全劍

【摘 要】文章介紹了機電一體化技術的概念及特點，解讀了該技術的未來發(fā)展趨勢（智能化、區(qū)域化和系統(tǒng)化）和在工程機械（如節(jié)能、監(jiān)控和檢測等領域）中的應用情況，重點討論了工程機電系統(tǒng)核心組件的選型與設計，包括單片機、三相PWM波發(fā)生器、智能逆變模塊、位置檢測電路、通信接口、時鐘電路、液晶顯示和程序故障自恢復電路，對提高企業(yè)智能化、精細化施工具有積極作用。

【關鍵詞】一體化;機械;工程

【中圖分類號】TH39 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0063-03

當前，我國工程機電一體化技術正迅速發(fā)展，機電一體化技術的廣泛應用使多個學科進行交叉和滲透，并不斷推動機械工程、電子技術、自動控制等專業(yè)領域的突破，機電一體化技術在很大程度上實現(xiàn)了工程機械的自動化、模塊化、數(shù)字化的高效施工，使企業(yè)進一步提高了工程的施工質量、降低了施工成本、縮短了施工周期，為行業(yè)在市場中的競爭集聚了一定優(yōu)勢。與此同時，以微處理器為核心的新一代機電一體化技術實現(xiàn)了與其他專業(yè)的進一步融合，有效整合并優(yōu)化了系統(tǒng)在設備分析方面的數(shù)據(jù)流程，為機電一體化技術向智能化發(fā)展明確了方向[1]。

1 機電一體化概念及特點

1.1 概念

機電一體化（Mechatronics）技術也稱為機械電子工程技術，屬于機械工程和電子專業(yè)領域的交叉融合，其英文由機械學（Mechanics）與電子學（Electronics）組成。機電一體化專業(yè)術語最早是在日本的《機械設計》雜志提出，該技術是將機械工程技術、電子技術、信息技術和傳感技術等多領域技術進行有機結合形成的一門新型科學技術，搭載機電一體化技術的各類先進設備，能夠實現(xiàn)各個領域的具體功能需求，例如工業(yè)制造、工程施工、醫(yī)療、高鐵等領域，極大地提高了社會生產(chǎn)力。當前，幾乎全部的現(xiàn)代化自動生產(chǎn)、加工、制造設備及各類應用都屬于機電一體化技術應用范疇。隨著機械工程、微電子和計算機等專業(yè)技術的不斷發(fā)展，機電一體化技術的發(fā)展更加趨于智能化、人性化。

1.2 特點

機電一體化技術是當今各領域先進技術發(fā)展的產(chǎn)物，使生產(chǎn)人員從繁重的體力勞動中解脫出來，并提高了生產(chǎn)質量和效率，節(jié)約了人力成本。機電一體化技術最顯著的特點主要體現(xiàn)在高精度檢測、智能裝備制造和機械化施工等方面。

1.2.1 高精度檢測

在各類工程施工中常需要進行大量繁雜的質量檢測工作，這些工作無法僅通過工程技術人員獨立完成，需依賴先進的高精度檢測設備，隨著工程施工質量檢測標準的不斷提高，檢測技術也在不斷革新和進步，以機電一體化技術為核心架構的各類檢測設備在工程施工中的應用逐漸興起，實現(xiàn)了施工質量檢測的高標準要求。

1.2.2 智能裝備制造

智能裝備在國民經(jīng)濟的發(fā)展中具有至關重要的基礎作用，例如智能交通、智能醫(yī)療、智能家居等領域。智能裝備在制造過程中依靠的是集成化、模塊化的生產(chǎn)線，通過預先設定好的計算機程序，結合PLC、工控機等工業(yè)設備，實現(xiàn)智能裝備制造領域的高質量、大批量生產(chǎn)。機電一體化技術完美解決了智能裝備制造在數(shù)據(jù)傳輸、自動控制和信息集成等方面的技術瓶頸，是智能裝備制造行業(yè)發(fā)展的一次飛躍。

1.2.3 機械化施工

交通工程領域的迅速發(fā)展對各橋梁、公路等工程的施工工期提出了更高的要求，在保證施工質量的前提下逐步縮短工期，進行機械化施工已成為必然趨勢，而機械化施工中主要用到的就是機電一體化技術。機電一體化技術的應用使施工機械設備的運轉更為有效，例如在橋梁工程施工中，機電一體化技術高度整合施工現(xiàn)場的各類設備，進行標準化、集約化施工，達到施工材料、施工設備、施工人員的高度協(xié)調一致，提高了橋梁工程施工效率并節(jié)約了工程成本[2]。

2 機電一體化發(fā)展趨勢

2.1 智能化發(fā)展

機電一體化技術的先進程度主要體現(xiàn)在其智能化發(fā)展方向上，即不再局限于某種機電一體化設備的單獨應用，而是體現(xiàn)了多領域、多數(shù)量的機電設備集群優(yōu)勢，智能化的發(fā)展趨勢使得機電一體化技術可嘗試自主修復或創(chuàng)新等功能，類似于當前較為流行的機器學習技術，但機電一體化技術在某種程度上已超出了機器學習的范疇，可歸屬為一種自適應、自控制的全新領域。

2.2 區(qū)域化發(fā)展

城鎮(zhèn)化進程的加速使得機電一體化技術也向著集中化、區(qū)域化的模式發(fā)展，區(qū)域化的發(fā)展模式將機電一體化技術在機械制造、機械施工等行業(yè)內的優(yōu)勢進一步轉化為發(fā)展的潛力，并以此帶動機械施工領域中精細化控制和傳動技術的變革，使得區(qū)域內機電一體化技術在各類應用中實現(xiàn)優(yōu)勢互補、產(chǎn)業(yè)聯(lián)動，逐漸形成機電一體化技術的區(qū)域發(fā)展規(guī)?；?。

2.3 系統(tǒng)化發(fā)展

機電一體化技術并不是機電技術簡單的更新與迭代，而是多專業(yè)、多學科彼此交叉、融合的產(chǎn)物，從宏觀的角度上來講屬于一個立體的、多元化的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)有機結合了機電工程、電子工程、信息工程等相關技術，能夠實現(xiàn)的功能也十分豐富，例如遙感、電控和自動檢測等。機電一體化技術具有豐富的接口設計，各類差異化的功能需求可通過簡單的接口變更和調試，便可實現(xiàn)種類豐富的應用功能。機電一體化技術系統(tǒng)化的發(fā)展模式，改變了過去單獨功能模塊單獨發(fā)揮特定功能的思維定位，形成完善的、靈活的、系統(tǒng)化的模型架構[3]。

3 機電一體化在工程施工機械中的應用

3.1 節(jié)能機械應用

公路工程施工中所用到的機械設備通常采用兩種方式獲得動力：一種是燃油（汽油或柴油）型，另一種是燃料電池（可充電電池）型。近5年出廠的公路施工機械設備（如挖掘機、壓路機、攤鋪機等）一般均以燃料電池為動力方式，即所謂的電動型施工機械。此種類型的公路施工機械在節(jié)能方面具有強大的特點，這得益于機電一體化技術在燃料電池組控制方面的成功應用。例如，在電動型挖掘機的使用中，需要綜合考慮動力和節(jié)能等問題，機電一體化技術的電控模塊具有根據(jù)土方深度和強度調節(jié)輸出功率（動力）的自反饋功能，類似于空調或汽車領域中的變頻控制功能，但不同點在于機電一體化技術中的自反饋功能是完全基于目標定位而實現(xiàn)的直接功能，省去了“變頻”這一環(huán)節(jié)，其意義在于反饋的初始環(huán)節(jié)中，無須驅動信號的啟動源，即省去了這部分能量消耗，主要側重于電控全過程中的能量動態(tài)、均勻分布，節(jié)能效果非常明顯。因此，各種類型的挖掘機體積都不大，卻能夠保證公路施工時所需的強大挖掘功率，同時兼顧節(jié)能問題，這其中機電一體化技術發(fā)揮了強大的作用。

3.2 監(jiān)控設備應用

為保證公路工程的施工質量和施工安全，在施工現(xiàn)場的重要位置布設有多臺監(jiān)控設備，定點施工位置的監(jiān)控設備主要是以攝像頭為主，而在流動式的施工監(jiān)測中，所用到的施工監(jiān)控設備還包括全站儀和示波器等，在流動的卡車、攪拌車、叉車及其他運輸車輛中，特別是司機視線的盲區(qū)也應安裝攝像頭，這些監(jiān)控設備種類繁多、型號多樣，但核心功能都是以實現(xiàn)動態(tài)可視化的監(jiān)測為目的。機電一體化技術在監(jiān)控設備領域的成功應用，使得監(jiān)控設備不再局限于單一的監(jiān)測用途，而是在監(jiān)測基礎上融合了功能強大的報警和決策功能。例如，攪拌車或卡車的盲區(qū)位置安裝的監(jiān)控設備，不僅具有畫面監(jiān)視功能，對于攝像頭無法覆蓋的區(qū)域還配置有紅外傳感器，專門用于人體的識別和檢測，機電一體化技術將監(jiān)控設備、紅外線傳感設備、報警設備進行深度集成，是監(jiān)控設備在公路工程施工中的一次顛覆性應用[4]。

3.3 檢測機械應用

自動檢測機械是機電一體化技術在工程施工中的應用代表，主要用于子系統(tǒng)檢測、系統(tǒng)運行可靠性檢測等領域。當施工機械設備開機后，自動檢測系統(tǒng)開始進行自檢，自檢過程由既定的程序指引，以綜合判斷子系統(tǒng)的運行工況，如果其中某個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，搭載機電一體化技術的自動跟蹤和報警模塊會被觸發(fā)，現(xiàn)場施工技術人員會第一時間發(fā)現(xiàn)并處理問題，避免了施工故障進一步擴大，保證了后續(xù)施工的順利進行。

4 工程機電系統(tǒng)核心組件的選型與設計

4.1 單片機

單片機主要是由并行8255端口控制系統(tǒng)的信號處理，信號處理一般包括接收系統(tǒng)的對轉矩、閥門的開啟和關閉等，此外閥門的開度也需要設定信號進行處理，最終提供三相PWM波發(fā)生器在工程施工中所需的各類控制信號。單片機還可實現(xiàn)對IPM發(fā)出的警報及故障信號的處理任務，模擬接口輸入的電壓、電流和電位等檢測信號，提供工程施工中各設備運轉的狀態(tài)信號，還有執(zhí)行施工命令的控制信號和施工進度及質量的反饋信號等，可選用INTEL公司所生產(chǎn)的8031型單片機。

4.2 三相PWM波發(fā)生器

三相PWM波可通過模擬及數(shù)字兩種方式獲取，其中模擬方法較為復雜，并且通常伴有溫漂情況發(fā)生，獲取的三相PWM波精度較低，對控制系統(tǒng)的性能具有一定影響。數(shù)字方法獲取PWM波是以不同計算模型為基礎得出各切換點而后存入內存，由查詢表和相關公式產(chǎn)生PWM波，但這種方法占有較大的內存，在保證控制系統(tǒng)的精度方面效果不理想。因此，為使工程施工中各機械設備的智能功率模塊能夠獲得高質量的PWM波控制信號，使微處理器有充足時間完成各系統(tǒng)運行狀態(tài)的檢測、保護等功能，擬選用MITEL公司生產(chǎn)的SA8282型三相PWM波發(fā)生器。該類型PWM波發(fā)生器屬于工程施工中專用的大規(guī)模集成化電路系統(tǒng)，擁有獨立的微處理器接口且芯片組內部含有波形、頻率和幅值等相關控制信息，便于工程技術人員查找和使用。

4.3 智能逆變模塊

智能逆變模塊IPM的設計目的是為了減少工程機械設備空間占用率并提高機械設備的性能，機械設備的電機電源應采用智能逆變模塊IPM，其實際的執(zhí)行機構適用于功率為5.5 kW以下的三相異步電機，額定電壓為380 V，額定功率因素為0.75，為使機械設備在工程施工中發(fā)揮出良好的動力性能，可選用日本生產(chǎn)的PM50RSA120型逆變功率模塊，該型號的逆變功率模塊集成了功率開關、驅動電路和制動電路，內部設置了相應的電路保護系統(tǒng)，如過壓、過流、短路、失壓及過熱等保護，當保護動作時會發(fā)出相應的報警以提示工程技術人員進行檢查，屬于高穩(wěn)定性的功率開關元件。

4.4 位置檢測電路

位置檢測電路是工程機械設備中執(zhí)行機構的主要組成部分，其功能是提供執(zhí)行命令所需的準確位置信號，位置檢測電路的選取關鍵在于位置傳感器，傳統(tǒng)方式的電動執(zhí)行機構通常使用繞線式電位器、差動式變壓器和導電塑料式電位器等，繞線式電位器使用壽命短且容易發(fā)生故障，而差動式變壓器的線性區(qū)間較窄，其溫度曲線突變的情況經(jīng)常發(fā)生。繞線式電位器和差動式變壓器的性能不夠理想，在工程應用中受到很多限制。導電塑料式電位器當前的工程應用較多，但也存在很多弊端，例如觸點問題、壽命問題和精度問題等。鑒于機電一體化技術在工程機械中應用的穩(wěn)定性和安全性考慮，可使用脈沖數(shù)字式傳感器，該類型的傳感器無觸點、精度高、穩(wěn)定性好，并且沒有線性區(qū)間和溫度區(qū)間等限制。

4.5 電壓、電流檢測

對電壓、電流等參數(shù)進行檢測的目的是為了評估電機的力矩情況，當工程機械的變頻器出現(xiàn)短路、斷路及其他模塊故障時可以進行分析和排查。變頻器輸出的信號頻率范圍通常為0～50 Hz，使用常規(guī)類型的CT（電流互感器）或PT（電壓互感器）無法達到要求，為獲得電流、電壓的真實數(shù)值，可使用霍爾型CT檢測IPM輸出的實際三相電流大小，使用分壓電路對IPM的輸出電壓進行檢測。

4.6 通信接口

為實現(xiàn)工程機械中的工控機聯(lián)網(wǎng)及遠程終端的控制功能，機械設備的控制單元應具有相應的通信接口，接口分為串行接口和并行接口兩種，由于系統(tǒng)兼容性等問題，并行接口在當前的各類計算機系統(tǒng)中的使用已不多見?？蛇x用MAX232作為控制系統(tǒng)的通信接口（串行），MAX232內部含有多個同類型的電平轉換電路，能夠將8031串行口發(fā)出的TTL電平轉換成RS232標準電平，也可將其他工控機傳輸過來的RS232電平轉換為TTL電平，再傳回至8031，以此實現(xiàn)單片機和其他工控機之間的通信。

4.7 時鐘電路及液晶顯示

時鐘電路可為工程機械的控制系統(tǒng)提供采樣和控制周期，同時包含施工速度的計算和日歷、時間等常用功能，為獲得更長時間的數(shù)據(jù)保持、備份能力，可選用DS12887型時鐘電路，其內部的RAM具有114字節(jié)的非易失性保護模組。為方便施工現(xiàn)場指揮人員進行統(tǒng)籌調度，應在控制系統(tǒng)配置液晶顯示單元以實現(xiàn)良好的人機交互模式?？墒褂肕GLS12832型液晶模塊組成顯示電路，以組態(tài)的方式呈現(xiàn)給使用者，使用者通過瀏覽菜單可對工程機械設備的電機、限位、力矩及通信參數(shù)進行調試或修改，使用圖文結合的顯示方式更為直觀和清晰。

4.8 程序故障自恢復電路

程序故障自恢復電路能夠使工程機械設備在運轉異?；虬l(fā)生程序故障時自動還原系統(tǒng)，使系統(tǒng)重新恢復正常使用，MAX705型程序故障自恢復電路運行工況比較穩(wěn)定，由與非門和微分、差分電路構成。當系統(tǒng)程序出現(xiàn)故障時，WDO由高位變成低位，差分電路的使能作用將與非門引腳變?yōu)楦唠娖?，引腳電位的變化使與非門發(fā)出相應的正脈沖，此時單片機收到正脈沖后進行一次復位，復位完成后由程序通過通信端口向MAX705的WDI引腳發(fā)送正脈沖，WDO的引腳變?yōu)楦唠娖?，程序故障自恢復電路對程序的運行情況進行不間斷監(jiān)測，當再次發(fā)現(xiàn)程序運行故障時，將重復上述步驟，直至程序恢復正常為止，保證工程機械的正常運轉。

5 結束語

機電一體化技術在工程機械中的應用正向著智能化的方向不斷邁進，既提高了工程質量和效率，又簡化了施工過程，同時各類施工中的建模設計、集成分析等有價值的工程數(shù)據(jù)又為機電一體化技術的自我完善和修正提供了支持。機電一體化技術的關鍵在于系統(tǒng)組件的選型與設計，應由不同工程中機械設備使用的不同需求完成系統(tǒng)組件的選型工作，使機械設備在工程施工中發(fā)揮出最大的作用，最終實現(xiàn)智能化、精細化的施工愿景。

參 考 文 獻

[1]黃俊.論機電一體化技術在交通工程設施中的應用[J].黑龍江交通科技，2020（9）：201-203.

[2]張文潔.機電一體化技術在機械工程上的應用及發(fā)展趨勢[J].中國設備工程，2020（10）：225-226.

[3]李隨峰.機電一體化技術在機械工程中的應用論述[J].信息系統(tǒng)工程，2020（1）：71-72.

[4]劉克宇.工程機械機電一體化技術的發(fā)展與應用研究[J].造紙裝備及材料，2021（9）：90-91.