1、机械制造业现状及发展方向郑州交通大学2010届本科毕业论文（设计）论文题目：机械制造业现状及发展方向*所在院系： 机电系所学专业： 机电一体化导师姓名：郑志国完成时间：2011年5月11日摘 要现代工程施工中,工程机械的性能、自动化程度及其经济性等可以直接影响到施工工艺的好坏,而工程机械的电气与电子控制系统部分质量与性能的优劣又直接影响到工程机械的动力性、经济性、可靠性、施工质量、生产效率及使用寿命等。机电一体化又称机械电子学,是一门跨学科的综合性高技术,是由微电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术、机械技术、液压技术以及其他技术相互融合而成的一门独立的交叉学科。机电一体化技术从上世纪7
2、0 年代中期开始在国外工程机械上得到应用。80 年代以微电子技术为核心的高新技术的兴起,推动了工程机械制造技术的迅速发展,特别是随着微型计算机及微处理技术、传感与检测技术、信息处理技术等的发展及其在工程机械上的应用,从根本上改变了工程机械的面貌,极大促进了产品性能的提高,使工程机械进入了一个全新的发展阶段。以微机或微处理器为核心的电子控制系统目前在国外工程机械上的应用已相当普及,并已成高性能工程机械不可缺少的组成部分。工程机械的机电一体化和智能化将是今后的发展方向。关键词：机电一体化工程机械电子控制AbstractModern engineering construction, constru
3、ction machinery performance, automation and the economy, etc., may directly affect the quality construction technology, and engineering machinery parts of electrical and electronic control systems and quality and performance directly affects the merits of construction machinery power, economy, relia
4、bility, construction quality, production efficiency and service life.Also known as Techtronics is an interdisciplinary and integrated high-tech, by the microelectronics, computer technology, information technology, automatic control technology, mechanical technology, hydraulic technology and other t
5、echnologies from a merging independent interdisciplinary door. Macaronis from the mid 70s of last century construction machinery in foreign countries has been applied. 80 microelectronic technology as the core of the rise of high technology, and promote the construction machinery manufacturing techn
6、ology is developing rapidly, especially with the micro-computer and micro-processing technology, sensing and detection technology, the development of information processing technology and its Application of construction machinery, and fundamentally changed the face of construction machinery, which g
7、reatly promoted the improvement of product performance, the construction machinery has entered a new stage of development. The computer or microprocessor core electronic control system is currently in the application of foreign construction machinery has been very popular, and has become an indispen
8、sable high-performance machinery components. Mechanical engineering mechatronics and intelligent will be the future direction of development. Keywords: Mechatronics Construction Machinery Electronic control 1 前言现代工程机械正处在一个机电一体化的发展时代引入机电一体化技术,使机械、液压技术和电子控制技术等有机的结合,可以极大地提高了工程机械的各种性能,如动力性、燃油经济性、可靠性、安全性
9、,操作舒适性以及作业精度、作业效率、使用寿命等。目前以微机或微处理器为核心的电子控制装置在现代工程机械中的应用已相当普及,电子控制技术已深入到工程机械的许多领域,如摊铺机和平地机的自动找平,摊铺机的自动供料,挖掘机的电子功率优化,柴油机的电子调速,装载机、铲运机变速箱的自动控制,工程机械的状态监控与故障自诊等。随着科学技术的不断发展,对工程机械的性能要求不断提高,电子控制装置在工程机械上的应用将更加广泛,结构将更加复杂。特别是随着我国进口及国产工程机械保有量的逐年增加,如何用好、管好这些价格昂贵的工程机械,使其发挥最大的效率,是工程施工部门所面临的一个重要的问题。为帮助广大工程机械使用人员、维
10、修人员、管理人员对工程机械中的电气与电子控制装置的功能、类别及特性有一些初步的了解和掌握,下面以简单的介绍与论述。现代工程施工中,工程机械的性能、自动化程度及其经济性等可直接影响到施工工艺的好坏;而工程机械的电气与电子控制系统部分质量与性能的优劣又直接影响到工程机械的动力性、经济性、可靠性、施工质量、生产效率及使用寿命等。电子控制系统已成为现代工程机械技术水平的一个重要依据。随着科学技术的不断发展及对产品性能要求不断提高,电子控制系统在工程机械中所占的比重将会越来越大,其功能将会越来越强,应用范围也将越来越广,而且其复杂程度也随之提高,这样就对使用与维修人员提出了更高的要求。现代工程施工要求工
11、程机械具有以下性能生产效率高且能量损失小,节约能源;自动化程度高,施工质量好,精度高;性能稳定,工作可靠,安全,使用寿命长;具有较好的经济性;高的技术价格比和低的制造与使用成本;操作简单、轻便、劳动强度低,驾驶员的工作条件好,具有运行状态监视、故障自诊及自动报警功能,能及时准确地指出故障部位,减少停机维修作业时间。2机电一体化概要2.1机电一体化技术发展机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。20世纪60年代以来,人们利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能后,刺激了机械产品与电子技术的结合。计算机
12、技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化的发展更进一步奠定了技术基础。20世纪80年代末期,机电一体化技术和产品得到了极大发展。各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持,20世纪90年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段,机电一体化进入了深入发展时期。光学、通信技术等进入了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中展露头脚,出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。我国从20世纪80年代开始开展机电一体化研究和应用。取得了一定成果,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。机电一体化已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不断发展,还将被赋予新的内容。
13、 机电一体化产品和技术可分为机械、电子和软件三大部分。模块化技术是这三者的共同技术。模块化技术可以减少产品的开发和生产成本，提高不同产品间的零部件通用化程度，提高产品的可装配性、可维修性和可扩展性等。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。总之，模块化设计与制造是机电一体化系统的基本方法和发展趋势。随着微处理器性能价格比的迅速提高和微机械电子（MEMS）技术的飞速发展，各种机电一体化模块将越来越多地出现在市场上。利用这些模块，可以迅速方便地设计和制造出各种新的机电一体化产品。 机电一体化是许多科学技术发展的结晶,是社会
14、生产力发展到一定阶段的必然要求。21世纪,机电一体化技术将成为机械工业的主角，在各方面均可带来显著的经济效益和社会效益。机电一体化的出现不是孤立的,它是许多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。随着科学技术的发展,各种技术相互融合的趋势将越来越明显，以机械技术、微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软
15、件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,由此而产生的功能系统,则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。机电一体化产品分系统和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有:数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD/CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有:电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电
16、一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。2.2目前工程机械的系统功能目前工程机械的电子控制系统主要实现如下功能:（1）电子监控、自动报警及故障自诊即对工程机械的发动机、传动系统、工作装置、制动系统和液压
17、系统等的运行状态监控,工作中一旦出现异常现象,能自动报警并准确地指出故障的部位,从而改善驾驶员的工作条件,提高机器的工作效率,简化设备维护检查工作,降低使用维修费用,缩短停机维修时间,延长设备的使用寿命。（2）节能降耗,提高生产率传统工程机械的能量利用率较低,例如液压挖掘机的燃料能量利用率仅为30 %左右,如此低的能量利用率迫使工程机械的发展必须着眼于节能。日本小松公司挖掘机采用新型节能控制器,具有良好的节能效果,燃料可节省23 %;日本日立公司挖掘机节能控制系统采用了卡特电子效率控制系统,通过对发动机和泵的综合控制,使功率的利用率可达98 % ,同时生产率也大大提高。（3）柴油机的控制采用电
18、子调速器,电子油门控制装置,自动停机装置,自动升温控制装置等。（4） 提高作业精度为保证成品料的作业精度,现代沥青及水泥混凝土拌和设备广泛采用了微机控制的电子称量系统,并使称量过程实现了自动化。自动找平系统的应用,使沥青混凝土摊铺机的施工质量有了较大的提高。采有超声波技术的自动供料系统,使沥青混凝土摊铺机的供料实现了自动调节,进一步提高了摊铺质量。推土机铲刀、平地机刮刀、铲运机铲斗刀刃的电子控制,不仅提高了作业精度和作业效率,而且也减轻了操作人员的劳动强度。（5）作业过程的自动化或半自动化工程机械实现自动化或半自动化控制,可以减轻操作者的劳动强度,提高生产率,并减少因操作者的经验不足对作业精度
19、的影响,例如,日本三菱公司的挖掘机设有挖掘轨迹控制系统,操作者在控制板上设定好铲斗运动轨迹的形状后,微机控制系统能够根据各种角度传感器的信号,自动控制动臂、斗杆和铲刀的运动,实现各种特定开口和断面沟槽、斜面的精确挖掘,使挖掘作业实现了自动化。（6）其他应用一些国外生产的推土机、装载机、铲运机等有了电子控制的自动变速器,其能够根据外负荷的变化情况自动改变传动系统的传动比,这不仅充分利用了发动机的功率,提高了燃油经济性,而且也简化了操作,降低了劳动强度。为有效地防止翻车和断臂事故,提高作业的安全性,现代起重机上广泛地采用了电子控制的力矩限制器。为实现无人驾驶,使工程机械能在危险地带或人无法接近的地
20、点进行作业,某些国外工程机械上设置了无线遥控装置。电子系统的可靠性是现代工程机械非常重要的一项性能指标。由于工程机械一般露天作业,其直接受到烈日暴晒、雨雾、强风、尘埃等的侵袭,此外还受到强烈的振动和冲击以及各种电、磁等的干扰,工作环境非常恶劣,因此电子控制系统应满足:能在- 4080 的环境温度下可靠、稳定地工作;抗老化,具有较长的使用寿命;密封性能好,能防止水分和污物的侵入,较好的耐冲击和抗振性能;较强的抗干扰能力,系统能在各种干扰下可靠地工作。工程机械种类繁多,因此各种机型所配备的电器与控制装置的组成,数量及复杂程度等也差别较大,各种自行式工程机械所配备的电器与控制装置基本上可分为以下两大
21、类:1）车辆电气设备这是各种机械应配备的最基本的电器,通常包括以下部分A1 电源:包括蓄电池、发电机及其调节器。B1 起动机:用于启动发动机。C1 点火系:用于汽油机,功能是产生电火花,点燃气缸中的可燃混合气。D1 照明及信号设备:包括各种照明和信号灯以及电喇叭、蜂鸣器等,用以保证行驶和施工的人机安全。E1 仪表:包括燃油表、机油压力表、水温表、发动机转速表等,用来监视发动机和其他装置的工作情况。2）电气、电子(微机) 控 制装置用于实现各种控制功能。例如,摊铺机的自动找平装置及供料自控装置;电控的电子功率优化系统;装载机、铲运机变速器的电子控制装置等。3现代工程机械技术现代工程机械正处在一个
22、机电一体化的发展时代。引入机电一体化技术,使机械、液压技术和电子控制技术等有机的结合,可以极大地提高了工程机械的各种性能,如动力性、燃油经济性、可靠性、安全性、操作舒适性以及作业精度、作业效率、使用寿命等。目前以微机或微处理器为核心的电子控制装置(系统)在现代工程机械中的应用已相当普及,电子控制技术已深入到工程机械的许多领域,如摊铺机和平地机的自动找平,摊铺机的自动供料,拌利设备称重计量过程的自动控制,挖掘机的电子功率优化,柴油机的电子调速,装载机、铲运机变速箱的自动控制,工程机械的状态监控与故障自诊等。随着科学技术的不断发展,对工程机械的性能要求不断提高,电子(微机)控制装置在工程机械上的应
23、用将更加广泛,结构将更加复杂。特别是,随着我国进口及国产工程机械保有量的逐年增加,如何用好,管好这些价格昂贵的工程机械,使其发挥最大的效率,是工程施工部门所面临的一个重要的问题。现代工程施工要求工程机械具有以下性能:生产效率且能量损失小,节约能源;自动化程度高,施工质量好,精度高;性能稳定,工作可靠,安全,使用寿命长;具有较好的经济性,即高的技术价格比和低的制造与使用成本;操作简单、轻便,劳动强度低,驾驶员的工作条件好;具有运行状态监视,故障自诊及自动报警功能,能及时准确地指出故障部位,减少停机维修作业效率。为满足上述的性能要求,工程机械仅仅依靠机械和液压技术的进步已显得力不从心。电子控制技术
24、的发展及在工程机械上的应用,为工程机械技术的发展注入了新鲜的血液。机电一体化作为一项高新技术,将其引入到工程机械中,为工程机械带来了新的技术变革,使其各种性能有了质的飞跃。3.1工程机械核心技术机电一体化1.机械技术：是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。2.计算机与信息技术：其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。3.系统技术：即以整体概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出
25、发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，是实现系统各部分有机连接的保证。4.自动控制技术：其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。5.传感检测技术：是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。6.伺服传动技术：包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。3.2现代工程机械系统的基本结构（1）机械本体系统所有功
26、能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械联接等。机械本体要在结构、材料、加工工艺性及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型轻量等要求。（2）动力部分按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出（3）测试传感部分。对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。（4）执行机构。根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。（5）驱动部分。在控制信息作用下提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。一方面要求驱动的高效
27、率和快速响应特征，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性；另一方面，由于几何尺寸的限制，动作范围狭窄，还需考虑维修及标准化。（6）控制及信息处理单元。将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应指令，控制整个系统有目的地运行4机电一体化在工程机械中的运用4.1机电一体化和工程机械的关系现代工程机械正处在一个机电一体化的发展时代。引入机电一体化技术，使机械、液压技术和电子控制技术等有机的结合, 可以极大地提高了工程机械的各种性能，如动力性、燃油经济性、可靠性、安全性、操作舒适性以及作业精度、作业效率、使用寿命等。
28、目前以微机或微处理器为核心的电子控制装置(系统)在现代工程机械中的应用已相当普及，电子控制技术已深入到工程机械的许多领域, 如摊铺机和平地机的自动找平，摊铺机的自动供料，拌利设备称重计量过程的自动控制,挖掘机的电子功率优化，柴油机的电子调速，装载机、铲运机变速箱的自动控制，工程机械的状态监控与故障自诊等。随着科学技术的不断发展,对工程机械的性能要求不断提高，电子（微机）控制装置在工程机械上的应用将更加广泛，结构将更加复杂。4.2机电一体化对工程机械功能的改进在工程机械上运用传感器技术是当前机电一体化技术最主要的技术手段和特征，传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，也是机电一体化系统不可
29、缺少的关键技术之一，其水平高低在很大程度上影响和决定着系统的功能；其水平越高，系统的自动化程度就越高。在一套完整的机电一体化系统中，如果不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测出并转换成易于传送和处理的信号，我们所需要的用于系统控制的信息就无法获得，进而使整个系统就无法正常有效的工作。我国传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于20世纪80年代，与国外先进技术相比，我们还有较大差距，主要表现在：（1）先进的计算、模拟和设计方法；（2）先进的微机械加工技术与设备；（3）先进的封装技术与设备；（4）可靠性技术研究等方面。因此，必须加强技术研究和引进先进设备，以提高整体水平。传
30、感器技术今后的发展方向可有几方面：1.加速开发新型敏感材料：通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科，各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批基于新型敏感材料的先进传感器。2.向高精度发展：研制出灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。3.向微型化发展：通过发展新的材料及加工技术实现传感器微型化将是近十年研究的热点。4.向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向。5.向智能化数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（
31、如0-10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有点甚至带有控制功能，即智能传感器。5机电一体化技术在挖掘机中的应用5.1普遍采用电子节能技术的大中型液压挖掘机美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。5.2采用自动怠速功能的小型液压挖掘机在美国市场，发动机排放要求非常严格，只有符合Tire 3标准的发动机才能在美国市场销售。因此进入美国市场的中挖多数都采用了电控发动机。无
32、论在可控性还是节能性方面都较机械式发动机有很大的改善。但由于成本问题，在10t以下的小型挖掘机上，机械式发动机还是被广泛采用。因此，在节能方面，国外挖掘机厂家采用了不同的技术。JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。纽荷兰小型挖掘机的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆(软轴)的形式，只是设计了一个自动怠速结构。当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。5.3采用电液比例控制技术的液压挖掘机该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动
