解析機電一體化技術在挖掘機中的應用

　　1 普遍採用電子節能技術的大中型液壓挖掘機

美國市場在發動機排放上的要求非常嚴格，要求符合Tire 3標準的發動機才能在其國內市場上銷售。所以進入美國市場的挖掘機多數都採用了高排放標準的發動機，尤其是中大型挖掘機，電噴發動機已經成為標準配置，該種發動機無論在可控性還是節能方面都較機械式發動機有很大的改善。

　　2 採用自動怠速功能的小型液壓挖掘機

對比上面所提到的大中型液壓挖掘機普遍採用電噴發動機的現狀，由於成本問題，在10噸以下的小型挖掘機上，機械發動機還是被廣泛採用;因此，在其節能方面，國外的挖掘機公司採用了不同的技術。

JCB小型挖掘機上採用的一種電控的油門執行機構，驅動器採用了一種液壓缸，在結構上採用角度傳感器實時反饋油門的位置，另外配合連接到液壓缸上的一個電磁閥實現電子油門及自動怠速功能。

NewHolland小挖的自動怠速系統，其油門仍採用機械拉桿(軟軸)的形式，只是設計了一個自動怠速結構，當系統監測到需要自動怠速的時候，電磁鐵吸合，機構動作，發動機回到怠速狀態。

　　3 採用電液比例控制技術的液壓挖掘機

該類型產品是指在普通的液壓先導式操作挖掘機的基礎上，採用電液比例技術控制挖掘機，相應的運用電比例手柄取代液壓先導手柄。其基本原理是採集電手柄的動作信號，利用控制器進行運算，輸出相應的PWM值控制比例閥。結合佈置於機器上的傳感器，還可以實現某些自動或者半自動功能。現場展出的比較典型的電控挖掘機有：

(1)Leica公司研發的挖掘機工作平台，該平台是Leica公司為演示其電控挖掘機控制技術專門定製的，既採用電液比例技術，同時具有輔助挖掘操作裝置，通過安裝在平台上的顯示屏及工作裝置上的傾角傳感器，可以實時的顯示剷鬥的軌跡。

(2)山河智能的SWEL55型挖掘裝載機，該機型不同與平常的兩頭忙，其工作裝置位於一端，從挖掘機切換成裝載機時，只需將工作裝置摺疊即可完成，反之亦然。為了便於工作裝置的模式轉換，該機器採用了全電控技術，通過控制器可以輕鬆完成模式的轉換及電手柄在不同模式下的不同功能。

(3)Doosan的主從式挖掘機，控制原理為：屬於一種主從方式的控制形式，通過手指，手腕，大臂對應控制剷鬥，鬥杆與動臂;小臂的左右偏轉來控制挖掘機的迴轉。在操作過程中，當操作者(主控制方)的相應關節動作後，計算機採集到該信號，並與安裝在挖掘機(從控制方)上的角度傳感器的信號進行比較，如果存在偏差;發出遙控信號控制挖掘機消除偏差，從而達到控制挖掘機的目的。其原理還是點到點控制，因此，在同步性上存在誤差。

(4)採用Husco技術的液壓挖掘機，其工作原理為：動臂和迴轉仍採用常用的液壓先導式主閥，在系統中裝有能量回收機構，回收動臂下降的能量，並儲存起來，供給其他的工作裝置;鬥杆與剷鬥採用特殊的電控閥，而且該閥分別佈置在靠近工作裝置液壓缸的位置，而不是傳統的所有主閥佈置在一起的方式，該電控閥由四個插裝閥構成，對閥的A口和B口分別進行控制;而不同於常用的單閥芯的形式;具研究者聲稱：採用該項技術後，挖掘機可以節能25%。

　　4 應用於液壓挖掘機上的各種監控技術

為了方便操作手查看機器的重要參數，實時的瞭解整機的狀態;儀表技術已經廣泛的應用到液壓挖掘機中，只是出於成本的考慮，不同噸位的挖掘機採用不同層次的儀表。一般説來，10噸以下的小型履帶式挖掘機多采用機械式儀表或者黑白液晶顯示屏。

在挖掘機上，尤其是20噸以上的挖掘機，高品質液晶彩色顯示屏的採用，在國內外都得到廣泛的認可。現以展會現場兩款比較精美的儀表加以分析：Trimble公司為挖掘機開發的CB430型儀表，Komastu中挖儀表。其中Trimble以動畫的形式實時顯示挖掘機的運動軌跡，並提供座標。顯示屏的按鈕可以提供視角的切換。Komastu的儀表界面分為兩部分：一部分顯示整機的工作參數，另外還可以單屏和雙屏的形式顯示車體尾部安裝的攝像頭採集到的圖像。兩套操作儀表整體效果好，顯示/監控系統界面直觀，簡潔;標識準確，易懂，便於進行操作。在儀表方面，國內廠家都均已採用;但國外產品儀表的高品質性，值得國內的挖掘機生產廠家學習。

　　5 GPS技術在液壓挖掘機上的應用

　　(1)用於遠程維護、信息管理的GPS技術。

該類技術的定位精度不高，一般為米級。主要利用GPS控制器採集遠程維護所需的信號上傳到服務器中，通過Internet可以查看機器的狀態(通過採集傳感器信息)，歷史工作記錄等。現場JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等紛紛展出自己的該項技術，其中JohnDeere更是可以現場操作，如圖16所示。Hitachi展出了其GPS系統的構成，如圖17所示。國內很多的工程機械主機廠家也採用了該項技術，但是目前多數廠家的GPS系統不夠強大，需進一步完善。

　　(2)高精度GPS系統的應用。

該系統利用GPS差分技術，結合激光、全站儀、超聲波及多傳感器技術，通過軟件界面的設計，可以在系統的虛擬儀表中提供施工工地的三維圖形、機器的三維座標等信息;而且精度可以達到釐米級。該項技術在大型的施工現場，尤其是多種機型的工程機械進行集羣作業時;能夠顯示其優勢，有利於施工管理方進行有序調度，提高集羣的工作效率。

縱觀近三年來的三次展會，在該技術方面，做的比較領先的幾家企業分別為：Trimble、Topcon及Leica。這三家企業除了自己的展位之外，還專門佈置了具有相當規模的產品應用展示區，所展示的產品無論從數量還是品種都遠多於上兩次展會。其中Trimble的用户主要為：CAT、Komastu，Topcon;的主要用户為：CAT、JohnDeere及Volvo;Leica的用户主要為：JohnDeere。產品類型包括挖掘機、兩頭忙、推土機、平地機、壓路機和農業機械等。如此多產品的展出，也顯示了美國市場對於該項技術有着廣泛的運用，而因成本及市場需求原因，該項技術在國內還處於實驗室階段。

　　6 具有輔助挖掘系統的液壓挖掘機

為提高作業效率，近幾年來，輔助操作系統逐步得到各主機廠的'重視。在展會現場也展出了相關的產品。嚴格來説，高精度GPS技術的運用也屬於輔助操作的範疇，因上面已經敍述，在此不加展開，僅對單機的輔助挖掘系統進行敍述。現舉幾個例子加以説明：CAT公司的挖掘機採用Trimble開發的挖掘機輔助系統，Prolec公司開發的挖掘機輔助挖掘系統;JohnDeere 60D型挖掘機採用了Leica公司開發的整套輔助挖掘系統。該套系統的基本工作原理類似，主要利用安裝在挖掘機工作裝置上的角度或者傾角傳感器，實時檢測挖掘機的工作狀態;利用系統中的儀表顯示工作裝置的軌跡及剷鬥末端的座標。在進行精細作業時，可以在儀表中輸入要完成的工作面的形狀，操作者可以按照提示進行工作，直到完成預定的形狀。尤其是在挖掘複雜形狀的工作面和平整作業中，該系統可以提高工作效率和精度。如果配合激光技術，還可以利用安裝在鬥杆上的紅外接收裝置，挖掘規定深度的基坑，提高精度的同時，節約了人工成本。 　　以上在挖掘機中有關機電一體化的應用，是筆者在此次展會上所看到的一角。

縱觀此次展會，並通過與前兩次展會的比較，不難發現：更多廠家展示了其挖掘機電控技術，尤其是不少廠家推出了成熟的具有電控功能的產品，顯示了國外很多廠商對於該技術的重視程度，也體現了機電一體化技術在美國市場已得到充分的認可，並且今後將會有更大的發展。而在該領域，國內的一些大學、工程機械生產廠家和研究院所已經充分認識到其重要性，但多數停留在實驗室階段;因此，在其成熟性、可靠性和市場化的發展道路上，還需要有很長的一段路要走。