工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化的研究

文/張自立，武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司

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工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化的研究

文/張自立，武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司

在工程機(jī)械更新?lián)Q代發(fā)展的過程中，機(jī)電一體化、機(jī)器人化已經(jīng)成為了必然的發(fā)展趨勢。基于這種認(rèn)識，本文對工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化的現(xiàn)狀、問題和未來發(fā)展情況進(jìn)行了分析，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

機(jī)電一體化；機(jī)器人化；工程機(jī)器人

工程機(jī)械主要為用于其中、運(yùn)輸、土石方挖掘等野外作業(yè)的大型機(jī)械設(shè)備，如路面機(jī)械、挖掘機(jī)械、樁工機(jī)械等，普遍需要在惡劣工作環(huán)境中工作，要求操作人員能夠熟練進(jìn)行設(shè)備的長時間操作。而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的機(jī)電一體化和機(jī)器人化，則能減少人員勞動量，并提高設(shè)備生產(chǎn)率。因此，還應(yīng)加強(qiáng)工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化的研究，以推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化發(fā)展現(xiàn)狀

隨著機(jī)電技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械已經(jīng)開始向著機(jī)電一體化和機(jī)器人化的方向發(fā)展。1991年，國內(nèi)自動化領(lǐng)域提出了“863計劃”，工程機(jī)械機(jī)器人化技術(shù)的研究工作得到了全面開展，從而完成了自動導(dǎo)引車技術(shù)、掘進(jìn)機(jī)機(jī)器人化等方面的開發(fā)研究。在“九五”期間，清華大學(xué)、徐工集團(tuán)等單位開始了產(chǎn)學(xué)研合作，建立了國家工程機(jī)械現(xiàn)代集成制造應(yīng)用工程等研究課題，有效推動了工程機(jī)械的機(jī)電一體化和機(jī)器人化發(fā)展。近年來，工程機(jī)械機(jī)電一體化和機(jī)器人化已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)踐應(yīng)用階段。比如在危險作業(yè)中，目前可以利用無線電遙控器指揮裝載機(jī)進(jìn)行作業(yè)。而通過在推土機(jī)上進(jìn)行GPS安裝，則可以完成施工環(huán)境和地形坡度等方面的分析，從而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的無人操作控制。在國外，無人駕駛自卸車、液壓履帶式挖掘機(jī)等設(shè)備也得到了應(yīng)用，可以在千米以下坑道進(jìn)行無人操作施工，利用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制，以獲得最高的燃油效率。而相較于國外，中國引進(jìn)了大量的工程機(jī)械機(jī)器人，全面迎來了工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化發(fā)展時代。早在2013年，中國共購買36560個工業(yè)機(jī)器人，趕超日本成為機(jī)器人年購入量第一的國家[1]。從工程機(jī)械機(jī)器人銷售情況來看，中國年均銷售量近十年平均保持25%的銷售增長率。2015年，中國機(jī)器人市場需求已經(jīng)達(dá)到4.5萬臺，成為了世界規(guī)模最大的市場。

2 工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化發(fā)展問題

2.1 識別能力不理想

從工程實(shí)踐應(yīng)用情況來看，盡管我國工程機(jī)械技術(shù)取得了快速發(fā)展，但仍然存在識別能力不理想的問題。工程機(jī)械在實(shí)際工作中，需要跟隨作業(yè)對象移動，且無可遵循的規(guī)律。而隨著工作環(huán)境的變化，還需采用不同的工作方式滿足作業(yè)需求。但就目前來看，采用機(jī)電一體化工程機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場施工，設(shè)備對作業(yè)對象的感應(yīng)能力較差，無法及時識別作業(yè)對象，也難以根據(jù)現(xiàn)有作業(yè)環(huán)境做出準(zhǔn)確判斷，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的使用無法滿足現(xiàn)場工作要求。

2.2 環(huán)境適應(yīng)力不強(qiáng)

不同于一般機(jī)械設(shè)備，工程機(jī)械通常在-30℃以下或40℃以上的溫度條件下工作，且多處在室外大風(fēng)、暴雪、塵埃等作業(yè)環(huán)境中，容易受到環(huán)境因素的沖擊。而目前研制的工程機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)力不強(qiáng)，在惡劣工作環(huán)境中容易出現(xiàn)無法順利開展工作的情況。例如，在-35℃下使用無人挖掘機(jī)，就會在挖掘凍土層時出現(xiàn)挖掘速度減慢和設(shè)備損傷過大等情況。目前，工程機(jī)械智能設(shè)備控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中通常需要加強(qiáng)防護(hù)，以免微機(jī)設(shè)備元件或傳感器等裝置發(fā)生故障或損傷，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

2.3 技術(shù)融合度過低

在實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域，工程機(jī)械技術(shù)需要融合光學(xué)技術(shù)、生物傳感技術(shù)、機(jī)電技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、機(jī)器人化發(fā)展。但就目前來看，工程機(jī)器人技術(shù)融合度較低，各裝置間難以順利進(jìn)行信息傳遞，各程序的協(xié)調(diào)性較差，難以實(shí)現(xiàn)高效化運(yùn)行。例如，在工程機(jī)械內(nèi)燃機(jī)中，安裝有測繪超聲波測距儀用以實(shí)現(xiàn)刀板高度調(diào)整和超聲波測距等方面的控制管理。但從實(shí)際應(yīng)用情況來看，機(jī)械設(shè)備的信息處理能力較低，難以依靠自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的所有操作，因此依然需要依靠人員協(xié)助才能實(shí)現(xiàn)機(jī)械操作。

3 工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化發(fā)展未來

相信隨著工程機(jī)械機(jī)電一體化、機(jī)器人化發(fā)展，目前工程機(jī)械技術(shù)應(yīng)用存在的問題將在未來得到逐一解決。首先，針對機(jī)械識別能力低的問題，設(shè)備研發(fā)單位還要深入作業(yè)現(xiàn)場了解設(shè)備應(yīng)用要求，以便采取智能化技術(shù)加強(qiáng)設(shè)備對周圍環(huán)境的感應(yīng)，利用傳感裝置完成相關(guān)數(shù)據(jù)采集，并及時完成作業(yè)方式的調(diào)整，進(jìn)而更好的滿足機(jī)械作業(yè)要求。其次，面對復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，還應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備元件調(diào)整，完成具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)力的機(jī)械設(shè)備元件研發(fā)，確保設(shè)備在惡劣工作環(huán)境中始終保持良好工作狀態(tài)。針對控制元件，還應(yīng)加強(qiáng)隔離保護(hù)，以減少設(shè)備所受影響。此外，還應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備檢修維護(hù)，以免設(shè)備出現(xiàn)停工維修問題。最后，隨著各學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，還應(yīng)不斷提升工程機(jī)械技術(shù)融合度，對多種分散設(shè)備進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)高度機(jī)電一體化發(fā)展[2]。同時，還應(yīng)加強(qiáng)智能化技術(shù)的應(yīng)用，對計算機(jī)、自動控制等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行高度、有效融合，以推動工程機(jī)械機(jī)器人化建設(shè)發(fā)展。而通過實(shí)現(xiàn)高度機(jī)電一體化和機(jī)器人化，則能使人工介入的情況得到盡可能減少，使工程機(jī)械施工效率得到大幅度提高。

4 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著智能技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)電技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展，工程機(jī)械也將全面實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和機(jī)器人化發(fā)展。而就目前來看，有關(guān)項(xiàng)目已經(jīng)陸續(xù)起步，并取得了一定的研究成果。但受工程機(jī)械使用條件的影響，工程機(jī)器人的實(shí)踐應(yīng)用仍然存在識別能力不足、環(huán)境適應(yīng)力差等問題，相信能夠隨著技術(shù)的發(fā)展逐步得到解決。

[1]黎波,陳雁,袁家安等.工程機(jī)械機(jī)器人化關(guān)鍵技術(shù)[J].建筑機(jī)械,2015,(09):61-64+8.

[2]李清偉.基于無線智能示教和視覺跟蹤技術(shù)的工程機(jī)械焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].熱加工工藝,2014,43(19):213-215.

張自立，現(xiàn)供職于武漢重型機(jī)床集集團(tuán)有限公司,職稱：工程師，研究方向：機(jī)電一體化專業(yè)。