论工程机械机电一体化及机器人化

2015-12-10康世斌

中国科技纵横 2015年14期

关键词：工程机械机电机械

髙　翊　康世斌

（长春汽车工业高等专科学校，吉林长春 130011）

论工程机械机电一体化及机器人化

髙翊康世斌

（长春汽车工业高等专科学校，吉林长春 130011）

工程机械是工程建设施工的基本保证，是亚投行顺利开展工作的前提之一。工程机械的发展需要技术革新和思想进步，未来工程机械将不再是人的操作，而是真正的机器操作，即要实现机电一体化及机器人化。本文分析了工程机械机电一体化及机器人化的发展现状，对发展中存在的问题及困难进行了剖析，进而对未来机电一体化及机器人化的发展方向做了展望。

工程机械机电一体化及机器人化现状发展

经济的快速发展对工程机械提出了更高的要求，新的挑战期待科技的飞跃，机电一体化及机器人化开始成为人们津津乐道的主题。要实现工程机械的高效节能，提高作业精度及高危作业时工人的安全系数，就需要工程机械自动化，智能化，实现无人驾驶及远距离控制，这就要求工程机械具有人的大脑，有神经感觉，有血液骨骼，成为名副其实的机器人。这不是科幻，也不是梦想，只要借助计算机、传感器、电线和光导纤维，液压来实现机电一体化系统，具有良好控制性能和处理信息能力的电子技术，就可以梦想成真。可以说，工程机械机电一体化及机器人化，是未来工程机械的发展目标，是触手可及的伟大理想。

1　机电一体化及机器人化发展现状

电子控制技术的快速发展，已经影响到人们生活的方方面面，如今，也逐渐向通用性的工程机械渗透发展，如我们熟悉的挖掘机、摊土机等，就已经实现了电子化并投入使用了。

这是一种被称作为机械手的自动控制技术的运用，具体体现在全功率控制，节能控制，分工况控制，自动掘削及愈速控制，自动暖机及防过热控制，挖掘限深控制，平稳操纵及自动变速控制，分流及电子诊断控制等，满足了提高生产率和加工精度，降低燃料消耗，降低噪音，保护发动机及液压系统，保障操作人员人身安全等需求，表现出工程机械中电子控制技术的运用逐步深入，从而使工程机械的性能得到较大提升，面貌得到较大改变，技术也更进了一步。

这类机械机电一体化的发展是循序渐进的，也就是先实现对机械个别部件的单独控制，再逐步发展为对所有部件的综合控制，使电子控制技术的运用逐步深入，应用范围逐步扩大。其次是实现了由简单操纵控制向复杂智能控制的跨越。简单控制由于作业对象与环境的不同而不尽人意，智能控制才可以达到适应各种工况、操纵及环境的目的。这样，新兴的电子控制逐步取代了传统的机械和液压控制，如机械的心脏—发动机，如今已经采用了电子调速器，高速电磁阀油泵控制等控制软件，过去经常采用的离心式调速器，电液比例阀油泵控制已经落伍并终将被淘汰，智能泵和智能发动机必将成为主角而备受青睐。

总之，工程机械的机电一体化的发展是，从节能、提高生产率开始，进而简化、减轻操作人员的操纵，由单一走向全面，由人工操作走向半自动化和全自动化。但是，与真正实现机械机器人化的道路还很曲折与漫长，前途是光明的，相信只要解决了图像处理和物体认识等一系列技术难题，工程机械机电一体化及机器人化就会真的实现。

2　机电一体化及机器人化发展面对问题

机电一体化及机器人化在西方发达国家发展较早，进展速度也较快，但目前也只是实现了机电一体化，而机器人化研究及发展也遇到了瓶颈，可见其技术难度及复杂性远远高于工厂中的机器人、机械手技术。实现工程机械机电一体化及机器人化需要更高深的技术，更广泛的知识领域。

首先，工程机械与工厂设备不是可以相提并论的。工厂设备一旦在车间装置就固定下来，只是机械地进行重复性操作，动作规范且标准，实现自动化生产较为简单。而机械工程不是固定的，要随着作业对象与环境的变化而改变，没有规律可言。建筑施工人员也需要根据经验对作业对象与环境进行观察、判断，电子技术设置的程序怎么能做到呢？就由于施工的不确定性，要求工程机械不能按照设定的程序进行操作，而是要高智能化。即具有类似操作人员的认识、感觉和判断能力，实现智能机器人操纵的机械才可以称为智能机械。但是智能机器人目前还只是在研发阶段，投入生产与使用仍任重道远。

其次，智能机械需要更广泛更高深的知识及技术支持。智能机械的建造涉及物理上的机电光声专业和化学等技术领域，机械基础技术与高端特殊技术要衔接并融合进行机械内部的信息处理。这就是另许多科学家犯难的问题。如为了控制工程机械内燃机的工作过程和排放，需要使用化学传感器。为了控制工程机械的工作状态安全稳定，需要使用超声波和激光技术。为了控制工程机械的运行方向正确，需要使用卫星导航及高精定位设备等。可见，进行工程机械智能机器人建造，需要涉及到方方面面的基础与高科技知识与技术，这就对研发人员提出了更高的要求，要求电子技术熟悉，还需对物理，化学技术掌握。所以知识领域之广，基础技术与高端技术跨越之大，是工程机械智能机器人化的解决难题之一。

还有，工程机械一般在室外工作，工作环境恶劣，条件艰巨，高温低温的温差大，风雪雨霾的变化大，还需要抗震抗冲击的能力，这就对控制系统的各个部件提出了更高的要求，所以工程机械智能机器人化要求之高，不亚于军工产品，航天器的标准。有实验表明，工厂车间内或实验室内使用效果良好的传感器、电子计算机、电器、电液阀、插件等器件，一旦运用到工程机械上时，效果往往大打折扣，有时甚至直接怠工。所以，工程机械智能机器人的控制元件一定要最优最好的产品，这对当下的相关产品也提出了更高要求。巧妇难为无米之炊，没有与之相适应的配件，智能机械的实现也只是痴人说梦。

最后谈到智能机械的操作问题。由于动作的随机性与不规律性，很难设定固定的程序进行自动操作，现在常见的PIC自动化控制系统很难满足其要求，运用到智能机械上的控制系统理论上应具有控制技术，状态反馈，前反馈及非线性补偿技术等。机械智能机器人要达到熟练操作人员的技能与机巧，需要采用模糊理论，将人员的操纵规律输入计算机中，然后通过模糊控制，使智能机器人能根据作业情况的变化对人员操作经验学习借鉴，识别处理。这样高智能机器人也只是理论上可以建造，真正与工程机械合二为一，完全投入实用，可谓“路漫漫其修远兮”。