論工程機械機電一體化及機器人化

劉歡 王洋

摘要：本文分析工程機械機電一體化、機器人化的發展現狀及存在的問題，并提出具體的解決措施，促使工程機械更好地為建設項目服務。

關鍵詞：工程機械；機器人化；機電一體化

隨著機器人技術的廣泛應用，計算機技術、信息傳感技術、自動控制技術和人工智能在工程機械中的應用將實現工程機械的自動化，能夠有效地提高系統的可操作性、機動性、安全性和可靠性。可降低油耗和成本，提高運行效率和質量。工程機械機器人在我國起步較晚，但在噴射混凝土機器人、壓路機機器人、自動鋪路機、隧道鉆孔機器人、隧道鏜孔機器人、裝載機器人、挖掘機器人等工程機械機器人研究領域取得了可喜的成果。

1 工程機械一體化機器化

工程機械機器人化涉及機械、電子、信息與控制等多學科知識，主要研究內容包括電液伺服控制技術、遙控與自動控制技術、系統智能監測與診斷技術、作業對象識別與智能控制技術（如圖1所示）。

圖1工程機械機器人化關鍵技術

2 工程機械機電一體化、機器人化過程中存在的問題

2.1 機械對工作對象的識別能力較差

工程在生產和建設過程中需要應用大量的機械設備。機械設備圍繞工作內容而開展，并且跟隨作業對象在移動。由于作業對象和作業環境會隨著工作開展的程度而不斷變化，且無規律可以遵循，如地下環境和地上的障礙物隨時會發生變化，所以需要機械操作人員隨時觀察工程建設的現場施工情況，監測工程現場的作業情況，根據現有的作業環境對其做出準確判斷，以更好地指揮機械設備，促使其順利完成工作任務。

由于機械對作業對象的自我感應能力較弱，面對不確定的工作環境和工作內容無法找尋其工作規律，所以需要操作人員運用自身的技術對其進行操作，在不同環境下采用不同的工作方式。因此，現階段所運用的工程機械無法滿足實際應用的需求。后續的研究工作中，為了讓工程機械更好地為施工現場服務，要不斷提高工程機械的判斷和識別能力，研發出適應作業環境變化的新型智能機械設備。

2.2 施工環境對工程機械機器人提出了較高要求

工程機械的作業場所主要在室外，施工環境多為40℃以上的高溫或者是-30℃以下的低溫，大風天氣較多，且伴有暴雪、塵埃等，作業環境十分惡劣。除了天氣對施工環境造成較大影響外，施工場所經常受到強烈的沖擊和震動，甚至在某些作業環境下機械設備無法開展工作。例如，在-35℃的天氣下，土壤受到寒冷天氣的影響形成凍土層，無法開展挖掘工作，或者是挖掘速度較慢且對設備的損傷較大。所以，這對控制系統提出了更高要求，希望智能設備能夠適應各種作業環境，并且保證其運行效率。

2.3 工程機械機電一體化和機械人技術融合度較低

工程機械投入到實踐應用領域，需要涉及到機電、光學、生物等多個學科中的內容，才能保證其滿足智能化發展的需求。通過研究現階段工程機械設備的智能化系統，結合實際工作情況，發現智能機械設備的信息處理能力較低，各種程序之間的協調能力較差。并且由于技術的融合水平較低，機械設備無法通過自控系統完成全部的操作內容，需要操作人員協助其開展工作。可見，技術的發展水平和融合程度較低，亟待工程機械設備的技術研發人員加大研發力度，提高工程機械的智能化水平。

3 智能監測與診斷技術

工程機械往往工作在復雜惡劣環境下，對系統工況進行實時監測，并進行故障診斷與報警是提高安全性和可靠性的關鍵。在工程機械的關鍵部位安裝傳感器，定量監測系統中溫度、振動、轉速、流量、壓力、位移與變形等參數，利用現代信號處理技術提取信息特征，再通過專家系統推理判斷，提前預報系統危險工況并提示相關維修策略。以往的工程機械監控系統中，通常采用嵌入式微控制器直接采集信息，或僅采用總線控制系統進行系統監控。

4 實現工程機械機電一體化、機器人化的有效措施

4.1 提高工程機械的識別能力

工程項目的施工環境較為復雜，作業條件經常變化。為了提高施工效率，減少操作人員的參與，需加大研發力度，提高工程機械的識別能力。首先，設備的研究部門要深入施工現場，了解不同作業環境對機械設備所提出的要求。其次，與科研院校進行合作，提高工程機械設備的技術含量。通過提升智能化水平的方式，更好地感應作業環境的變化，讓機械設備通過傳感器所傳輸的數據調整其作業方式，適應作業環境的變化，滿足作業對象提出的多種要求，從而提高工程的施工效率。

4.2 工程機械要滿足作業環境的需求

通過分析施工現場工程機械的運行和發生的故障，受高溫或者低溫等自然因素的影響，電氣、傳感器等設備在正常溫度下可以開展工作，但在施工現場卻難以開展。因此，要調整工程機械設備上的元件。首先，機械設備研發人員研發出適應惡劣天氣的設備元件，在各種環境下均可以保持良好的工作狀態。

其次，施工人員要定期檢修和維護設備，避免出現停工修理機械設備的現象。最后，保護好控制元件，對必要的設備做好隔離和反干擾措施，減少外界環境對機械設備的影響。

4.3 提高技術的融合度

工程項目的作業環境和工作內容，對工程機械設備提出了較高的技術要求。只有機械設備的技術水平高，才能最大限度地降低人工介入，進而提高施工速度和效率。同時，為了了解工程機械的施工緊張情況，需要工程機械傳輸大量的圖像資料，通過圖像資料找出其所在的位置等。現階段，智能化的應用水平較低，需要多種設備分散進行，才能完成工程建設的工作內容。因此，工程機械設備只有將光學、計算機、自動控制等多個領域的知識進行有效融合，并平行向前發展，才能加快機電一體化和機器人化建設的步伐。

5 結語

隨著工程項目的發展，應用設備機械化水平不斷提高。受國家政策上的支持和大學、科研機構的參與，工程機械機電一體化和機械人化取得了較好發展。由于施工環境較為惡劣，技術發展不完善，它在實際應用中存在一定的不足。所以，要加大研發力度，不斷改進設備工藝，進而更好地投入到實踐工作領域，從而推動其更好地發展。

參考文獻：

[1]索小娟，陳光偉，王娜.工程機械機電一體化技術的應用與發展[J].科技傳播，2013，（14）：157-158.

[2]曾擁華，嚴駿，黎波，等.自主作業挖掘機電控模型[J].建筑機械，2012，11（2012）：134-136.

（作者單位：長城汽車底盤事業部）