机电液一体化

机电液一体化简述

叶葱葱

摘要：随着科学技术的高速发展，机电液控制技术在各个行业得到了广泛的应用。制造业中的电液控制的机械手、高精度加工的自动化加工中心等；工程及车辆中，机液伺服转向机构；军事工业中，飞机的操纵系统、雷达跟踪和舰船的舵机装置等。由于自动控制理论、液压传动技术、微电子及计算机技术的相互融合，机电液一体化技术正在蓬勃发展。

关键字：机电液，伺服机构

1、发展趋势

机电液一体化技术的发展，弥补了三者单独控制的缺陷，提高的工作质量和工作的舒适性、节约能源，提高效率、改善操纵性能，操纵省力简单、提高安全性和可靠性、可实现无人操纵和远距离操纵。鉴于这些优点，机电液一体化发展迅速，其发展方向也很明确。

1.1 、高压化液压系统

工程机械液压系统的特点就是输出的力矩和功率大，而这依赖于高压系统。随着大型、特大型工程机械和矿山机械的出现，继续向高压发展是液压系统发展的一个趋势。但是，从人机安全和系统元件寿命等角度来考虑，液压系统工作压力的增高受很多因素的制约。如液压系统压力的升高，增加了工作人员和机体

的安全风险系数；高压下的腐蚀物质或颗粒物质将在系统内造成更严重的磨损；压力增大是泄漏增加，从而使系统的容积校率降低；零部件的强度和壁厚势必会因为高压而增加，致使元件机体、重量增大或者工作面积和排量减小，在给定负载下，工作压力过高导致的排量和工作面积减小将致使液压机械的共振频率下降，给控制带来困难。

1.2、微处理器和传感器的使用

根据实际施工的需要，工程机械向着多功能化和智能化方向发展，这就使工程机械有很强的数据处理能力和精度很高“感知”能力。使用高速微处理器、敏感元件和传感器不只是能满足多功能和智能化要求，还可以提高整机的动态性能，缩短响应时间，使工程机械面对急剧变化的负载能快速做出动作反应。先进的激光传感器、超声波传感器、语音传感器等高精度传感器可提高机器的机器人化程度，便于整机的柔性控制。另外，数据通讯将采用已在汽车上广泛使用的CAN-BUS通讯方式，降低电信号在传输中的衰减和失真，提高控制精度。

1.3、节能增效

能源危机使全球面临的共同难题，因此工程机械设计也必须考虑节能的需要。使用电喷发动机，对燃油和功率进行自动控制是节能的一条有效的途径，这也是保护环境的必然要求。另外，液压驱动系统位大功率作业提供了保证，但是液压系统由节流损失和容积损失，整体效率不高。因此新型材料的研制和零部件装配工艺的提高也是提高工程机械工作效率的必然要求。

1.4、软件助力

先进的微处理器、通讯介质和传感器必须依赖于功能强大的软件才能发挥作用，软件是各组成部分进行对话的语言。现在，各种基于汇编语言或高级语言的

软件开发平台不断涌现，为开发工程机械控制软件程序提供了更多、更好的选择。同时，软件开发中的控制算法也日趋重要，可用专家系统建立合理的控制算法，PID 和模糊控制等各种控制算法的综合控制算法将会得到更完美的应用。

1.5、机群协作

随着用户对施工质量和施工进度要求的提高，智能化机群的协同作业作为国家“863”项目之一进行重点研究。如拌合站、搅拌运输车、沥青混凝土摊铺机、沥青混凝土转运车、压路机等黑色路面的机群施工。机群的协同作业是智能化的单机、现代化的通讯设备、GPS 、遥控设备和合理的施工工艺相结合的产物。这一领域也为机电液一体化在工程机械上的应用提供了广阔的发展空间。

1.6、ER 流体技术

ER 流体（电流变流体）在自由状态下为可自由流动的混悬液体，一旦处在电场作用下，它会迅速固化，根据电场强弱程度分别显现粘稠、胶凝和坚硬的状态，且固化度与场强成正比。这种特性使它能理想地运用于液压系统和机械系统的阀、阻尼器及动力传输装置等。他对电信号响应极快，实在不到1ms 的时间内实现状态变化。它采用PWM 控制，可降低能耗，简化设计，延长寿命。电流变流体技术代表了液压技术发展的未来。

2、原理简述

2.1、系统组成

不管是简单还是复杂的机电液系统，都可以抽象成是由一些基本元件组成的，见下图。

液压源

控制对象

检测反馈

放大转换元件 液压执行 元件 比较元件 +

-

输入

元件

输入元件，也称指令元件，其给定信号加入系统的输入端。

比较元件，将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。比较元件有时并不单独存在，而是有几类元件有机组合，实现比较功能。

放大转换元件，将比较后的偏差信号进行放大并进行能量形式的转换。其前置输入级可以是机械的、电磁的、液压的、气动的或者它们的组合形式，但功率输出级是液压的。

液压执行元件，按指令规律进行运动，驱动控制对象做功。在液压伺服系统中，执行元件是液压缸或者液压马达。

控制对象，即系统的负载。

检测反馈元件，检测被控制量，产生反馈信号，与输入信号共同作用与系统。

2.2、工作原理

液压伺服控制系统工作原理一般描述如下：输入元件向系统输入一个正的指令信号，与同时检测系统输出并反作用于输入端的负反馈信号进行比较，比较后的偏差信号经放大转换元件的放大转换，变成较大功率的液压信号（压力、流量），驱动液压执行元件，并带动负载运动。

3、实例分析

下图为轮式车辆液压助力转向控制系统。

1、操纵方向盘；

2、丝杆；

3、反馈机构；

4、机液伺服阀；

5、转向液压助力缸；

6、转向梯形机构；

7、转向节臂；

8、纵拉杆；

9、摇臂；10、扇形齿轮

转向控制系统主要包括转向器、控制阀、液压缸、转向梯形机构、反馈机构等几部分，车辆转向时，操纵方向盘，使转动θ1角度，通过锥齿轮变换，使丝杆2沿反馈机构3中的丝母产生轴向移动，同时，与丝杆相连的机液伺服阀4的阀