王 剛

（秦皇島環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066000）

機(jī)電一體化技術(shù)和常規(guī)機(jī)械有著很大區(qū)別，把智能化技術(shù)引入機(jī)械工程，形成了更新的、更高效的一體化技術(shù)控制系統(tǒng)，有著多學(xué)科融合、技術(shù)涵蓋廣泛的特征，旨在實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的智能化管控，執(zhí)行操作者所下達(dá)的系統(tǒng)命令，依靠這種集成化管理促使工程機(jī)械向更智能、更自動(dòng)的方向發(fā)展。

1 機(jī)電一體化技術(shù)概述

機(jī)電一體化技術(shù)涵蓋了機(jī)械技術(shù)、電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等不同領(lǐng)域技術(shù)，以其高智能性和一體性，實(shí)現(xiàn)了工程機(jī)械與電氣系統(tǒng)與的緊密結(jié)合，大幅提高了工程機(jī)械的自動(dòng)化程度和工作效率。

現(xiàn)階段的機(jī)械工程制造領(lǐng)域可以通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析整合，綜合地運(yùn)用計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程、電氣工程、電學(xué)光學(xué)等技術(shù)，對(duì)工程進(jìn)行高效配置，以實(shí)現(xiàn)高效低耗的施工目標(biāo)。

機(jī)電一體化技術(shù)能夠整合機(jī)械與電氣工程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的智能化研究，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、生產(chǎn)業(yè)等。機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，在智能控制和自動(dòng)化領(lǐng)域有了新的突破，同時(shí)依靠傳感器設(shè)備和計(jì)算機(jī)程序的協(xié)同配合，使工程機(jī)械進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段[1]。一些以微機(jī)或微處理器為主的控制系統(tǒng)已經(jīng)得到了初步應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了精確的運(yùn)動(dòng)控制和自動(dòng)化操作，通過(guò)大量數(shù)據(jù)傳輸和工程信息交互，實(shí)現(xiàn)了更高水平的集成與一體化，成為國(guó)內(nèi)外高水平機(jī)械工程不可或缺的一部分，也為未來(lái)的工程機(jī)械發(fā)展指明了方向。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的作用

2.1 提高工程機(jī)械生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)的工程機(jī)械對(duì)于能量的利用率較低，例如液壓挖掘機(jī)的燃料利用率低至30%，而機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)工程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，減少了人工監(jiān)測(cè)與干預(yù)的資源支出。在能源資源高度緊張的當(dāng)代，任何施工都在追求環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展：日本的日立公司通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)了更精確的控制，提高了生產(chǎn)操作精度，同時(shí)在挖掘機(jī)上采用了“卡特電子效率”節(jié)能控制體系，實(shí)現(xiàn)了能量的高轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)力的提升。小松公司則基于新的傳感器技術(shù)，對(duì)機(jī)械運(yùn)行中的各種生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行記錄和分析，開(kāi)發(fā)出了新的控制節(jié)能器，使系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正潛在的浪費(fèi)問(wèn)題，甚至可以節(jié)省30%左右的燃料。我國(guó)機(jī)械制造企業(yè)正主攻機(jī)電一體化系統(tǒng)的算法優(yōu)化，使控制系統(tǒng)更加智能化，并采用柔性制造系統(tǒng)，讓生產(chǎn)線(xiàn)更為靈活多樣、易于調(diào)整來(lái)適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，從而提高整體的資源利用效率。

2.2 實(shí)現(xiàn)工作的自動(dòng)化和半自動(dòng)化

工程機(jī)械應(yīng)用的重點(diǎn)是自動(dòng)化以及半自動(dòng)化技術(shù)，而機(jī)電一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化和半自動(dòng)化，機(jī)械設(shè)備和電氣控制系統(tǒng)可以完全或者部分替代工作人員進(jìn)行生產(chǎn)，避免因工人技術(shù)水平和工作失誤導(dǎo)致的低產(chǎn)。機(jī)電一體化技術(shù)包括自動(dòng)生產(chǎn)、自動(dòng)裝配、自動(dòng)運(yùn)輸?shù)?，都是由工程機(jī)械系統(tǒng)直接預(yù)設(shè)進(jìn)程，不需要人工參與，且自動(dòng)化生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有更高的精度和一致的產(chǎn)品質(zhì)量，甚至是連續(xù)生產(chǎn)，能夠最大程度地減少人為因素的干擾，尤其適用于大規(guī)模、重復(fù)性高的生產(chǎn)任務(wù)。半自動(dòng)機(jī)電一體化指的是人機(jī)協(xié)同工作，由人工來(lái)完成較復(fù)雜或者需要進(jìn)行細(xì)節(jié)判斷的工作，其他部分則仍舊由自動(dòng)化系統(tǒng)完成。例如機(jī)械設(shè)備可以重復(fù)大量生產(chǎn)零件，而人工則負(fù)責(zé)精細(xì)裝配和質(zhì)檢工作，這樣既具有高效快速的生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)，又保留了人工的靈活性，更適用于小規(guī)模、多樣化的生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)適當(dāng)應(yīng)用人工還可以降低開(kāi)發(fā)新自動(dòng)化程序所需要的大量投資和生產(chǎn)成本。工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)作業(yè)自動(dòng)化以及半自動(dòng)化可以有效地降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高生產(chǎn)效率[2]。例如日本三菱公司設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)，就通過(guò)機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化挖掘操作，其控制系統(tǒng)能夠預(yù)設(shè)并控制挖掘機(jī)工作軌跡，并根據(jù)安裝在機(jī)械設(shè)備上的各類(lèi)傳感器所傳回的信號(hào)控制挖機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同斷面、斜坡的靈活施工。

2.3 控制工程作業(yè)精確度

工程機(jī)械設(shè)備的機(jī)電一體化系統(tǒng)可以將施工過(guò)程精細(xì)化，通過(guò)多種方式來(lái)保證施工精確度，相比于傳統(tǒng)的作業(yè)系統(tǒng)，能夠排除多種因素的干擾，提高工程機(jī)械設(shè)備工作的穩(wěn)定性。其中電氣系統(tǒng)可以對(duì)工程機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，讓設(shè)備按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，有效避免誤差，提高作業(yè)精度。例如自動(dòng)找平裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用，能夠?qū)⒎Q(chēng)量的過(guò)程自動(dòng)化，對(duì)施工設(shè)備進(jìn)行智能控制，并應(yīng)用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)供料，有效地提升了工程的質(zhì)量。此外，機(jī)電一體化技術(shù)中自動(dòng)化導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用也保證了設(shè)備工作路徑的準(zhǔn)確性，尤其是一些大規(guī)模工程。以上技術(shù)手段的綜合應(yīng)用在減少誤差的同時(shí)也提高了工作效率，節(jié)約了人力成本，是現(xiàn)代建筑工程的發(fā)展目標(biāo)。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的具體應(yīng)用

3.1 在煉鋼方面的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)在鋼鐵產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，不但能夠有效提高鋼鐵生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，還能不斷對(duì)煉鋼系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的優(yōu)化。當(dāng)前的系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，集成了多種控制設(shè)備、顯示設(shè)備等，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)進(jìn)行智能計(jì)劃和調(diào)整。機(jī)電一體化系統(tǒng)所運(yùn)用的智能算法可以不斷優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，填補(bǔ)燃料利用的缺陷，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)化配置，進(jìn)一步提高產(chǎn)能。鋼鐵產(chǎn)業(yè)本身就集合了多種先進(jìn)技術(shù)，包括自動(dòng)化鍋爐操作、自動(dòng)化鋼水處理等，自動(dòng)化技術(shù)降低了鍋爐的啟動(dòng)停止、溫度控制、壓力控制、成分分析等操作的技術(shù)難度，不僅降低了人工操作風(fēng)險(xiǎn)，還能使得產(chǎn)品更加規(guī)范。同時(shí)，各類(lèi)傳感器的應(yīng)用，使得控制中心能夠監(jiān)測(cè)煉鋼過(guò)程中的大量數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、化學(xué)成分等，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問(wèn)題，準(zhǔn)確控制煉鋼過(guò)程中例如脫硫、脫氧的環(huán)節(jié)的成分調(diào)整。

3.2 在煤礦生產(chǎn)方面的應(yīng)用

煤礦資源開(kāi)發(fā)工作相較鋼鐵更為困難，工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，對(duì)設(shè)備的要求也更高，既要求高性能，也必須保證穩(wěn)定安全。機(jī)電一體化技術(shù)在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域的應(yīng)用，提高了煤礦生產(chǎn)的效率，也使得作業(yè)更加安全持續(xù)。煤礦生產(chǎn)所使用的機(jī)電一體化技術(shù)，本質(zhì)就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械工程系統(tǒng)，對(duì)工程設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，提前預(yù)示潛在的風(fēng)險(xiǎn)等。自動(dòng)化采煤設(shè)備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在一定程度上減少了能源的消耗，其中的自動(dòng)采煤機(jī)、連續(xù)開(kāi)礦機(jī)等設(shè)備都是基于機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。煤礦地下環(huán)境復(fù)雜且不穩(wěn)定，因此保障生產(chǎn)安全是礦業(yè)勘采的首要任務(wù)，機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦井內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度等的微小變化，消除任何風(fēng)險(xiǎn)因素。電控技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用也取得了顯著的成效，例如智能調(diào)速系統(tǒng)能夠有效控制采礦機(jī)和升降機(jī)的工作效率，變頻技術(shù)和電控技術(shù)又提高了機(jī)械設(shè)備的產(chǎn)能。

3.3 在工程機(jī)械的數(shù)控加工方面的應(yīng)用

機(jī)電一體化技術(shù)運(yùn)用在數(shù)控加工方面整合了機(jī)械、電氣和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使數(shù)控加工更加智能化，減少了人工操作帶來(lái)的誤差，不斷提高零件加工精度。機(jī)電一體化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的高精度控制，讓數(shù)控機(jī)床的部件處于最精準(zhǔn)的位置和速度，實(shí)現(xiàn)更精確加工零件的行業(yè)發(fā)展目標(biāo)。工作臺(tái)、主軸以及刀具都可以利用機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化變換，智能選擇和更換加工設(shè)備，以適應(yīng)多種工作需求[3]。自動(dòng)化數(shù)控加工技術(shù)可以對(duì)機(jī)床進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，建立起三維模型，對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行模擬，所得到的模擬數(shù)據(jù)可以為數(shù)控加工設(shè)備的優(yōu)化提供參考。機(jī)電一體化技術(shù)能夠?qū)⒓庸ち鞒滩粩喔牧迹瑑?yōu)化零件生產(chǎn)路徑，最大限度地縮短加工時(shí)間，減少設(shè)備損耗，避免施工誤差。

3.4 在發(fā)展自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)方面的應(yīng)用

當(dāng)前工程施工大多時(shí)間緊，任務(wù)重，而自動(dòng)化技術(shù)能大大提高生產(chǎn)效率，因此成為目前工業(yè)機(jī)械化發(fā)展的關(guān)鍵。在工程機(jī)械設(shè)備上運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備操控的自動(dòng)化，減少了人工勞動(dòng)量，形成一條智能、高效、靈活的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。這種自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)有著高度集成和智能制造的兩大優(yōu)點(diǎn)，將機(jī)械與控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，形成了高度集成的生產(chǎn)流水線(xiàn)，減少了不同環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)的時(shí)間，提高了工作效率。另外，人工智能的開(kāi)發(fā)讓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)不停計(jì)算整合，對(duì)于不同生產(chǎn)需求的響應(yīng)更快速、更準(zhǔn)確，自動(dòng)調(diào)整預(yù)設(shè)的工作參數(shù)以適應(yīng)不同生產(chǎn)需求。機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化操作,讓生產(chǎn)線(xiàn)更完善靈活，對(duì)機(jī)械設(shè)備的作業(yè)管理也達(dá)到了新的應(yīng)用水平。

4 機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 智能化

機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用推動(dòng)了機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化和半自動(dòng)化的發(fā)展，接下來(lái)的發(fā)展目標(biāo)就是讓機(jī)械生產(chǎn)工作更加智能化，在提高工程機(jī)械生產(chǎn)效率的同時(shí)，引入人工智能和智慧算法技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的大趨勢(shì)，讓機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行更智能。如果當(dāng)前的機(jī)電一體化技術(shù)能夠更廣泛地集成人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，那么機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)也能夠更好地學(xué)習(xí)和優(yōu)化復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，從而提高設(shè)備的智能化水平[4]。智能化機(jī)械設(shè)備的產(chǎn)能和生產(chǎn)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)備，它融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)械科學(xué)，通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)案例的海量學(xué)習(xí)，讓智能化生產(chǎn)成為可能，對(duì)于工程機(jī)械領(lǐng)域甚至國(guó)家科技發(fā)展都有著十分重要的意義。因此，相關(guān)研究人員應(yīng)該大力開(kāi)發(fā)機(jī)械智能化技術(shù)，讓機(jī)電一體化技術(shù)向著智能化的方向發(fā)展。

4.2 微型化

未來(lái)的機(jī)電一體化技術(shù)可能會(huì)朝著微型化的方向發(fā)展，這種微型化的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在機(jī)電一體化技術(shù)系統(tǒng)組件的小型化、輕量化、高集成和新型納米技術(shù)的應(yīng)用，使得機(jī)械設(shè)備有著更小的體積和更便捷的設(shè)計(jì)，形成一種新的機(jī)電一體化系統(tǒng)。微型化的控制系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)有限空間內(nèi)的部件集成需求，運(yùn)用嵌入式裝配和微控制器、微處理器等，讓整個(gè)控制提供更加緊湊協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備從幾何尺寸到微米、納米的飛躍，小巧輕便的外形讓其能量消耗更低，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，工程利用率更高。國(guó)外的機(jī)電一體化微型設(shè)備研究也有了新的突破，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)技術(shù)目標(biāo)，研究出了更多微型機(jī)械設(shè)備，其應(yīng)用的廣泛性也是傳統(tǒng)機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備無(wú)法相比的，包括生命科學(xué)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，由此可見(jiàn)，機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備的微型化發(fā)展趨勢(shì)是順應(yīng)人們的需求，符合科技發(fā)展規(guī)律的。

4.3 綠色化

國(guó)家和人們對(duì)于環(huán)保發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的要求越來(lái)越高，這就要求工程機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行更加節(jié)能化、綠色化，減少對(duì)環(huán)境的影響，首先需要相關(guān)工程企業(yè)遵守國(guó)家的環(huán)保規(guī)定，在法規(guī)范圍內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)加工，而這也是目前機(jī)電一體化在工程機(jī)械領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢(shì)之一。綠色化發(fā)展要求產(chǎn)品在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，盡可能減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，是機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[5]。綠色化生產(chǎn)包括應(yīng)用節(jié)能材料、設(shè)計(jì)低碳生產(chǎn)過(guò)程、對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行環(huán)保優(yōu)化等方面。節(jié)能材料就是更為環(huán)境友好、可以循環(huán)再生的工程材料，是機(jī)電一體化系統(tǒng)綠色化的重要基礎(chǔ)，可降解可回收的原材料能夠減少對(duì)資源的一次性消耗，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展。新的機(jī)電一體化技術(shù)將引入環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)，將普通生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行低碳化再設(shè)計(jì)，優(yōu)化制造流程、減少生產(chǎn)廢棄物，從而減少溫室氣體排放。最后設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)保監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境可能造成的污染，盡量將其控制在最小范圍內(nèi)。總之，我國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展將持續(xù)呈現(xiàn)綠色化的趨勢(shì)，機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也要因此更注重綠色設(shè)計(jì)原則，不斷優(yōu)化系統(tǒng)，降低能源消耗率，提高循環(huán)利用水平，符合國(guó)家環(huán)保要求，也符合企業(yè)的生產(chǎn)價(jià)值觀(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

科技的發(fā)展創(chuàng)新大力推動(dòng)了工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)更是在工程機(jī)械領(lǐng)域有了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，也在效率、質(zhì)量、節(jié)能、智能化等方面有了更高的技術(shù)要求，為了能夠緊跟國(guó)內(nèi)外施工技術(shù)發(fā)展，我們必須深入研究機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的實(shí)際運(yùn)用，并不斷搜集信息，了解最新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，順應(yīng)科技發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行技術(shù)革新、設(shè)備革新，使工業(yè)生產(chǎn)向著更加智能化、穩(wěn)定化、高效化、低能耗化發(fā)展，為機(jī)械工程行業(yè)貢獻(xiàn)出一份力量。