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機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用
中國軸承網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:2008/07/14
CONEXPO—CON/AGG 2008于2008年3月11-15日在美國拉斯維加斯召開，雖然就工程機(jī)械產(chǎn)品參展規(guī)模而言，本屆展會(huì)較德國bauma展會(huì)小很多，但卻有自己的特色。產(chǎn)品更強(qiáng)調(diào)安全、實(shí)用的特點(diǎn)，不同于歐洲展會(huì)對(duì)于外型、環(huán)保的關(guān)注，且筆者在對(duì)現(xiàn)場參展產(chǎn)品進(jìn)行仔細(xì)的參觀與分析后，除了感受到眾多主機(jī)廠家產(chǎn)品日新月異之外，一種技術(shù)——機(jī)電一體化，在工程機(jī)械上也逐步顯示出其地位。
1、日趨成熟的GPS技術(shù)
數(shù)量眾多的運(yùn)用高精度GPS技術(shù)產(chǎn)品的展出，顯示了該技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用日趨廣泛，這也將成為現(xiàn)代化施工的一種趨勢(shì)。
1.1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。約翰•迪爾、卡特彼勒、小松、現(xiàn)代等紛紛在現(xiàn)場展出自己的該項(xiàng)技術(shù)，其中約翰•迪爾甚至可以現(xiàn)場操作。國內(nèi)很多工程機(jī)械主機(jī)廠家也采用了該項(xiàng)技術(shù)，但是目前多數(shù)廠家的功能還不夠強(qiáng)大，需進(jìn)一步完善。
1.2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，精度可達(dá)到厘米級(jí)。該項(xiàng)技術(shù)在大型的施工現(xiàn)場，尤其在多種機(jī)型的建筑工程機(jī)械進(jìn)行集群作業(yè)時(shí)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。不僅有利于施工管理方進(jìn)行有序調(diào)度，而且能夠提高集群的工作效率。
縱觀近幾年來的3次展會(huì)，在該技術(shù)方面，做的比較領(lǐng)先的幾家企業(yè)分別為：Trimble、拓普康及Leica。與前2屆展會(huì)不同的是，這3家企業(yè)除了在自己展位展示產(chǎn)品外，還專門布置了具有相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)品應(yīng)用展示區(qū)。因此，所展示的產(chǎn)品無論從數(shù)量還是品種上。都遠(yuǎn)多于前2屆展會(huì)。其中Trimble的用戶主要為：卡特彼勒、小松;拓普康的主要用戶為：卡特彼勒、約翰•迪爾及沃爾沃;Leica的用戶主要為：約翰•迪爾。產(chǎn)品類型包括挖掘機(jī)、挖掘裝載機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)、壓路機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械等。由此也顯示出該項(xiàng)技術(shù)在美國有著廣闊的市場，而在我國受成本及市場需求的影響，該項(xiàng)技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段。
2、機(jī)電一體化技術(shù)在挖掘機(jī)上的運(yùn)用
機(jī)電一體化技術(shù)在挖掘機(jī)上的運(yùn)用可以說是本屆展會(huì)的亮點(diǎn)，幾乎每個(gè)挖掘機(jī)的主機(jī)廠家都展示了在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用水平。
2.1電控挖掘機(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)控制的挖掘機(jī)，相應(yīng)的以電比例手柄取代液壓先導(dǎo)手柄。其基本原理是首先采集電手柄的動(dòng)作信號(hào)，然后利用控制器進(jìn)行運(yùn)算，最后輸出相應(yīng)的PWM值控制比例閥。結(jié)合布置于機(jī)器上的傳感器，電控挖掘機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)某些自動(dòng)或者半自動(dòng)功能。
現(xiàn)場展出的比較典型的電控挖掘機(jī)有：
(1)Leica公司研發(fā)的挖掘機(jī)工作平臺(tái)。該平臺(tái)是Leica公司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)又配備輔助挖掘操作裝置，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，可以實(shí)時(shí)顯示鏟斗的軌跡。
(2)山河智能的SWEL55型挖掘裝載機(jī)。該機(jī)型不同于普通的挖掘裝載機(jī)，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)斗山的主從式挖掘機(jī)。其控制原理為：采用一種主從方式的控制形式，即通過手指、手腕、大臂分別對(duì)應(yīng)控制鏟斗、斗桿與動(dòng)臂;通過小臂的左右偏轉(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，則發(fā)出遙控信號(hào)控制挖掘機(jī)消除偏差，從而達(dá)到控制挖掘機(jī)的目的。由于其原理是點(diǎn)到點(diǎn)控制，因此在同步性上存在誤差。
2.2具有輔助挖掘系統(tǒng)的挖掘機(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。在展會(huì)現(xiàn)場也展出了相關(guān)的產(chǎn)品。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，因上文已經(jīng)敘述，在此不再展開，僅對(duì)單機(jī)的輔助挖掘系統(tǒng)進(jìn)行介紹�，F(xiàn)舉2個(gè)例子加以說明：Prolec公司開發(fā)的挖掘機(jī)輔助挖掘系統(tǒng)、約翰•迪爾60D型挖掘機(jī)均采用了Leica公司開發(fā)的整套輔助挖掘系統(tǒng)。這2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。該類技術(shù)在提高精度的同時(shí)，也節(jié)約了人工成本。
2.3運(yùn)用在挖掘機(jī)上的監(jiān)控系統(tǒng)
在挖掘機(jī)，尤其是20t以上的挖掘機(jī)上，采用高品質(zhì)液晶彩色顯示屏，在國內(nèi)外得到廣泛的認(rèn)可�，F(xiàn)以展會(huì)現(xiàn)場2款比較精美的儀表加以分析：Trimble公司為挖掘機(jī)開發(fā)的CB430型儀表，小松的中挖儀表。其中Trimble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)，而且顯示屏的按鈕可以實(shí)現(xiàn)視角的切換。小松的儀表界面分為2部分：一部分顯示整機(jī)的工作參數(shù)，另一部分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。2套操作儀表整體效果好，顯示/監(jiān)控系統(tǒng)界面直觀簡潔、標(biāo)識(shí)準(zhǔn)確易懂，便于操作。在儀表方面，國內(nèi)廠家均已采用，但國外儀表的高品質(zhì)性，值得國內(nèi)挖掘機(jī)廠家學(xué)習(xí)。
2.4 自動(dòng)怠速系統(tǒng)在小型挖掘機(jī)上的應(yīng)用
在美國市場，發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求非常嚴(yán)格，只有符合Tire 3標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)才能在美國市場銷售。因此進(jìn)入美國市場的中挖多數(shù)都采用了電控發(fā)動(dòng)機(jī)。無論在可控性還是節(jié)能性方面都較機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的改善。但由于成本問題，在10t以下的小型挖掘機(jī)上，機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)還是被廣泛采用。因此，在節(jié)能方面，國外挖掘機(jī)廠家采用了不同的技術(shù)。
JCB小型挖掘機(jī)上 采用的一種電控油門執(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。
紐荷蘭小型挖掘機(jī)的自動(dòng)怠速系統(tǒng)，其油門仍采用機(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、機(jī)電一體化技術(shù)在旋挖鉆機(jī)上的運(yùn)用
旋挖鉆機(jī)是近幾年來在國內(nèi)被廣泛采用的一種重要的工程機(jī)械，其應(yīng)用主要集中在大型樁基礎(chǔ)施工中。而在國外，旋挖鉆機(jī)使用時(shí)間比較長，且發(fā)展也較成熟。此次展會(huì)更是展出了門類齊全的旋挖鉆機(jī)，無論在廠家數(shù)量還是旋挖鉆機(jī)的類型上都多于前2屆展會(huì)，更有很多旋挖鉆機(jī)的變形產(chǎn)品展出，顯示了國外在該產(chǎn)品領(lǐng)域技術(shù)的成熟，同時(shí)也反映出該產(chǎn)品在美國有著廣闊的市場。主要的國外廠家有：寶峨、Soilmec、IMT、Mait、Casagrande、Junttan等，我國有三一、山河智能等。旋挖鉆機(jī)因其施工工藝較為復(fù)雜，且在施工過程中對(duì)精度要求較高，因此很多公司都開發(fā)了自動(dòng)控制功能以提高施工效率和精度。最為常見的有2種功能：鉆桅自動(dòng)調(diào)垂直功能和鉆孔工程中自動(dòng)回位功能。
硬件方面，有些廠家采用了建筑工程機(jī)械的通用控制器、儀表，也有些廠家為提高自身競爭力，定制開發(fā)了具有公司特色的控制器、儀表。其中寶峨就定制了自己的控制系統(tǒng)，司機(jī)室內(nèi)除了具有顯示儀表外，還配有圖像監(jiān)視屏和具有寶峨特色的報(bào)警面板。
4、遙控技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用
隨著工程機(jī)械功能的擴(kuò)展，遙控技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境越來越廣。很多時(shí)候應(yīng)用遙控技術(shù)是出于對(duì)操作手的保護(hù)和操作的便利性。例如在水泥混凝土泵車上已經(jīng)廣泛采用該技術(shù)。此次展會(huì)除了常見的應(yīng)用機(jī)型外，山貓的一款滑移裝載機(jī)上也開發(fā)了遙控功能，同時(shí)展出的還有遙控技術(shù)在一些小型多功能產(chǎn)品上的延用。該機(jī)型是在小型挖掘機(jī)的底盤上更換成鉆機(jī)的工作裝置，而工作裝置是可以遙控的�，F(xiàn)場還展出了運(yùn)用遙控技術(shù)的叉車產(chǎn)品，展出產(chǎn)品的品牌有：Maniton、紐荷蘭等。
5、小結(jié)
以上有關(guān)機(jī)電一體化的應(yīng)用，只是筆者在本屆展會(huì)上看到的該領(lǐng)域的冰山一角�？v觀本屆展會(huì)，并通過與前2屆展會(huì)的比較，不難發(fā)現(xiàn)，更多廠家展示了其挖掘機(jī)的電控技術(shù)，尤其是成熟的具有電控功能的產(chǎn)品，充分顯示了國外廠商對(duì)于該技術(shù)的重視程度，也體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)在美國市場上的廣泛認(rèn)可，且今后也將會(huì)有更大的發(fā)展。而在該領(lǐng)域，國內(nèi)的一些大學(xué)、工程機(jī)械生產(chǎn)廠家和研究院所已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到其重要性，但多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。因此，在機(jī)電一體化技術(shù)的成熟性、可靠性和市場化的道路上，還需很長的一段路要走。
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