對機器人充滿幻想的朋友或許都見過波士頓動力(Boston Dynamics)雙足機器人縱身「後空翻」的視頻。其動作之流暢、全身之協調令觀眾無不讚嘆,之後推出的Spot電動機器狗更是引起全球創業公司效仿,在國內也出現了諸如蔚藍科技、宇樹科技之類的後起之秀。
不過,相比較於目前已經進入商業市場的「機器狗們」,Atlas人形雙足機器人以及其它大型機器人遲遲沒有商業化的跡象。這一方面是波士頓動力有將其作為技術驗證平臺的考量,另一方面,液壓器和大功率引擎帶來的噪聲、高價格、低效率也使得普通消費者對其望而卻步。
雖然如今機器人「全電化」的趨勢令以傳統大型工程機械為代表的「內燃機」+「液壓」的組合看起來稍顯笨重。但實事求是的講,想要實現機器人的「大型化」和強動力,上述的配置目前來看仍然是繞不過去的路徑。並且,隨著數字液壓等改良技術的湧現,印象中的「猛張飛」也能縫「繡花針」。
「億美博」與三一重工的聯動
在國內,三一重工一直是工程機械的龍頭企業,而近些年,其也在積極加速「數字三一、智造未來」戰略推進。去年7月4日,三一集團首臺數字液壓起重機在三一重工寧鄉產業園下線,國內數字液壓領域的佼佼者億美博科技正是該款起重機迴轉系統的數字液壓技術供應商。
經過初步測試,億美博數字液壓技術應用於起重機後,使起重機迴轉最低穩定速度優於0.1 度/秒,最高角解析度優於0.1 度,大幅改善了微動性指標。
在後半段的測試實驗中,數位化迴轉在現有性能改善基礎上結合手柄操作及油門控制習慣等,在保證響應特性的基礎上,將平穩性指標繼續提升,進而實現網絡化、無人化、多機協調作業、大數據智能化提升。
另外,在此前的技術展示中,三一智造控制所副所長李俊飛曾介紹了三一旋挖鑽機採用數字液壓對上裝迴轉進行升級後,旋挖鑽機由於迴轉精度的大幅提升,為提升作業效率、降低勞動強度、減少設備和材料損耗、避免作業事故等提供了基礎保障。
李俊飛說:數字液壓不僅提升了旋挖鑽機的重要技術指標,還給下一步產品的智能化、無人化作業搭建了新的平臺,讓三一的工程機械總體水平有了「換道超車」的機會。
億美博科技總經理楊濤補充道,「數字液壓馬達用於上裝迴轉控制後,不僅為產品的技術升級帶來了巨大好處,同時由於數字液壓與電腦及網絡接口的便利性,軟體工程師僅僅用半天時間就完成了對機械的改裝,任何人都可用一部手機輕而易舉的操控幾十噸重的大型設備。」
根據億美博科技的官方介紹,自上世紀70年代末,億美博科技創始人楊世祥教授即對數字液壓技術進行了深入研究,並於80年代初的鋼鐵年會上發表了中國國內首篇關於數字液壓的研究論文,1989年第一代數字液壓缸即應用於國防重點項目上。
總的來說目前被稱為數字液壓的技術分為:閥控式和一體式兩大類,而以閥控式數字液壓種類繁多,其中又包括細分種類繁多的:高速開關式、PWM、增量式等細分大類,而近些年,隨著國外研究機構對類似數字電子技術的1、2、4、8、……加權排列組合形式的數字液壓研究。
而億美博沿襲的是一體式數字液壓技術的研究和推廣。簡單說一體式數字液壓是將閥、缸、反饋與驅動控制巧妙的組合為一個整體,對外體現為一個獨立的器件,用戶無需關心其內部構成與特性,因此在眾多數字液壓技術分類中,應用案例多,實現的技術水平高,同時也是數字液壓群體中成熟度高的產品。
從傳統液壓到「數字液壓」
雖然液壓技術的基礎和發展可以追溯到17世紀,但真正開始快速發展和應用是在100年前。電液伺服控制技術的發展始於20世紀,其基礎是控制理論及其工程實踐的不斷完善。
此後,在微電子技術的支持下,液壓控制單元變得能夠與微處理器、電子功率放大器和傳感器融為一體。所以,液壓控制單元的動態控制精度、智能化、可靠性和魯棒性都得到了提高。當工業進入21世紀後,巨大的人力和能源成本迫使工業向節能和智能化方向發展。
然而,液壓元件的高成本並不符合工業發展的方向。統計表明,一個液壓傳動元件的成本是到40-80磅/公斤,是機械傳動元件的3倍以上。
另外,能源效率低也是制約液壓技術進一步應用和發展的關鍵因素。一般情況下,液壓泵或馬達的輸出功率有一半以上散失在節流或溢流中。以挖掘機液壓系統為例,高達80%的能量耗散發生在此類液壓系統中。
因此,可以說,液壓技術要想從激烈的市場競爭中生存下來,高能效、低成本將是其發展的必然方向。而數位化液壓技術正為實現這一目的提供了一條可行的途徑。
數字液壓的原理是液壓執行器件(缸、馬達)的運動特性與電脈衝一一對應,電脈衝的頻率對應油缸的運動速度(油馬達角速度),電脈衝的數量對應油缸的運動行程(油馬達角度),負載、油壓、溫度、甚至是內外洩漏等變化時,精度依然可以保證。從中可以看出,其與閥控液壓數位化在性能上有本質的區別。
同時,作為伺服液壓的一種特殊形式,數字液壓所具有的優點與伺服液壓相同(高精度、高頻響等),而現有伺服液壓的不足點,包括控制參數的不確定性、抗汙染能力弱、製造困難等,影響伺服液壓穩定可靠工作的諸多不足被數字液壓的特殊結構所解決。
根據億美博科技的觀點,目前行業中稱之為「數字液壓」的技術形式有不少,簡單歸納為以下幾種:
控制方式數位化:主要指利用高速開關閥通過開關佔空比不同(PWM,Pulse Width Modulation),實現在單位時間內的流量調節。但由於運動慣量會嚴重影響特性,只能實現很小流量的調節,限制了技術的發展空間;
流道通徑數位化:通過1、2、4、8......可多達128個閥成平方倍(PCM,Pulse Code Modulation)通徑關係的開關閥組合,希望實現流量的數位化調節。這種技術在學術研究領域較多,不僅沒有使其擺脫原本液壓固有的難題,反而其龐大的體積和重量、複雜的結構等,使其沒有了實用價值;
無論以上兩種或是其它類似方式的數位化,其根本目的都是希望用最簡單可靠的方式實現液壓執行器件的方向、速度、位移的精確控制,簡化液壓使用難度。而僅完成了控制的數位化,或流道通徑的數位化,由於負載、系統壓力、油液流動性等諸多因素的不確定,依然無法保證最終液壓執行器件的速度穩定,更無法控制其位移量,依然需要藉助其它檢測、控制手段來實現液壓執行器件的控制調節,本質上與複雜的伺服閥控系統無差別。
特性數位化:無論何種方式的數位化,其根本目的都是希望用最簡單可靠的方式實現液壓執行器件的方向、速度、位移的精確控制,簡化液壓使用難度。億美博所定義的數字液壓是液壓執行器件(缸、馬達)運動特性的數位化,即:電脈衝的頻率對應液壓執行器的速度、電脈衝的數量對應執行器的位移。負載、系統壓力、流體特性、甚至是外洩內洩等的變化,均不影響液壓執行器的需求特性,這樣的技術被億美博定義為數字液壓技術。
經過幾十年的研究,數字液壓元件已經形成了一系列功能齊全、種類繁多的產品。部分產品已在航空航天、工程機械、船舶工業等行業得到應用,其技術已日趨成熟。但是,在液壓系統高速、高壓、高功率重量比的發展趨勢下,液壓系統的流量較低、允許壓力較低、系統分散嚴重等問題也越來越突出。為了解決這類問題,研究人員也投入了大量的精力對現有的數字液壓產品進行優化。一些研究成果不僅在工程中得到了應用,而且還演變成了數字液壓技術的一些發展方向。
工程機械的「智能化」換裝
一直以來,業內人士普遍稱2018年是中國工程機械智能化元年,其原因就在於夏工、三一、徐工、中聯、柳工、山推等領頭企業,紛紛在2018年的上海寶馬展上亮相出一系列無人駕駛工程機械。
而行業格局的變動也在於國內企業「跟隨戰略」的成功。多年前,卡特彼勒、小松、沃爾沃等就開始布局,提出Smart Construction的全新理念。2017年,卡特彼勒正式向市場推出智能輔助挖掘機,一時間引爆工程機械行業。
據中國工程機械工業協會數據統計,2019年全年納入統計的25家主機製造企業,共計銷售各類挖掘機械產品235,693臺(含出口),較2018年增加32,273臺,同比漲幅15.9%。這一銷量也創下了歷史新高。
以工程機械行業龍頭為例,2019年三一重工歸母淨利潤為112.07億元,同比增長88.23%;2019年中聯重科歸母淨利潤為43.71億元,同比增長116.42%;2019年徐工機械歸母淨利潤為36.21億元,同比增長76.89%。
根據《中國工程機械工業年鑑》數據顯示,我國工程機械行業2017年迎來了新的高速增長,全行業實現營業收入5,403億元,同比增長70%以上。2018年全行業實現營業收入5,964億元,同比增長10.4%。2019年中國工程機械銷售收入達6,600億人民幣,並有9家中國工程機械企業躋身全球工程機械製造商50強。而全球範圍內這一市場規模將高達7,000億美元。
工程機械的智能化和機器人化,無疑會帶來巨大的好處。大數據預測性維護、目標需求驅動多機種協同作業、機器視覺(辨識)、環境感知、多傳感器融合、無人駕駛、多機協同、自主作業、弱人工智慧、強人工智慧……都將會融入工程機械未來發展的進程中。
從這個角度看,工程機械的數位化、智能化直至機器人化邁進,被看作是對競爭對手(傳統工程機械)的降維打擊。恰如億美博科技總經理楊濤所說:「工程機械的數位化全面實施後,一群無人全數位化、智能化的工程機械其實就是真正的機器人,而工程機械從笨拙升級為工程機器人,靈巧、智能且強壯高效,就是最好的換道超車!」