浅谈工程机械制造中的机电自动化技术

浅谈工程机械制造中的机电自动化技术摘要：机电自动化在我国的工业生产中，已经成为了十分重要的一部分，不仅对我国工程机械制造的水平有着推动作用，还可以带动我国机械的自动化发展。对于工程机械制造来说，我国现阶段的平均水平还不够高，仍有很多问题存在。本文通过对机电自动化在工程机械制造中的应用进行深入分析，提出几点参考意见，供相关部门进行参考采纳。关键词：工程制造；机电技术；自动化；应用管理1汽车底盘电控理论基础对于汽车最为重要的部分之一，汽车底盘扮演了非常重要的角色。汽车底盘电控技术已经取得了巨大的发展，不论在汽车行驶安全性、动力性还是在乘坐舒适度方面都发挥着不可替代的作用。据统计，全球市场对汽车电控系统需求量最大的是兼具安全性和舒适性的电子系统，其中大部分是电子底盘控制系统。汽车底盘使得驾驶者可作出加速、减速以及转向运动。在整个驾驶过程中，驾驶员通过汽车中的转向盘、制动踏板、油门对整个行驶过程进行有效控制。驾驶员一系列的操作通过前轮的转向角及车轮上的驱动力矩或制动力矩进行具体的执行，真正起作用的是轮胎的纵向力和侧向力。2汽车底盘常见的电控系统伴随着人们对车辆的稳定性、安全性能和乘坐舒适性等方面逐渐提出更多的要求，为了进一步提高汽车的易操作性、经济性、动力性和安全性能，电子控制技术已经广泛应用到了汽车底盘中。2.1电控自动变速器电控自动变速器的应用使得汽车在行驶过程中能够根据实际行驶情况进行变速器的档位自动变换，具有驾驶更加省力、发动机寿命更长、起步加速更加平稳、有效避免过载以及发动机熄火等优点。目前，市面上的自动变速器主要有一下三种：电控机械式自动变速器、液力-机械式自动变速器、电控机械式无级变速器（CVT）。电子控制在自动变速器上的应用实现了汽车行驶过程中的自动补偿调节，自动变速器电子控制通过动力传动控制模块接收来自汽车上各种传感器的电子信号输入，根据汽车的使用工况对这些信息处理来决定液力自动变速器运行工况。按照这些工况，来控制变速器的升档和降档及换档感觉。自动变速器主要运用电子气动换挡装置，传统汽车利用机械换挡杆与变速器构件进行连接，而利用这种电子控制装置取代机械装置，通过气动伺服阀气缸以及电磁阀来进行控制，能够简化操作者的手动操控，同时发挥汽车最佳的安全性能和动力性能。2.2防抱死制动系统防抱死制动系统简称为ABS，是英文“Anti-lockBrakeSystem”的缩写。防抱死制动系统在汽车制动中起到了重要的作用，对制动器动力进行制动控制，防止车轮抱死，保证汽车车轮与地面之间的附着力保持最大值状态。ABS主要有以下几个优点：一是减少汽车轮胎路损情况，二是当汽车处于紧急制动情况下时依然能够进行方向的操纵，三是在汽车紧急制动过程中游侠防止车辆甩尾以及侧滑的发生，四是最大限度缩短制动距离以及制动时间。针对ABS的研究，重点是其系统控制方法的研究。针对自动刹车防抱死系统的控制策略主要是运用逻辑门限值进行控制的方法，不需要具体建立数学模型。在这种控制方法下，能有效地进行系统的非线性控制，通过控制汽车的滑移率门限值和车轮的角加速度与减速度进行车辆制动控制，实现汽车的自动刹车防抱死技术。2.3电控防滑驱动系统电控防滑驱动系统最主要的作用是调节汽车驱动车轮牵引力，以此来控制驱动车轮滑转，又被称为牵引力控制系统（TractionControlSystem），简称为TCS。如果汽车在弱附着或者软附着的界面进行加速或起步，由于只能从界面获得很低的附着力，小于车轮获得的驱动力，车轮往往会发生滑转，这种情况会导致车辆的加速性能和起步稳定性大打折扣。而电控防滑驱动系统能够分析车轮的滑转情况和运动状态，对施加到车轮上的驱动力矩进行控制，对发动机动力输出进行及时控制火势对滑转的车轮施以制动力，通过TCS的控制能够有效降低驱动轮的滑转几率，以此避免汽车行驶稳定性以及牵引力的下降，从而能够保障车辆在弱附着或者软附着的界面的行驶稳定性和牵引通过性。2.4悬架系统悬架系统是连接车轮与车身之间全部部件以及零件的总称。悬架系统主要由减振器、弹簧（例如螺旋弹簧、板簧、扭杆等等）以及导向机构这三个部分共同组成。悬架系统能够有效的降低、抑制车轮与车体之间的振动与动载，保证汽车在行驶过程中的平顺性以及稳定性。电子控制悬架系统包括主动悬架和半主动悬架两种，主动悬架能够有效改善汽车的乘坐舒适度和安全性能，成为汽车电控悬架系统的主要发展目标。电控主动悬架又包括电控主动液压悬架和电控空气悬架这两种。电控主动液压悬架通过伸缩液压减震器，根据车载电脑计算的悬架加速度使得车辆在行驶过程中保持平衡。电控空气悬架通过感应路面状况以及自身受到的作用力，能够及时进行空气减震器的摩擦和刚度的控制，以保证整个过程中车辆始终保持在可接受的范围之内发生适度震动。这两种主动悬架都是通过对减振器阻尼以及悬架刚度进行调节控制，抑制车身的震动，同时能够调节车身的高度，对被动悬架局限区域进行突破，令汽车悬架特性能够与道路状况相适应，从而保证了汽车行驶过程的平顺性以及操纵稳定性。2.5汽车电子稳定系统（ESP）汽车电子稳定系统简称为ESP，是ElectronicStabilityProgramme的缩写。汽车电子稳定系统可以帮助汽车驾驶者有效避免汽车出现的不稳定状况。ESP是基于ABS系统开发而来的，可以对紧急驾驶工况例如驾驶员慌乱反应等进行有效识别，同时通过向单个车轮施以制动并对发动机控制系统进行有效干预，以此保证汽车的稳定性。汽车电子稳定系统能够对理想转向角、轮速差异、侧向力以及横摆角度等信号进行有效综合，并对汽车失控状态快速判断，并及时发挥作用使汽车稳定下来。汽车电子稳定系统利用传感器感知以及算法分析将监测到的汽车的实际运动状态与操作员期望获得的车辆运动状态进行比较，当二者相差过大时，便会主动进行控制，主要是调节施加在车轮上的纵向的作用力，改变横摆力矩，从而使汽车发生适当的横摆运动，使车辆调整到操作员期望获得的车辆运动状态。尤其是当车辆行驶在弯道上时，如图所示，为了使车辆调整到操作员期望获得的车辆运动状态，ESP系统会控制车轮的前后轴的侧向力，改变汽车的横摆力矩，使汽车发生横摆，实现方向的有效控制。3汽车底盘电控技术发展趋势汽车底盘各个电控系统之间相互联系并相互依赖，彼此之间相互影响。汽车控制效果的不断优化、资源不断节约以及控制系统可靠性不断提高将成为未来汽车的重要发展方向。虽然电控自动变速器、防抱死制动系统（ABS）、电控防滑驱动系统（TCS）、悬架系统、转向控制系统和汽车电子稳定系统（ESP）等这些电子控制技术得到了广泛应用和研究，为汽车电控技术的进一步发展，为了打开一个广阔的前景，对提高车辆的性能也发挥了不可替代的作用，然而汽车毕竟作为一个整体，其性能将依赖于各个系统的共同运转，如果依然保持现在这样各个系统独立工作的状态，任由不同的系统之间互相影响和制约，无疑不利于汽车整体性能的提升，每个电控系统也在互相的约束下无法发挥最大的效率。这样一来，汽车（特别是汽车底盘）中各电控系统的集成了成为了当下研究的焦点。考虑到未来汽车发展势必要求汽车整体性能的提升，汽车（特别是汽车底盘）中各电控系统的集成将成为不可避免的发展方向。因此，利用高速局域网络CAN将汽车电控系统进行有效结合，实现汽车底盘多层面控制将成为现代汽车底盘电控技术的重要发展趋势。4电液伺服控制系统在自动化领域，电液伺服控制系统占有重要的位置，它是液压技术、计算机技术、电子技术和控制理论的有机集合体。随着我国科技化产业化进程的不断深入，工业生产中各种材料、零部件、构件以至整机（如飞机）或整个建筑物(如大型地震台)等都需要经过试验才能确定其力学性能，因此试验机的发展水平在某种程度上反映了一个国家的工业水平，尤其是动态试验机的水平更代表了一个国家在材料力学领域的研究水平。而电液伺服系统作为材料试验机的核心系统，其性能直接决定了材料试验机的性能。伺服是指物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟着输入目标（或给定值）的任何变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。伺服系统通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气伺服、液压伺服、电液伺服。伺服控制系统的经典控制理论在上世纪50年代初由美国麻省理工学院开始研究。到60年代初构成了其基本类型。5汽车电子电气架构5.1系统需求分析一个合适的电子电气架构设计将使得汽车的总重量降低多达20%，而且汽车的生产成本也将降低达30%以上，将能够更加高效的改善汽车的综合性能合、提高汽车装配的简单程度并增加汽车各个零部件的兼容性等。因此，通过分析汽车电子电气系统的需求，研发电子电气架构的整体平台，在这个基础平台之上进行新的电子电气系统研发工作，将可以有效的降低汽车开发的成本，缩短汽车电子电气架构的开发周期，提高汽车的整体性能和品质。5.1.1系统的可操作性需求分析针对系统的可操作性的需求分析主要的目的在于是用户对系统外部的系统需求，诸如商业、客户以及法律法规需求等，其重要目的是确保系统的设计及开发工作能够满足这些外部需求。作为一种高层次的需求分析，可操作性分析在实际的开发工作中通常没有得到应有的重视，这经常会带来下面的一些问题：不能够对系统的设计工作是否可以满足客户的相关需求，这主要是因为当前的客户需求和系统设计之间还存在着信息切断的问题，导致系统的设计难以在将来的具体工作中得以升级或者是得到重视，并难以确定这方面的工作。在系统安全性与可靠性方面的设计工作还较为缺失，同时也缺少对系统的商业需求分析。汽车电子电气架构的可操作性需求分析主要包括下面这样几个方面：（1）设定的操作情形分析，这部分的操作主要是分析在多种操作情况之下，对于电气系统的具体需求；（2）系统性能需求以及对应的量化，这个需求分析程序的重要目的就是对满足客户功能需要的程度进行验证和分析，以对相关的可选功能进行评估、取舍；（3）假想示例分析图示，主要是分析在特殊使用情况下相关功能的潜在需求以及当前所没有的功能；（4）多功能模式以及功能状态分析，在多个特定的模式之下，如何系统的定义电气系统的功能需求，尤其是在出现软硬件故障时，相关功能的运行状态的实现问题；（5）系统边界的确定，该电气系统和其他的系统进行信息交换的接口，诸如输入与输出等，需要注意的一点时，在这个设计程序中可以不涉及到所需要的具体信息，诸如物理层面等方面的内容；（6）交互信息的确定与定义，各个系统之间进行信息交换过程中的相关信息属性，诸如信息的内容、格式、信息的输入输出操作方式等。5.1.2电子电气架构的功能性需求分析功能性需求分析的主要目的在于对系统的内部需求进行分析，其主要目的在于通过分析来满足用户对系统的外部需求，需要系统怎样的功能才能满足其实际的工作需要。在实际的设计过程中，架构系统的功能性需求析对于架构设计而言是一项必不可少的环节。但是在不能确保完整性以及需求正确性的情况下，通常需要对之进行功能性需求模型分析。一个完全的模型应该完好的体现出用户的需求，因此在建立模型的过程中应该假设所设定的需求分析自身是完整而正确的。之后，经常会存在着一些需求缺失以及不够合理的问题，这一点在架构系统的研发初期尤其重要。通过建立的模型来提供对外部的完整性以及正确性进行确认。通常而言，对具体需求的更改以及建模属于一个互动的过程。这时，可以通过对需求模型的分析来满足需求。但是，有时候会发现模型中所表示的一些行为恰好是真正需要完成的功能部分。这时，就需要对建立的需求分析模型进行适当的修改。而最终的系统特征是由相关的负责人来决定的。所以，功能需求模型能够有效的弥补这方面的缺失，发现其中不存在的合理性行为方式等，保证其功能分析更加全面。5.2汽车电子电气架构系统需求的实现通过系统的需求分析，对系统的需求进行了明确的确定。而需求实现的阶段则是将整个系统分配并实现到整个电子电气架构体系当中。整体架构的设计主要的程序包括：（1）在确定的系统约束基础之上对可行的架构方案进行列举，诸如ECU数量的确定、ECU通信方式等。而系统约束主