机电一体化在工程机械上概念设计理论研究

机电一体化在工程机械上概念设计理论研究、应用与发展现状与展望内容摘要：探讨了机电一体化产品概念设计理论与方法对产品创新设计的重要性。分析了机电一体化产品概念设计理论的国内外研究现状与不足之处。国外学者以电子学及控制理论为研究出发点,建立了一些概念设计操作平台。国内学者以现代机构学为研究出发点,研究以运动执行功能为主功能的机电一体化产品概念设计，其设计理论与方法，阐述了工程机械机电一体化的目的和主要内容，更具有实用性，更有利于计算机辅助概念设计。最后指出了机电一体化在工程机械上的应用，及其产品概念设计理论与方法的发展方向。关键词：机电一体化工程机械概念设计应用与发展电子技术包括计算机技术、集成电路技术、数字电路技术以及通迅技术。电子技术和传感器技术与机械相结合，实现机械的自动控制、自动监测和处理，即机电一体化技术。传感器是机电一体化的“媒体”、感觉器官；以微机为核心的电子技术是机电一体化的中枢、大脑，它接受传感器送人的各种信息，进行处理后送至执行部分执行大脑的命令。机电一体化技术先在汽车上应用，然后在工程机械上推广，主要是为了节约能源、降低排气污染，满足日益严格的环保法规要求，首先从汽油机的点火系着手，用电子技术控制汽油机的空燃比。德国博世(BoSch)公司、美国的GM公司、Ford公司及日本电装公司等先后推出各种电子控制汽油喷射系统和无分电器电子控制点火系统。随后在其它系统都采用机一体化技术，其效益日益显著并日趋完善。现在机电一体化水平的高低，已成为衡量工程机械性能的重要指标之一。1工程机械机电一体化的目的和内容随着社会的发展，人们对工程机械提出了愈来愈高的要求，如高性能、低能耗、洁净排气、安全舒适、可靠耐用、操纵轻便等。希望实现节能化、自动化、智能化。为此，必须在工程机械上采用电子技术和传感器技术，即机电一体化技术。1.1工程机械机电一体化的目的I.1.1节约能源、净化排气、提高效率充分有效地发挥柴油机(工程机械大都采用柴油机)的输出功率，使柴油尽量完全燃烧、净化排气。为使柴油机的输出功率减少能量损失，采用电子技术，根据负荷条件自动调节柴油机的油门；冷却建筑初树风扇的转速可随温度的变化自动控制，以实现节能；电子节能液压泵系统减小能耗;电子控制自动变速，提高工程机械的动力性、经济性和效率。1.1.2提高操纵性能机电一体化技术用于工程机械，使过去纯机械式操纵系统难以实现的精细操纵自动化，而且使既复杂又需高度熟练操纵的或人工操纵的作业简单化；实现无人驾驶和远距离操纵，即使在人们难以进人的海底和危险场所也能进行作业。如水下推土机、海底机器人、挖掘机和掘进机的自动挖掘、无人驾驶卡车等。I.1.3提高安全性为使工程机械安全运行，用传感器检测机械各部位的状态，通过微机判断，声音报警。当出现危及人身和设备重大事故时，立即报警并自动熄火停车。例如，为了防止起重机的倾翻，通过微机对传感器输人的信息进行运算处理，一旦有危险立即发出警报，显示其状态使超负荷防止装置起作用。在坡地作业的机械上装设带倾斜仪的防倾翻装置。电子控制防抱制动系统(AntilockBrakeSystem，简称ABS)，可防止制动时车轮打滑和车轮抱死，以提高行驶的安全性。电子控制安全气囊防护系统(AirbagRestraintSystem，简称ARS)，防止冲撞损伤驾驶员。I.I.-1提高可靠性为使机械经常处于无故障状态，提高运转率，可设置各种类型的传感器，通过电子监装置，以判断柴油机、变速器、驱动桥、转向系统、制动系统、行驶系统和液压系统等工作情况，进行故障预测，判断潜在故障部位，提前进行维修保养。专题综述—I.l.}实现运行的合理化管理机电一体化技术的应用，可自动记录工作状况、运行时间、燃料与润滑油消耗量、柴油机转速、转矩、车速、牵引力、底盘各总成的使用情况等。通过这些自动记录信息，可以来分析施工方法、作业方法及运行管理方法，决定机械的修理、保养、更新的合理周期，并可以计算机械的使用费用，进行成本核算。1.1.6提高乘坐舒适性，减轻驾驶员的劳动机械上配置的空调、电视、收音机、音响、电信、照明等也是机电一体化的开发内容1.2工程机械机电一体化的内容机电一体化技术在工程机械上的应用，主要有以下几个方面的内容：（1）整机电子控制:电液操纵、仿型控制、远距离控制、无线电摇控等；（2）柴油机电子控制:燃料喷射、发动机工况和电泵的检测与控制、冷却系统和润滑系统的检测与保护等；（3）底盘各总成的电子控制:变速器、ABS系统、动力转向、悬架等；（4）工作装置部分的电子控制:工作装置、力矩限制器、测平系统等；（5）其它辅助部分的电子控制:空调、电信、照明、各种报警装置等。2工程机械机电一体化的实例2.1柴油机部分柴油机机电一体化技术的研究与应用比汽油滞后10多年。然而，随着电子技术特别是微机技术的迅速发展，促进柴油机机电一体化技术的研究与应用。目前，世界制造柴油机和工程机械的各大公司在改善柴油机燃烧过程降低油耗和减少其排放方面，推出燃油喷射电子控制系统。实践表明，燃油喷射系统的关键参数是喷油量和喷油时刻。该系统采用机电一化技术，可以提高喷油压力、降低油耗、优化喷油定时、降低噪声、减少Nox、HC并可控制喷油速率。柴油机电子控制喷油系统由传感器部分、电子控制部分(ECUElectronicControlUnit的简称)和执行器部分组成，如图1所示。传感器部分各类传感器感知、采集的各种被测量(如物理量、化学量、位移量等)按一定规律转换成3h可用输出信号(一般为电量)输人给ECU。如油门踏板位置传感器、曲轴转传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、进入压力传感器等。图1柴油机电子控制喷油系统组成示意图电子控制部分(ECU)由输入回路、输出回路、A/D转换器、微型计算机(微机)及电源电路、备用电路等组成。微处理器是ECU的核心部件。在一块大规模集成电路芯片上集成了中央处理器CPU、存储器(RAM/ROM/EPROM/EEPROM)、1/O接口电路、定时器/计时器、串行/并行通讯接口、A/D和D/A等各个功能器件，从而构成了一个完整的单片微型处理器，简称单片机。单片机具有体积小、功能强、可靠和价格低等特点。其内部的存储器容量和1/0接口功能在不断增加。目前在ECU中所使用的微处理器多数是8位和16位的，甚至32位的。随着电子技术和传感器技术的迅速发展，ECU将由单机控制向集中控制方向迅速发展。执行器部分，柴油机电子控制喷油系统的执行器执行ECU经过运算处理的信息。目前，柴油机电子控制喷油系统执行器按工作原理可分为电磁式、液压式;按操纵力的产生分单向操纵力(螺线管)和双向操纵力(动圈式线性螺线管和步进电机)式执行器；按操纵力的方向分为直线力矩和旋转力矩式执行器；按运动状态分为开关式和连续动作式执行器。国外许多大公司竞相推出多种柴油机电子控制喷油系统。柴油机电子控制喷油系统，按控制部件分为电子控制喷油泵和电子控制喷油器两种；按控制方式分为位置控制系统和时间控制系统两大类。电子位置控制系统的特点是不仅保留了传统的泵一管一嘴系统，而且还保留了原泵中齿条、柱塞套、柱塞上的斜槽等控制油量的结构，另外增加了少量的构件如滑套等。位置控制系统可分为直列泵位置控制系统和分配泵位置控制系统。直列泵式又可分为改变凸轮相位式(为日本Zexel公司的COPECT系统)和控制滑套式(为日本Zexel公司的TICS系统)，分配式也可分为控制柱塞径向行程式(如英国Luca、公司的EPIC系统)和控制滑套位置式。图2即为德国博世(BoSch)公司的电控喷单体泵)，油系统图。日本电装公司(Nippondenso)的ECD-V1电控喷油系统也属于这类系统。该系统采用线性电磁铁，通过杠杆来控制滑套位置，从而实1.调节杆传感器2.电磁油最调节执行机构3.电磁断4.分配转子5.喷油定时电磁调节阀6.调节杆图2德国博世(R()sch)公司电控喷油系统现油量该系统采用线性电磁铁，通过杠杆来控制滑套位置，从而实现油量控制。系统中设置有传感器来反馈滑套位置。电子时间控制系统是用高速电磁阀直接控制高压燃油的导通。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的螺旋槽、套筒上的油孔及提前器等机构已全部取消。一般采用电磁阀关闭时开始喷油，电磁阀打开时喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。时间控制系统可分为分配泵式(如日本Zexel公司的Model-1系统、日本电装公司的ECQ-V3系统、美国Stanadyne公司的DS系统是在分配泵转子尾部的进油通道上设置电磁阀)；单体泵式(德国博世公司的ECP13单体泵)，如图3所示；共轨式（又分为高压式、蓄压式和液压式））和电子泵嘴式四种类型。图3EUP13电控单体泵电子泵嘴系统主要由燃料供给系统、机械驱动系统及电子控制系统三个基本部分组成。电子泵嘴的结构如图4所示，它是在原机械式泵喷嘴的基础上，取消了柱塞上的螺旋槽筒上的油孔。它由喷油器壳体、柱塞、高速电磁阀(提升阀、电磁铁、电磁线圈)等组成。采用电磁线圈控制提升阀从而实现喷油定时和计量功能。提升阀关闭，燃油压力升高并开始喷油；提升阀开启，喷油停止。提升阀的关闭延续时间确定喷油量。图4电子泵喷嘴的结构示意图图5为电子泵喷嘴的工原理示意图。电子泵喷嘴控制系统的功能就是对电子泵喷嘴系统进行高精度和实时控图5电子泵喷嘴的工原理示意图制，如1所示，ECU从操纵者及各种传感器输人的信息，通过精确运算处理将执行信息输出至高电磁阀，以控制燃油喷射量和喷油定时。2.2电子控制静液压传动履带式装载机日本小松公司推出D66S型履带式装载机全部采用静液压传动系统，并且采用电子控制系统对机械的启动、转向、制动、行驶、停止等各项动作进行控制。D66S型履带式装载机静液压传动系统的组成如图6所示。柴油机的动力通过传动轴输人至转矩分流装置(即分动箱)，通过分流装置传至变量油泵十变量马达的左右静压传动机构，后者的输出功率通过最终减速器传递给驱动链轮，最后驱动履带。在该系统中装置电子比例控制阀作为控制变量+变量马达容量的执行机构，构成电子一一液压控制系统。1.蓄电池2.电子控制器3.驾驶室4.静液压系统油箱5.伺服油泵6.供油油泵7.摆线油泵8.9.工作装置串联泵10.供油安全阀11.制动阀12.分动箱13.传动轴14.变量油泵+变量马达(右侧)15.变量油泵+变量马达(左侧)16.制动器17.链轮18.履带19.终传动20.柴油机21.减振连接装置22.油门调速器23.转速传感器图6传动系统图电子—液压控制系统如图7所示，它由传感器部分、电子控制部分(ECU)和执行器部分组成。各传感器用于采集(感知)各部位的信息，电子控制部分(ECU)对传感器输入的信息进行运算处理，输出给执行器部分。该系统的执行器部分由各种电磁阀组成，ECU向电磁阀发出各指令，电磁阀根据指令控制变量油泵和变量马达的容量，从而自动实现装载机的转向、制动、行驶、作业，使装载机根据不同的工况自动进入最佳运行和作业状态，减轻了驾驶员的劳动强度。1.电子控制器(内装微处理机)2.蓄电池3.前进后退速度控制手柄传感器4.油门调整器控制传感器5.制动传感器6.转向传感器7.供油压力开关8.柴油机转速传感器9.去制动器控制阀10.去马达电磁阀11.去前进用油泵电磁阀12.去后退用油泵电磁阀13.去平衡阀图7电子控制系统3工程机械机电一体化的发展趋势目前，日本和欧美各国十分重视工程机械机电一体化技术的研究和应用，并开发了适用于各类工程机械使用的机电一体化系统。今后，机电一体化技术的发展趋势如下:3.1工程机械电子技术工程机械电子技术主要包括硬件和软件两部分内容。硬件包括微机及其接口，目前在工程机械上大多采用的是8位、16位的单片机，并向32位发展。接口电路、放大电路、功率元件等大多采用具有高抗干扰性能的IC芯片、可控硅和大功率三极管等。软件主要是以汇编语言(自汇编、交叉汇编、宏汇编)及其它高级语言(如BASIC语言、FOR-TRAM语言和C语言等)编制的各种数据采集、计算判断、报警、程序控制、优化控制、监控和自诊断