1、 工程机械自动化技术工程机械自动化技术 工程机械模块课 吕广明 一、课程教学目的一、课程教学目的 工程机械自动化技术是研究以工程机械为机械本体，结合电力电子技术、液压传动技术、计算机控制技术而形成的机电液自动化系统。该课程是一门具有一定的理论性、实践性较强的综合性专业课。1、掌握工程机械自动化技术的根本概念，自动化技术的根底知识;2、初步掌握工程机械机、电、夜系统的设计过程与分析方法;3、提高对工程机械自动化系统的综合分析能力。二、教学内容二、教学内容 第第1章章 绪论绪论(1h)工程机电一体化的含义及系统组成；工程机电一体化的含义及系统组成；工程机电一体化技术的开展历史及特点。工程机电一体化
2、技术的开展历史及特点。第第2章章 工程机电产品的可靠性设计工程机电产品的可靠性设计(6h)介绍工程机电系统余度、可靠性的概念；介绍工程机电系统余度、可靠性的概念；工程机电系统可靠性的软件设计方法；工程机电系统可靠性的软件设计方法；工程机电系统可靠性的硬件设计方法；工程机电系统可靠性的硬件设计方法；工程机电系统的干扰及其抑制。工程机电系统的干扰及其抑制。第第3章章 沥青混凝土摊铺机调平机电液自动沥青混凝土摊铺机调平机电液自动控制系统控制系统(4h)介绍工程机电液系统的设计过程及设计方法；介绍工程机电液系统的设计过程及设计方法；介绍混凝土摊铺机开展概况；介绍混凝土摊铺机开展概况；混凝土摊铺机自动调
3、平机电液控制系统：混凝土摊铺机自动调平机电液控制系统：1 1、开关、开关式自动调平系统及其自动控制系统；式自动调平系统及其自动控制系统；2 2、比例式自、比例式自动调平系统，比例式自动调平原理及自动控制系动调平系统，比例式自动调平原理及自动控制系统。统。第第4章章 液压挖掘机的自动控制技术液压挖掘机的自动控制技术(4h)介绍液压挖掘机的开展现状及机器人化的意义；液压挖掘机工装位姿的数学建模；液压挖掘机工装轨迹的控制方法；挖掘机工装轨迹PID控制技术及系统仿真。第第5章章 起重机的变频调速技术起重机的变频调速技术(3h)介绍起重机的调速方式；介绍起重机的调速方式；变频调速的根本知识，起重机变频器
4、的种类；变频调速的根本知识，起重机变频器的种类；变频调速在起重机中的应用。变频调速在起重机中的应用。三、考试权重 课程的总成绩由以下几局部构成：期末考试成绩占 60 平时成绩占40(出勤10分，作业30分 第第1章章 绪论绪论(1h)1.1工程机电一体化的含义。工程机电一体化的含义。工程机电一体化技术是机电一体化技术在工程机械中的具体应用，在此引用了机电一体化的概念 “机电一体化源于“Mechatronics，该词的构成有两种提法，一种认为由Mechanism的前半局部和Electronics的后半局部合成，应理解为“机械的电子化。另一种认为是Mechanics的前半局部和Electronic
5、s的后半局部合成，应理解为“机械电子学。本课程将机电一体化定义为本课程将机电一体化定义为:以电子技术特别是微电子以电子技术特别是微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的综合性高技术。的综合性高技术。从定义可知，一体化技术是以机械技术为本体，和其它从定义可知，一体化技术是以机械技术为本体，和其它技术融合。高技术的特点：高投入；高风险；高回报技术融合。高技术的特点：高投入；高风险；高回报 机电一体化包含机电一体化产品与机电一体化技术。机电一体化包含机电一体化产品与机电一体化技术。机电一体化产品：是指机械系统与微电子系统相互置换机电一体
6、化产品：是指机械系统与微电子系统相互置换和有机结合，从而赋予新的功能的和性能的新一代产品。和有机结合，从而赋予新的功能的和性能的新一代产品。机电一体化技术：包括技术原理和使机电一体化产品得机电一体化技术：包括技术原理和使机电一体化产品得以实现，使用和开展的技术。以实现，使用和开展的技术。机电一体化在不同的行业称呼不同机电一体化在不同的行业称呼不同 机电一体化机电一体化 机电液一体化机电液一体化 机电光一体化机电光一体化 其他新兴行业其他新兴行业 机电信一体化机电信一体化 机电仪一体化机电仪一体化 工程机电一体化通常称为机电液一体化，近些年来又工程机电一体化通常称为机电液一体化，近些年来又出现了
7、一些新方向：机电技术与医学、生物学的结合出现了一些新方向：机电技术与医学、生物学的结合 1.2工程机电一体化系统的组成。工程机电一体化系统的组成。机械本体机械本体 控制和信息处理设备 检测传感局部检测传感局部 动力系统动力系统 执行局部 驱动部件驱动部件(1)(1)机械本体。包括机械设备的壳体、机身、支机械本体。包括机械设备的壳体、机身、支架、床体等支撑结构。架、床体等支撑结构。(2)(2)检测传感局部。用于检测系统运行中的一些检测传感局部。用于检测系统运行中的一些关键参量或状态，可以把非电量关键参量或状态，可以把非电量(温度、压力、温度、压力、位移、流量等位移、流量等)转变成电信号，然后送人
8、控制处转变成电信号，然后送人控制处理设备。理设备。3 3驱动部件。它把输入的控制“电信号驱动部件。它把输入的控制“电信号放放大、变换、匹配，然后推动执行机构。是连接强大、变换、匹配，然后推动执行机构。是连接强电设备和弱电设备的纽带。电设备和弱电设备的纽带。驱动部件中广泛采用电力电子器件，如晶闸管、驱动部件中广泛采用电力电子器件，如晶闸管、双极型功率晶体管双极型功率晶体管(GTR)(GTR)、功率晶体管、功率晶体管(P(P-MOSFET)MOSFET)、绝缘栅极电力晶体管、绝缘栅极电力晶体管(GBT)(GBT)等等 4控制和信息处理设备。这是整个装置的指挥中枢，控制和信息处理设备。这是整个装置的
9、指挥中枢，是核心是核心,由计算机实现。由计算机实现。可作为工程机电一体化系统实时控制器的微计算机种可作为工程机电一体化系统实时控制器的微计算机种类越来越多，如：单片机、单板机、台式机、类越来越多，如：单片机、单板机、台式机、PLC、嵌、嵌入式计算机、入式计算机、DSP等。等。设计和实现工程机电一体化系统，需要从以下几个设计和实现工程机电一体化系统，需要从以下几个指标来选择微型机：速度、字长、指令系统、输入指标来选择微型机：速度、字长、指令系统、输入/输输出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高可出控制方式及容量等等；在实际应用中，还要考虑高可靠性、可维护性、微型化、价格要求等等。靠性、可
10、维护性、微型化、价格要求等等。(5)执行局部。它根据信息处理局部的指令，来执行局部。它根据信息处理局部的指令，来完成规定的机械动作。完成规定的机械动作。包括电动执行机构、气动执行机构、液动执行机包括电动执行机构、气动执行机构、液动执行机构。各种伺服电机、步进电机、电磁阀、继电器。构。各种伺服电机、步进电机、电磁阀、继电器。气动执行机构如气缸、气阀、气动马达等。液动气动执行机构如气缸、气阀、气动马达等。液动执行机构如油缸、液压马达、摆动油缸等。执行机构如油缸、液压马达、摆动油缸等。(6)动力系统。是为产品提供能量与动力功能，动力系统。是为产品提供能量与动力功能，去驱动执行机构，使系统正常运行。来
11、源于电动、去驱动执行机构，使系统正常运行。来源于电动、液动、气动的动力装置。液动、气动的动力装置。可以把机电一体化系统与人比较，看作一个“人可以把机电一体化系统与人比较，看作一个“人：机械本体机械本体 人的躯体，支撑结构；人的躯体，支撑结构；传感器传感器 人的五官，能感知各种信号和信息；人的五官，能感知各种信号和信息；控制器控制器 人的大脑和神经系统；人的大脑和神经系统；执行器执行器 同人的四肢；同人的四肢；驱动系统驱动系统 人体的肌肉；人体的肌肉；动力系统动力系统 人要靠食物供给能量，机械电子人要靠食物供给能量，机械电子装置那么主要靠电能、液压、气动。装置那么主要靠电能、液压、气动。如图如图
12、1-1所示。所示。1.3 工程机电一体化的开展历史。在技术上大致可以分为三个时期：在技术上大致可以分为三个时期：人力，人力人力，人力+简单工具简单工具+外力，机械化，自动化。外力，机械化，自动化。智能化智能化 第一代产品：柴油机的出现，使工程机械有了第一代产品：柴油机的出现，使工程机械有了较理想的动力装置，执行驱动局部为柴油机是第较理想的动力装置，执行驱动局部为柴油机是第一代产品的标志。一代产品的标志。第二代产品：液压技术在工程机械的应用，使第二代产品：液压技术在工程机械的应用，使工程机械能满足复杂的作业要求，具有传动平稳工程机械能满足复杂的作业要求，具有传动平稳性、过载性、可控性、易实现无级
13、变速、操纵简性、过载性、可控性、易实现无级变速、操纵简单轻便单轻便。全面液压化为第二代产品的标志。全面液压化为第二代产品的标志。第三代产品第三代产品：电力电子技术及计算机技术在工程：电力电子技术及计算机技术在工程机械上的广泛应用，使工程机械向着高性能、自机械上的广泛应用，使工程机械向着高性能、自动化和智能化方向开展。动化和智能化方向开展。为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能，需要为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能，需要实现工程机械自动化、智能化；实现工程机械自动化、智能化；为了提高平安性，需要平安控制，进行运行状态为了提高平安性，需要平安控制，进行运行状态监视，故障自动报警；监视，故障自动报
14、警；为了防止人员无法及不易接近的场所和作业十分为了防止人员无法及不易接近的场所和作业十分恶劣的环境，需要采用远距离操纵和无人驾驶技恶劣的环境，需要采用远距离操纵和无人驾驶技术。如摊铺机自动找平控制，挖掘机节能控制、术。如摊铺机自动找平控制，挖掘机节能控制、全功率控制、轨迹控制、自动掘削控制等。全功率控制、轨迹控制、自动掘削控制等。自动化、智能化为第三代产品的标志。自动化、智能化为第三代产品的标志。1.4工程机电一体化技术的主要特征工程机电一体化技术的主要特征 主要特征主要特征 综合性和系统性 多层次，覆盖面广 智能化、大型化 机械电子化 高可靠性、高精度 1具有综合性和系统性：机电一体化技术是
15、由微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合性高技术。多种技术综合成一个完整的系统中，相互要求、取长补短、不断向系统化、复合集成化的方向开展。使机电一体化技术及产品更具有系统性、完整性和科学性。2多层次，覆盖面广：从简单的单台机电一体化产品，到现代工业中的柔性加工系统；从简单的单参数显示，到复杂的多参数、多级控制；从机械零部件自动生产线，到各种现代高速重型机械自动化生产线等，机电一体化技术都有不同层次、覆盖面很广的应用领域。3机械电子化：1增加微电子控制实现机械产品的多功能和高性能。2机械式机构被电子装置所取代。3充分考虑机电接口，互相融合形成新一代高性能产品机电一体化的开展过程
16、。4高可靠性、高稳定性、高寿命、高精度 产品中的机械部件减少，使磨损以及配合间隙等所引起的误差减小，采用了计算机及控制技术，使得控制精度及处理速度提高，通过自行诊断、校正、补偿实现高工作精度。因此，装置的寿命提高，故障率降低，提高了产品的可靠性 性能上向高精度、高效率、智能化的方向开展，功能上向巨型化、轻型化、多功能方向开展。第第2章章 工程机电系统工程机电系统产品产品的可靠性的可靠性 设计设计(6h)2.1工程机电系统可靠性的概念工程机电系统可靠性的概念 1余度：是指系统出现两个或两个以上的独立故障，余度：是指系统出现两个或两个以上的独立故障，才引起不希望的工作状态的设计方法。才引起不希望的工作状态的设计方法。(1)余度技术使用条件：余度技术使用条件：已无提高系统可靠性的其它已无提高系统可靠性的其它方法。方法。零、部件的改进本钱已高于使用余度技术。零、部件的改进本钱已高于使用余度技术。(2)余度采用的方式：余度采用的方式：采用两个或两个以上的部件，采用两个或两个以上的部件，分系统或通道，每个都能执行给定的功能；分系统或通道，每个都能执行给定的功能；采用监采用监控装置，它能检测故障，完
