(shù)。JCB小型挖掘機(jī)上采用的一種電控的油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器采用了一種液壓缸，在結(jié)構(gòu)上采用角度傳感器實(shí)時(shí)反饋油門的位置，另外配合連接到液壓缸上的一個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)電子油門及自動(dòng)怠速功能。NewHolland小挖的自動(dòng)怠速系統(tǒng)，其油門

8、仍采用機(jī)械拉桿（軟軸）的形式，只是設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)怠速結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到需要自動(dòng)怠速的時(shí)候，電磁鐵吸合，機(jī)構(gòu)動(dòng)作，發(fā)動(dòng)機(jī)回到怠速狀態(tài)。 3、采用電液比例控制技術(shù)的液壓挖掘機(jī)該類型產(chǎn)品是指在普通的液壓先導(dǎo)式操作挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上，采用電液比例技術(shù)控制挖掘機(jī)，相應(yīng)的運(yùn)用電比例手柄取代液壓先導(dǎo)手柄。其基本原理是采集電手柄的動(dòng)作信號(hào)，利用控制器進(jìn)行運(yùn)算，輸出相應(yīng)的PWM值控制比例閥。結(jié)合布置于機(jī)器上的傳感器，還可以實(shí)現(xiàn)某些自動(dòng)或者半自動(dòng)功能。（1）挖掘機(jī)工作平臺(tái)，該平臺(tái)是為演示其電控挖掘機(jī)控制技術(shù)專門定制的，既采用電液比例技術(shù)，同時(shí)具有輔助挖掘操作裝置，通過安裝在平臺(tái)上的顯示屏及工作裝置上的傾角傳感器，可以

9、實(shí)時(shí)的顯示鏟斗的軌跡。（2）SWEL55型挖掘裝載機(jī)，該機(jī)型不同與平常的兩頭忙，其工作裝置位于一端，從挖掘機(jī)切換成裝載機(jī)時(shí)，只需將工作裝置折疊即可完成，反之亦然。為了便于工作裝置的模式轉(zhuǎn)換，該機(jī)器采用了全電控技術(shù)，通過控制器可以輕松完成模式的轉(zhuǎn)換及電手柄在不同模式下的不同功能。（3）主從式挖掘機(jī)，控制原理為：屬于一種主從方式的控制形式，通過手指，手腕，大臂對(duì)應(yīng)控制鏟斗，斗桿與動(dòng)臂；小臂的左右偏轉(zhuǎn)來控制挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)。在操作過程中，當(dāng)操作者（主控制方）的相應(yīng)關(guān)節(jié)動(dòng)作后，計(jì)算機(jī)采集到該信號(hào)，并與安裝在挖掘機(jī)（從控制方）上的角度傳感器的信號(hào)進(jìn)行比較，如果存在偏差；發(fā)出遙控信號(hào)控制挖掘機(jī)消除偏差，從而達(dá)

10、到控制挖掘機(jī)的目的。其原理還是點(diǎn)到點(diǎn)控制，因此，在同步性上存在誤差。（4）采用Husco技術(shù)的液壓挖掘機(jī)，其工作原理為：動(dòng)臂和回轉(zhuǎn)仍采用常用的液壓先導(dǎo)式主閥，在系統(tǒng)中裝有能量回收機(jī)構(gòu)，回收動(dòng)臂下降的能量，并儲(chǔ)存起來，供給其他的工作裝置；斗桿與鏟斗采用特殊的電控閥，而且該閥分別布置在靠近工作裝置液壓缸的位置，而不是傳統(tǒng)的所有主閥布置在一起的方式，該電控閥由四個(gè)插裝閥構(gòu)成，對(duì)閥的A口和B口分別進(jìn)行控制；而不同于常用的單閥芯的形式；具研究者聲稱：采用該項(xiàng)技術(shù)后，挖掘機(jī)可以節(jié)能25。4、應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)上的各種監(jiān)控技術(shù)為了方便操作手查看機(jī)器的重要參數(shù)，實(shí)時(shí)的了解整機(jī)的狀態(tài)；儀表技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到液壓

11、挖掘機(jī)中，只是出于成本的考慮，不同噸位的挖掘機(jī)采用不同層次的儀表。一般說來，10噸以下的小型履帶式挖掘機(jī)多采用機(jī)械式儀表或者黑白液晶顯示屏。在挖掘機(jī)上，尤其是20噸以上的挖掘機(jī)，高品質(zhì)液晶彩色顯示屏的采用，在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛的認(rèn)可。挖掘機(jī)開發(fā)中的CB430型儀表，Komastu型儀表。其中可以以動(dòng)畫的形式實(shí)時(shí)顯示挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并提供坐標(biāo)。顯示屏的按鈕可以提供視角的切換。Komastu的儀表界面分為兩部分：一部分顯示整機(jī)的工作參數(shù)，另外還可以單屏和雙屏的形式顯示車體尾部安裝的攝像頭采集到的圖像。兩套操作儀表整體效果好，顯示/監(jiān)控系統(tǒng)界面直觀，簡(jiǎn)潔；標(biāo)識(shí)準(zhǔn)確，易懂，便于進(jìn)行操作。在儀表方面，國(guó)

12、內(nèi)廠家都均已采用；但國(guó)外產(chǎn)品儀表的高品質(zhì)性，值得國(guó)內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家學(xué)習(xí)。5、GPS技術(shù)在液壓挖掘機(jī)上的應(yīng)用（1）用于遠(yuǎn)程維護(hù)、信息管理的GPS技術(shù)。該類技術(shù)的定位精度不高，一般為米級(jí)。主要利用GPS控制器采集遠(yuǎn)程維護(hù)所需的信號(hào)上傳到服務(wù)器中，通過Internet可以查看機(jī)器的狀態(tài)（通過采集傳感器信息，歷史工作記錄等。國(guó)內(nèi)很多的工程機(jī)械主機(jī)廠家也采用了該項(xiàng)技術(shù)，但是目前多數(shù)廠家的GPS系統(tǒng)不夠強(qiáng)大，需進(jìn)一步完善。（2）高精度GPS系統(tǒng)的應(yīng)用。該系統(tǒng)利用GPS差分技術(shù)，結(jié)合激光、全站儀、超聲波及多傳感器技術(shù)，通過軟件界面的設(shè)計(jì)，可以在系統(tǒng)的虛擬儀表中提供施工工地的三維圖形、機(jī)器的三維坐標(biāo)等信息；

13、而且精度可以達(dá)到厘米級(jí)。該項(xiàng)技術(shù)在大型的施工現(xiàn)場(chǎng)，尤其是多種機(jī)型的工程機(jī)械進(jìn)行集群作業(yè)時(shí)；能夠顯示其優(yōu)勢(shì)，有利于施工管理方進(jìn)行有序調(diào)度，提高集群的工作效率。6、具有輔助挖掘系統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)為提高作業(yè)效率，近幾年來，輔助操作系統(tǒng)逐步得到各主機(jī)廠的重視。嚴(yán)格來說，高精度GPS技術(shù)的運(yùn)用也屬于輔助操作的范疇。有些挖掘機(jī)采用挖掘機(jī)輔助系統(tǒng)技術(shù)，如JohnDeere 60D型挖掘機(jī)采用了整套輔助挖掘系統(tǒng)。該套系統(tǒng)的基本工作原理類似，主要利用安裝在挖掘機(jī)工作裝置上的角度或者傾角傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)；利用系統(tǒng)中的儀表顯示工作裝置的軌跡及鏟斗末端的坐標(biāo)。在進(jìn)行精細(xì)作業(yè)時(shí)，可以在儀表中輸入要完成的工

14、作面的形狀，操作者可以按照提示進(jìn)行工作，直到完成預(yù)定的形狀。尤其是在挖掘復(fù)雜形狀的工作面和平整作業(yè)中，該系統(tǒng)可以提高工作效率和精度。如果配合激光技術(shù)，還可以利用安裝在斗桿上的紅外接收裝置，挖掘規(guī)定深度的基坑，提高精度的同時(shí)，節(jié)約了人工成本。 綜上可知，傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、 驅(qū)動(dòng)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、軟件技術(shù) 等技術(shù)被運(yùn)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)中，使挖掘機(jī)能適應(yīng)不同工作環(huán)境、不同工作要求的場(chǎng)合，更靈活的提高工作效率。四、機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 1、數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過40 年的發(fā)展,在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度上都有迅速提高,具體表現(xiàn)在: （1）總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu),

15、即 采用多CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。 （2）開放性設(shè)計(jì),即硬件體系結(jié)構(gòu)和功 能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標(biāo)準(zhǔn),能最大限度地提高用戶的使用效益。 （3）WOP技術(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供 面向車間的編程技術(shù)和實(shí)現(xiàn)二、三維加工過程的動(dòng)態(tài)仿真,并引入在線診斷、模糊 控制等智能機(jī)制。 （4）大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用和軟件的模 塊化設(shè)計(jì),不僅豐富了數(shù)控功能,同時(shí)也加強(qiáng)了CNC系統(tǒng)的控制功能。 （5）能實(shí)現(xiàn)多過程、多通道控制,即具 有一臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺(tái)和多種機(jī)床的能力,并將刀具 破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集 成到系統(tǒng)中去。 （6）系統(tǒng)的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能,加強(qiáng)了系統(tǒng) 組合及構(gòu)成復(fù)雜

16、加工系統(tǒng)的能力。 （7）以單板、單片機(jī)作為控制機(jī),加上專 用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。 2、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS) CIMS的實(shí)現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng) 的簡(jiǎn)單組合,而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合。它 打破原有部門之間的界線,以制造為基干 來控制“物流”和“信息流”,實(shí)現(xiàn)從經(jīng)營(yíng) 決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的有機(jī)結(jié)合。企業(yè)集成度的提 高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到 更好的優(yōu)化,各種生產(chǎn)要素的潛力可以得 到更大的發(fā)揮。 3、柔性制造系統(tǒng)(FMS) 柔性制造系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)化的制造系 統(tǒng),主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、料盤、自動(dòng)搬運(yùn)小車和自動(dòng)化倉庫等組成。 它可以隨機(jī)地、實(shí)

17、時(shí)地、按量地按照裝配 部門的要求,生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工 件,特別適于多品種、中小批量、設(shè)計(jì)更改 頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。 4、工業(yè)機(jī)器人 第1代機(jī)器人亦稱示教再現(xiàn)機(jī)器人, 它們只能根據(jù)示教進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng),對(duì)工作環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的變化缺乏適應(yīng)性和靈活 性;第2代機(jī)器人帶有各種先進(jìn)的傳感元 件,能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信 息,通過計(jì)算機(jī)處理、分析,做出一定的判 斷,對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制,表現(xiàn)出低級(jí)智 能,已開始走向?qū)嵱没?第3代機(jī)器人即智 能機(jī)器人,具有多種感知功能,可進(jìn)行復(fù)雜 的邏輯思維、判斷和決策,在作業(yè)環(huán)境中獨(dú) 立行動(dòng),與第5代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切。 五、應(yīng)用研究展望智能化是機(jī)電一體化與傳統(tǒng)

18、機(jī)械自動(dòng)化的主要區(qū)別之一,也是21世紀(jì)機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向。近幾年,處理器速度 的提高和微機(jī)的高性能化、傳感器系統(tǒng)的 集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng) 造了條件,有力地推動(dòng)著機(jī)電一體化產(chǎn)品 向智能化方向發(fā)展。智能機(jī)電一體化產(chǎn)品可以模擬人類智能,具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力,從而取代制造工程中人的部分腦力勞動(dòng)。在人與機(jī)器對(duì)話方面，需要人機(jī)接口。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能代替人的五官功能的電子機(jī)械。與此同時(shí)，由于圖像認(rèn)別技術(shù)的發(fā)展，以及通過聲音輸入輸出實(shí)現(xiàn)與機(jī)器的對(duì)話，或者為人眼服務(wù)的物體認(rèn)別及文字認(rèn)別技術(shù)的進(jìn)步，即將出現(xiàn)能代替多數(shù)人勞動(dòng)的機(jī)械。機(jī)械制造廠通過采用這種智能化的電子技術(shù)，便可實(shí)現(xiàn)工廠的自動(dòng)化和無人化。由于微型機(jī)的普及，可以設(shè)置智能終端來分