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機電一體化技術在工程機械中的應用
中國軸承網 發布時間: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，雖然就工程機械產品參展規模而言，本屆展會較德國bauma展會小很多，但卻有自己的特色。產品更強調安全、實用的特點，不同于歐洲展會對于外型、環保的關注，且筆者在對現場參展產品進行仔細的參觀與分析后，除了感受到眾多主機廠家產品日新月異之外，一種技術——機電一體化，在工程機械上也逐步顯示出其地位。
1、日趨成熟的GPS技術
數量眾多的運用高精度GPS技術產品的展出，顯示了該技術在工程機械上的應用日趨廣泛，這也將成為現代化施工的一種趨勢。
1.1用于遠程維護、信息管理的GPS技術
該類技術的定位精度不高。一般為米級。主要利用GPS控制器采集遠程維護所需的信號上傳到服務器中，通過Internet可以查看機器的狀態(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、現代等紛紛在現場展出自己的該項技術，其中約翰•迪爾甚至可以現場操作。國內很多工程機械主機廠家也采用了該項技術，但是目前多數廠家的功能還不夠強大，需進一步完善。
1.2高精度GPS系統的應用
該系統利用GPS差分技術，結合激光、全站儀、超聲波及多傳感器技術，通過軟件界面的設計，可以在系統的虛擬儀表中提供施工工地的三維圖形、機器的三維坐標等信息，精度可達到厘米級。該項技術在大型的施工現場，尤其在多種機型的建筑工程機械進行集群作業時，具有明顯的優勢。不僅有利于施工管理方進行有序調度，而且能夠提高集群的工作效率。
縱觀近幾年來的3次展會，在該技術方面，做的比較領先的幾家企業分別為：Trimble、拓普康及Leica。與前2屆展會不同的是，這3家企業除了在自己展位展示產品外，還專門布置了具有相當規模的產品應用展示區。因此，所展示的產品無論從數量還是品種上。都遠多于前2屆展會。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。產品類型包括挖掘機、挖掘裝載機、推土機、平地機、壓路機和農業機械等。由此也顯示出該項技術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，該項技術還處于實驗階段。
2、機電一體化技術在挖掘機上的運用
機電一體化技術在挖掘機上的運用可以說是本屆展會的亮點，幾乎每個挖掘機的主機廠家都展示了在該技術領域內的應用水平。
2.1電控挖掘機
該類型產品是指在普通的液壓先導式操作挖掘機的基礎上，采用電液比例技術控制的挖掘機，相應的以電比例手柄取代液壓先導手柄。其基本原理是首先采集電手柄的動作信號，然后利用控制器進行運算，最后輸出相應的PWM值控制比例閥。結合布置于機器上的傳感器，電控挖掘機還可以實現某些自動或者半自動功能。
現場展出的比較典型的電控挖掘機有：
(1)Leica公司研發的挖掘機工作平臺。該平臺是Leica公司為演示其電控挖掘機控制技術專門定制的，既采用電液比例技術，同時又配備輔助挖掘操作裝置，通過安裝在平臺上的顯示屏及工作裝置上的傾角傳感器，可以實時顯示鏟斗的軌跡。
(2)山河智能的SWEL55型挖掘裝載機。該機型不同于普通的挖掘裝載機，其工作裝置位于一端，從挖掘機切換成裝載機時，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換，該機器采用了全電控技術，通過控制器可以輕松完成模式的轉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。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、大臂分別對應控制鏟斗、斗桿與動臂;通過小臂的左右偏轉來控制挖掘機的回轉。在操作過程中，當操作者(主控制方)的相應關節動作后，計算機采集到該信號，并與安裝在挖掘機(從控制方)上的角度傳感器的信號進行比較。如果存在偏差，則發出遙控信號控制挖掘機消除偏差，從而達到控制挖掘機的目的。由于其原理是點到點控制，因此在同步性上存在誤差。
2.2具有輔助挖掘系統的挖掘機
為提高作業效率，近幾年來，輔助操作系統逐步得到各主機廠的重視。在展會現場也展出了相關的產品。嚴格來說，高精度GPS技術的運用也屬于輔助操作的范疇，因上文已經敘述，在此不再展開，僅對單機的輔助挖掘系統進行介紹。現舉2個例子加以說明：Prolec公司開發的挖掘機輔助挖掘系統、約翰•迪爾60D型挖掘機均采用了Leica公司開發的整套輔助挖掘系統。這2套系統的基本工作原理類似：主要利用安裝在挖掘機工作裝置上的角度或者傾角傳感器，實時檢測挖掘機的工作狀態;利用系統中的儀表顯示工作裝置的軌跡及鏟斗末端坐標。在進行精細作業時，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行工作，直到完成預定的形狀。尤其是在挖掘復雜形狀的工作面和平整作業中，該系統可以提高工作效率和精度。如果配合激光技術，還可以利用安裝在斗桿上的紅外接收裝置，挖掘規定深度的基坑。該類技術在提高精度的同時，也節約了人工成本。
2.3運用在挖掘機上的監控系統
在挖掘機，尤其是20t以上的挖掘機上，采用高品質液晶彩色顯示屏，在國內外得到廣泛的認可。現以展會現場2款比較精美的儀表加以分析：Trimble公司為挖掘機開發的CB430型儀表，小松的中挖儀表。其中Trimble以動畫的形式實時顯示挖掘機的運動軌跡，并提供坐標，而且顯示屏的按鈕可以實現視角的切換。小松的儀表界面分為2部分：一部分顯示整機的工作參數，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/監控系統界面直觀簡潔、標識準確易懂，便于操作。在儀表方面，國內廠家均已采用，但國外儀表的高品質性，值得國內挖掘機廠家學習。
2.4 自動怠速系統在小型挖掘機上的應用
在美國市場，發動機排放要求非常嚴格，只有符合Tire 3標準的發動機才能在美國市場銷售。因此進入美國市場的中挖多數都采用了電控發動機。無論在可控性還是節能性方面都較機械式發動機有很大的改善。但由于成本問題，在10t以下的小型挖掘機上，機械式發動機還是被廣泛采用。因此，在節能方面，國外挖掘機廠家采用了不同的技術。
JCB小型挖掘機上 采用的一種電控油門執行機構，驅動器采用了一種液壓缸，在結構上采用角度傳感器實時反饋油門的位置，另外配合連接到液壓缸上的一個電磁閥實現電子油門及自動怠速功能。
紐荷蘭小型挖掘機的自動怠速系統，其油門仍采用機械拉桿(軟軸)的形式，只是設計了一個自動怠速結構。當系統監測到需要自動怠速的時候，電磁鐵吸合，機構動作，發動機回到怠速狀態。
3、機電一體化技術在旋挖鉆機上的運用
旋挖鉆機是近幾年來在國內被廣泛采用的一種重要的工程機械，其應用主要集中在大型樁基礎施工中。而在國外，旋挖鉆機使用時間比較長，且發展也較成熟。此次展會更是展出了門類齊全的旋挖鉆機，無論在廠家數量還是旋挖鉆機的類型上都多于前2屆展會，更有很多旋挖鉆機的變形產品展出，顯示了國外在該產品領域技術的成熟，同時也反映出該產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。旋挖鉆機因其施工工藝較為復雜，且在施工過程中對精度要求較高，因此很多公司都開發了自動控制功能以提高施工效率和精度。最為常見的有2種功能：鉆桅自動調垂直功能和鉆孔工程中自動回位功能。
硬件方面，有些廠家采用了建筑工程機械的通用控制器、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，司機室內除了具有顯示儀表外，還配有圖像監視屏和具有寶峨特色的報警面板。
4、遙控技術在工程機械上的應用
隨著工程機械功能的擴展，遙控技術的應用環境越來越廣。很多時候應用遙控技術是出于對操作手的保護和操作的便利性。例如在水泥混凝土泵車上已經廣泛采用該技術。此次展會除了常見的應用機型外，山貓的一款滑移裝載機上也開發了遙控功能，同時展出的還有遙控技術在一些小型多功能產品上的延用。該機型是在小型挖掘機的底盤上更換成鉆機的工作裝置，而工作裝置是可以遙控的。現場還展出了運用遙控技術的叉車產品，展出產品的品牌有：Maniton、紐荷蘭等。
5、小結
以上有關機電一體化的應用，只是筆者在本屆展會上看到的該領域的冰山一角。縱觀本屆展會，并通過與前2屆展會的比較，不難發現，更多廠家展示了其挖掘機的電控技術，尤其是成熟的具有電控功能的產品，充分顯示了國外廠商對于該技術的重視程度，也體現了機電一體化技術在美國市場上的廣泛認可，且今后也將會有更大的發展。而在該領域，國內的一些大學、工程機械生產廠家和研究院所已經充分認識到其重要性，但多數還停留在實驗室階段。因此，在機電一體化技術的成熟性、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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