机电一体化在工程机械中的应用研究

全剑

【摘 要】文章介绍了机电一体化技术的概念及特点，解读了该技术的未来发展趋势（智能化、区域化和系统化）和在工程机械（如节能、监控和检测等领域）中的应用情况，重点讨论了工程机电系统核心组件的选型与设计，包括单片机、三相PWM波发生器、智能逆变模块、位置检测电路、通信接口、时钟电路、液晶显示和程序故障自恢复电路，对提高企业智能化、精细化施工具有积极作用。

【关键词】一体化;机械;工程

【中图分类号】TH39 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0063-03

当前，我国工程机电一体化技术正迅速发展，机电一体化技术的广泛应用使多个学科进行交叉和渗透，并不断推动机械工程、电子技术、自动控制等专业领域的突破，机电一体化技术在很大程度上实现了工程机械的自动化、模块化、数字化的高效施工，使企业进一步提高了工程的施工质量、降低了施工成本、缩短了施工周期，为行业在市场中的竞争集聚了一定优势。与此同时，以微处理器为核心的新一代机电一体化技术实现了与其他专业的进一步融合，有效整合并优化了系统在设备分析方面的数据流程，为机电一体化技术向智能化发展明确了方向[1]。

1 机电一体化概念及特点

1.1 概念

机电一体化（Mechatronics）技术也称为机械电子工程技术，属于机械工程和电子专业领域的交叉融合，其英文由机械学（Mechanics）与电子学（Electronics）组成。机电一体化专业术语最早是在日本的《机械设计》杂志提出，该技术是将机械工程技术、电子技术、信息技术和传感技术等多领域技术进行有机结合形成的一门新型科学技术，搭载机电一体化技术的各类先进设备，能够实现各个领域的具体功能需求，例如工业制造、工程施工、医疗、高铁等领域，极大地提高了社会生产力。当前，几乎全部的现代化自动生产、加工、制造设备及各类应用都属于机电一体化技术应用范畴。随着机械工程、微电子和计算机等专业技术的不断发展，机电一体化技术的发展更加趋于智能化、人性化。

1.2 特点

机电一体化技术是当今各领域先进技术发展的产物，使生产人员从繁重的体力劳动中解脱出来，并提高了生产质量和效率，节约了人力成本。机电一体化技术最显著的特點主要体现在高精度检测、智能装备制造和机械化施工等方面。

1.2.1 高精度检测

在各类工程施工中常需要进行大量繁杂的质量检测工作，这些工作无法仅通过工程技术人员独立完成，需依赖先进的高精度检测设备，随着工程施工质量检测标准的不断提高，检测技术也在不断革新和进步，以机电一体化技术为核心架构的各类检测设备在工程施工中的应用逐渐兴起，实现了施工质量检测的高标准要求。

1.2.2 智能装备制造

智能装备在国民经济的发展中具有至关重要的基础作用，例如智能交通、智能医疗、智能家居等领域。智能装备在制造过程中依靠的是集成化、模块化的生产线，通过预先设定好的计算机程序，结合PLC、工控机等工业设备，实现智能装备制造领域的高质量、大批量生产。机电一体化技术完美解决了智能装备制造在数据传输、自动控制和信息集成等方面的技术瓶颈，是智能装备制造行业发展的一次飞跃。

1.2.3 机械化施工

交通工程领域的迅速发展对各桥梁、公路等工程的施工工期提出了更高的要求，在保证施工质量的前提下逐步缩短工期，进行机械化施工已成为必然趋势，而机械化施工中主要用到的就是机电一体化技术。机电一体化技术的应用使施工机械设备的运转更为有效，例如在桥梁工程施工中，机电一体化技术高度整合施工现场的各类设备，进行标准化、集约化施工，达到施工材料、施工设备、施工人员的高度协调一致，提高了桥梁工程施工效率并节约了工程成本[2]。

2 机电一体化发展趋势

2.1 智能化发展

机电一体化技术的先进程度主要体现在其智能化发展方向上，即不再局限于某种机电一体化设备的单独应用，而是体现了多领域、多数量的机电设备集群优势，智能化的发展趋势使得机电一体化技术可尝试自主修复或创新等功能，类似于当前较为流行的机器学习技术，但机电一体化技术在某种程度上已超出了机器学习的范畴，可归属为一种自适应、自控制的全新领域。

2.2 区域化发展

城镇化进程的加速使得机电一体化技术也向着集中化、区域化的模式发展，区域化的发展模式将机电一体化技术在机械制造、机械施工等行业内的优势进一步转化为发展的潜力，并以此带动机械施工领域中精细化控制和传动技术的变革，使得区域内机电一体化技术在各类应用中实现优势互补、产业联动，逐渐形成机电一体化技术的区域发展规模化集群。

2.3 系统化发展

机电一体化技术并不是机电技术简单的更新与迭代，而是多专业、多学科彼此交叉、融合的产物，从宏观的角度上来讲属于一个立体的、多元化的系统，这个系统有机结合了机电工程、电子工程、信息工程等相关技术，能够实现的功能也十分丰富，例如遥感、电控和自动检测等。机电一体化技术具有丰富的接口设计，各类差异化的功能需求可通过简单的接口变更和调试，便可实现种类丰富的应用功能。机电一体化技术系统化的发展模式，改变了过去单独功能模块单独发挥特定功能的思维定位，形成完善的、灵活的、系统化的模型架构[3]。

3 机电一体化在工程施工机械中的应用

3.1 节能机械应用

公路工程施工中所用到的机械设备通常采用两种方式获得动力：一种是燃油（汽油或柴油）型，另一种是燃料电池（可充电电池）型。近5年出厂的公路施工机械设备（如挖掘机、压路机、摊铺机等）一般均以燃料电池为动力方式，即所谓的电动型施工机械。此种类型的公路施工机械在节能方面具有强大的特点，这得益于机电一体化技术在燃料电池组控制方面的成功应用。例如，在电动型挖掘机的使用中，需要综合考虑动力和节能等问题，机电一体化技术的电控模块具有根据土方深度和强度调节输出功率（动力）的自反馈功能，类似于空调或汽车领域中的变频控制功能，但不同点在于机电一体化技术中的自反馈功能是完全基于目标定位而实现的直接功能，省去了“变频”这一环节，其意义在于反馈的初始环节中，无须驱动信号的启动源，即省去了这部分能量消耗，主要侧重于电控全过程中的能量动态、均匀分布，节能效果非常明显。因此，各种类型的挖掘机体积都不大，却能够保证公路施工时所需的强大挖掘功率，同时兼顾节能问题，这其中机电一体化技术发挥了强大的作用。

3.2 监控设备应用

为保证公路工程的施工质量和施工安全，在施工现场的重要位置布设有多台监控设备，定点施工位置的监控设备主要是以摄像头为主，而在流动式的施工监测中，所用到的施工监控设备还包括全站仪和示波器等，在流动的卡车、搅拌车、叉车及其他运输车辆中，特别是司机视线的盲区也应安装摄像头，这些监控设备种类繁多、型号多样，但核心功能都是以实现动态可视化的监测为目的。机电一体化技术在监控设备领域的成功应用，使得监控设备不再局限于单一的监测用途，而是在监测基础上融合了功能强大的报警和决策功能。例如，搅拌车或卡车的盲区位置安装的监控设备，不仅具有画面监视功能，对于摄像头无法覆盖的区域还配置有红外传感器，专门用于人体的识别和检测，机电一体化技术将监控设备、红外线传感设备、报警设备进行深度集成，是监控设备在公路工程施工中的一次颠覆性应用[4]。

3.3 检测机械应用

自动检测机械是机电一体化技术在工程施工中的应用代表，主要用于子系统检测、系统运行可靠性检测等领域。当施工机械设备开机后，自动检测系统开始进行自检，自检过程由既定的程序指引，以综合判断子系统的运行工况，如果其中某个系统出现故障，搭载机电一体化技术的自动跟踪和报警模块会被触发，现场施工技术人员会第一时间发现并处理问题，避免了施工故障进一步扩大，保证了后续施工的顺利进行。

4 工程机电系统核心组件的选型与设计

4.1 单片机

單片机主要是由并行8255端口控制系统的信号处理，信号处理一般包括接收系统的对转矩、阀门的开启和关闭等，此外阀门的开度也需要设定信号进行处理，最终提供三相PWM波发生器在工程施工中所需的各类控制信号。单片机还可实现对IPM发出的警报及故障信号的处理任务，模拟接口输入的电压、电流和电位等检测信号，提供工程施工中各设备运转的状态信号，还有执行施工命令的控制信号和施工进度及质量的反馈信号等，可选用INTEL公司所生产的8031型单片机。

4.2 三相PWM波发生器

三相PWM波可通过模拟及数字两种方式获取，其中模拟方法较为复杂，并且通常伴有温漂情况发生，获取的三相PWM波精度较低，对控制系统的性能具有一定影响。数字方法获取PWM波是以不同计算模型为基础得出各切换点而后存入内存，由查询表和相关公式产生PWM波，但这种方法占有较大的内存，在保证控制系统的精度方面效果不理想。因此，为使工程施工中各机械设备的智能功率模块能够获得高质量的PWM波控制信号，使微处理器有充足时间完成各系统运行状态的检测、保护等功能，拟选用MITEL公司生产的SA8282型三相PWM波发生器。该类型PWM波发生器属于工程施工中专用的大规模集成化电路系统，拥有独立的微处理器接口且芯片组内部含有波形、频率和幅值等相关控制信息，便于工程技术人员查找和使用。

4.3 智能逆变模块

智能逆变模块IPM的设计目的是为了减少工程机械设备空间占用率并提高机械设备的性能，机械设备的电机电源应采用智能逆变模块IPM，其实际的执行机构适用于功率为5.5 kW以下的三相异步电机，额定电压为380 V，额定功率因素为0.75，为使机械设备在工程施工中发挥出良好的动力性能，可选用日本生产的PM50RSA120型逆变功率模块，该型号的逆变功率模块集成了功率开关、驱动电路和制动电路，内部设置了相应的电路保护系统，如过压、过流、短路、失压及过热等保护，当保护动作时会发出相应的报警以提示工程技术人员进行检查，属于高稳定性的功率开关元件。

4.4 位置检测电路

位置检测电路是工程机械设备中执行机构的主要组成部分，其功能是提供执行命令所需的准确位置信号，位置检测电路的选取关键在于位置传感器，传统方式的电动执行机构通常使用绕线式电位器、差动式变压器和导电塑料式电位器等，绕线式电位器使用寿命短且容易发生故障，而差动式变压器的线性区间较窄，其温度曲线突变的情况经常发生。绕线式电位器和差动式变压器的性能不够理想，在工程应用中受到很多限制。导电塑料式电位器当前的工程应用较多，但也存在很多弊端，例如触点问题、寿命问题和精度问题等。鉴于机电一体化技术在工程机械中应用的稳定性和安全性考虑，可使用脉冲数字式传感器，该类型的传感器无触点、精度高、稳定性好，并且没有线性区间和温度区间等限制。

4.5 电压、电流检测

对电压、电流等参数进行检测的目的是为了评估电机的力矩情况，当工程机械的变频器出现短路、断路及其他模块故障时可以进行分析和排查。变频器输出的信号频率范围通常为0～50 Hz，使用常规类型的CT（电流互感器）或PT（电压互感器）无法达到要求，为获得电流、电压的真实数值，可使用霍尔型CT检测IPM输出的实际三相电流大小，使用分压电路对IPM的输出电压进行检测。

4.6 通信接口

为实现工程机械中的工控机联网及远程终端的控制功能，机械设备的控制单元应具有相应的通信接口，接口分为串行接口和并行接口两种，由于系统兼容性等问题，并行接口在当前的各类计算机系统中的使用已不多见。可选用MAX232作为控制系统的通信接口（串行），MAX232内部含有多个同类型的电平转换电路，能够将8031串行口发出的TTL电平转换成RS232标准电平，也可将其他工控机传输过来的RS232电平转换为TTL电平，再传回至8031，以此实现单片机和其他工控机之间的通信。

4.7 时钟电路及液晶显示

时钟电路可为工程机械的控制系统提供采样和控制周期，同时包含施工速度的计算和日历、时间等常用功能，为获得更长时间的数据保持、备份能力，可选用DS12887型时钟电路，其内部的RAM具有114字节的非易失性保护模组。为方便施工现场指挥人员进行统筹调度，应在控制系统配置液晶显示单元以实现良好的人机交互模式。可使用MGLS12832型液晶模块组成显示电路，以组态的方式呈现给使用者，使用者通过浏览菜单可对工程机械设备的电机、限位、力矩及通信参数进行调试或修改，使用图文结合的显示方式更为直观和清晰。

4.8 程序故障自恢复电路

程序故障自恢复电路能够使工程机械设备在运转异常或发生程序故障时自动还原系统，使系统重新恢复正常使用，MAX705型程序故障自恢复电路运行工况比较稳定，由与非门和微分、差分电路构成。当系统程序出现故障时，WDO由高位变成低位，差分电路的使能作用将与非门引脚变为高电平，引脚电位的变化使与非门发出相应的正脉冲，此时单片机收到正脉冲后进行一次复位，复位完成后由程序通过通信端口向MAX705的WDI引脚发送正脉冲，WDO的引脚变为高电平，程序故障自恢复电路对程序的运行情况进行不间断监测，当再次发现程序运行故障时，将重复上述步骤，直至程序恢复正常为止，保证工程机械的正常运转。

5 结束语

机电一体化技术在工程机械中的应用正向着智能化的方向不断迈进，既提高了工程质量和效率，又简化了施工过程，同时各类施工中的建模设计、集成分析等有价值的工程数据又为机电一体化技术的自我完善和修正提供了支持。机电一体化技术的关键在于系统组件的选型与设计，应由不同工程中机械设备使用的不同需求完成系统组件的选型工作，使机械设备在工程施工中发挥出最大的作用，最终实现智能化、精细化的施工愿景。

参 考 文 献

[1]黄俊.论机电一体化技术在交通工程设施中的应用[J].黑龙江交通科技，2020（9）：201-203.

[2]张文洁.机电一体化技术在机械工程上的应用及发展趋势[J].中国设备工程，2020（10）：225-226.

[3]李随峰.机电一体化技术在机械工程中的应用论述[J].信息系统工程，2020（1）：71-72.

[4]刘克宇.工程机械机电一体化技术的发展与应用研究[J].造纸装备及材料，2021（9）：90-91.