毕业设计（论文）机电一体化产品概念设计理论研究与发展展望

1、郑州工业安全职业学院毕业论文（设计）题 目 机电一体化概念设计理论与发展展望 姓 名_ _系 别_机 电 工 程 系_专 业_机 电 一 体 化_年 级_08级_指导教师_2011年2月1日毕业论文（设计）成绩评定表学 生姓 名学生所在系机电工程系专业班级08级毕业论文（设计）课题名称机电一体化概念设计理论与发展展望指导教师评语（应包括选题是否恰当、是否理论联系实际、论点是否正确、论证是否充分、语言是否通顺、结构是否合理、行文是否规范）：成 绩：指导教师签名： 年 月 日系学术委员会意见（同意给优、良、及格、不及格等次）签名： 年 月 日目录摘要关键词正文第一章 机电一体化产品基本概要第一节

2、产品的基本概念第二节 机电一体化系统设计理论第二章 我国发展“机电一体化”面临的形势、任务、和对策 第一节 我国“机电一体化”工作面临的形势第二节 我国“机电一体化”工作的任务第三节 我国发展“机电一体化”的对策第三章 国内外“机电一体化技术”的现状和发展趋势第一节 机电一体化相关技术第二节 机电一体化技术特点第三节 机电一体化技术的发展状况第四节 我国技术的发展趋势第四章 机电一体化产品概念设计的国内外研究现状 第一节 国外研究现状第二节 国内研究现状第五章 机电一体化产品概念设计理论展望参考文献致谢 摘要：探讨了机电一体化产品概念设计理论与方法对产品创新设计的重要性，分析了国内外不同学科背

3、景的学者从不同角度进行研究的现状，国外学者以电子学及控制理论为研究出发点，建立了一些概念设计操作平台，国内学者以现代机构学为研究出发点，研究以运动执行功能为主功能的机电一体化产品概念设计，其设计理论与方法，更具有实用性，更有利于计算机辅助概念设计，并指出了机电一体化产品概念设计理论与方法的发展方向。关键词：机电一体化 概念设计 方案设计 功能前言第一章 机电一体化产品基本概要机电一体化发展至今已经成为一门自成一体的新型学科, 随着科学技术的不断发展, 必将被赋一予新的内容。但其基本特征可概括为机电一体化是从系统的观点出发, 综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、汁算机技术、信息技术、传感

4、测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术, 根据系统功能目标和优化组织目标, 合理配置与布局各功能单元, 在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值, 并使整个系统最终达到最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统, 就成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。第一节 产品的基本概念机电一体化又称机械电子学，英文称为mechatronics,它是由英文机械学mechanics 的前半部分与电子学electronics 的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本机械设计杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛

5、接受和普遍使用。1996年出版的webster大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着 “mechatronics”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。机电一体化信息科学机械学电子学图1- 1机电一体化与其它学科的关系那么，什么是机电一体化呢？机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。一般认为，机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展

6、过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。这里面包含了三重含义：首先，机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。图1-1 形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3c”技术：computer、communication和 control technology）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化

7、的含义，最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。换句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。现实生活中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用，

8、使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机工作部件（如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等。第二节 机电一体化系统设计理论系统的概念：具有特定功能的、相互之间具有有机联系的许多要素所构成的一个群体。这个定义说明：系统包括组成要素、要素之间的相互作用和系统整体的确定功能等三个方面，缺一不可。系统是一个有机的整体，整体性是系统最基本的特性。系统整体所获得的新的特性、新的功能是各组成要素在孤立状态时所没有的。任何物质系统都具有层次性，层次具有多样性。纵

9、向的母子系统，可构成垂直系统的层次；横向的同一层次中，又可构成各种平行的系统；纵横交错的网络系统，又可构成各种交叉层次系统的概念是相对的，以考察问题角度不同而异。某一系统可以由若干子系统组成，它又可以成为一个更高级系统的子系统。不论是宏观或是微观的问题，只要它具有相互关联的若干单元组合的性质，就可以而且应该从系统工程的角度来分析和研究它。 系统运行的规律系统运行有两个相悖的规律一是整体效应规律：系统各单元有机地组合成系统后，各单元功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进与提高，使系统整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。另一个相反的规律是系统内耗规律：由于各单元的差异性，

10、在组成系统后若对各单元的相互作用协调不当或约束不力，就会导致单元间的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现整体小于部分的和的情况。机电一体化系统设计理论与方法机械电子学产品系统是由若干个子系统或元件构成的集合体。为实现产品系统的主功能，系统、子系统（孙子系统）、元件（元素）采用那一种学科的技术作为手段，绝非刻板地规定，而是以实现产品系统主功能的需要，根据评定产品质量标准的要求去选择，并进行综合评价，找出最优的设计。第二章 我国发展“机电一体化”面临的形势、任务、和对策 机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统产业，其目的是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术

11、进步提高一步；二是开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代。第一节 我国“机电一体化”工作面临的形势我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品

12、功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此亟需发展。第二节 我国“机电一体化”工作的任务我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产

13、品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。第三节 我国发展“机电一体化”的对策1、加强统筹安排，协调发展计划目前，我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套自己的发展策略。建议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的基础上，制定出统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划，避免开发上重复，生产上撞车!以后会发展顺利和正确的发展机电一体化。2、强化行业管理，发挥“协会”作用目前，我国“机电一

14、体化”较热，而按目前的行业划分方法和管理体制，“政出多门”是难哆的。因此，我国有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构。国家政治体制改革和经济体制改革的精神，以及机电一体化行业特点，我们建议，尽快加强北京机电一体化协会的建设，赋予其行业管理职能。“协会”要进一步扩大领导机构理事会的代表层面和复盖面，要加强办公室、秘书处的建设；要通过其精明干练的办事机构、经济实体，组织“行业”发展计划、战略规划的拟制；指导行业布点布局的调整，进行发展突破口的选择，抓好重点工程的试点和有关项目的发展。3 优化发展环境、增大支持力度 优化发展环境指通过宣传群众，造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电一体化”

15、发展的氛围，如尽快为外商到我国投资发展“机电一体化”产业提供方便；尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯；尽力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。 增大支持力度，在技术政策上，要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的发展，对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰；大力提倡用机电一体化技术对传统产业进行改造，对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造，对有关技术开发、应用项目优先立项、优先支持，对在技术开发、应用中做出贡献的单位领导、科技人员进行表彰奖励等。4 突出发展重点，兼顾“两个层次”机电一体化产业复盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体

16、化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙，而应分清主次，大胆取舍，有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子(计算机)装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品起码正做到机电一体化。第三章 国内外“机电一体化技术”的现状和发展趋势现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的

17、迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入以“机电一体化”为特征的发展阶段。第一节 机电一体化相关技术所谓机电一体化技术，又称为机械电子技术，是把机械技术、电子技术和信息技术功能和空间的各组成部分结合为一体且相互协调和共同作用，使现有的机器和组合体得到更好改善或者甚至实现了全新的功能。这项技术是由20世纪70年代日本学者首先提出的。当时的科学技术飞速发展，汽车技术、航空技术、医学技术、机器人制造技术和生产技术以及其他的革新性产品的制造越来越多的体现了自动化技术和信息技术的可能性和潜

18、能，这就为机电一体化技术的形成创造了条件。经过30多年的发展，机电一体化技术日益成为世界各国科技普遍重视的一项高新技术，而机电一体化产品也从最初的机械+电子的机械电子化、机械+微机的机械电脑化进而发展到当前的光、机、机械智能化和机械化。第二节 机电一体化技术特点使用安全性和可靠性提高。工程机械机电一体化产品一般都是具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。生产能力和工作质量提高。工程机械机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及

19、范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。同时，由于工程机械机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。使用性能改善。工程机械机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。工程机械机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的工程机械机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随即自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。具有复合功能

20、并且适用面广。工程机械机电一体化产品跳出了机械机电一体化产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。工程机械机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。调整和维护方便。工程机械机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到工程机械机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。对于具有存储功能的工程机械机电一体化产品，可以事先存入

21、若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。机电一体化产品的自动化检验和自动监事功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。第三节 机电一体化技术的发展状况1国外发展现状自从20世纪70年代机电一体化技术诞生并在世界范围内得到广泛承认以来，机电一体化技术和产品得到了极大发展，各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。随着科技的发展，信息技术、数据库、光电技术、通信技术相继被引入机电一体化技术中，机电一体化技术应用范围越来越广泛。机器可像机器人系统那样遥控和虚拟现实，多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机

22、电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用，有的在性能上更是多用途的，尤其是微传感器和执行器技术的发展，和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合，开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟，但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展基础和逐渐形成完整的科学体系。之后，机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展，在21世纪开端的近十年里，机电一体化技术已经涉及人类生活的各个角落。2国内发展现状我国机电一体化技术起步相对较晚，但是其发展

23、进程也与世界各国一样，经历过准备时期、起步时期和发展时期。自从1984年以来曾多次召开过全国性微电子技术改造机械设备会议，大力开展机电一体化技术推广工作开始，我国正式开展机电一体化技术。21世纪初期，国内仍处于工业化进程中，机电一体化技术的应用和发展既有巨大的市场需求，又是我国机械工业加快增长方式转变、实现健康发展的客观需要，是形势所需。在此大背景下，机械工业将有望长期保持持续较快的发展势头。快速增长的机械产品市场为以自动化、智能化为特征的机电一体化技术的应用和发展提供了快速增长的市场机遇、技术升级的发展机遇、中外合作创新的机遇和推进企业信息化的机遇。3当前我国机电一体化技术的主要发展领域机电

24、一体化的应用范围正越来越广，几乎涉及无所不包的社会领域。现已有种类繁多的机电一体化产品与系统，例如锻压、铸造、轻工、纺织、冶金、印刷、通讯、办公、起重运输等所用的机械，机床，机器人量仪，量具、仪表，低压电器，焊接设备，电机传动装置电站控制系统信息装置，军事装备以及医疗器械家用电器等。第四节 我国技术的发展趋势机电一体化技术发展动向，将朝着一下几个方向发展：1智能化机电一体化的技术进步现在其产品的智能上；智能化是机电一体化技术与传统机械自动化技术的主要区别之一，也是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。2高性能化高性能化一般包含高速、高精度、高效率、高可能性；新一代cnc系统就是以此“四高”为满

25、足生产而诞生的。它采用多种cpu结构，以多总线连接、进行高速数据传递，采用精简指令集机器、故障诊断、自动检错、纠错、系统自动恢等技术保证机电一体化产品具有高性能。3网络化基于网络的各种远程控制和监事技术方兴未艾；而远程控制终端设备本身就是机电一体化产品，因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。4微型化微型机电一体化产品向微米、纳米级发展。体积小、耗能小、运动灵活、在生物医疗、军事、信息等方面具有不可笔=比拟的优越性，是近年来乃至未来十大关键技术之一。5系统性系统化的表现特征之一就是体系结构进一步采用开放式和模拟式的总线结构，系统可以灵活纵态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多予系统协调控制

26、和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强；一般除rs232外，还有rs485、dcs人格化。机电一体化的人格化有两层含义，一层是产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、思想显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化；另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。第四章 机电一体化产品概念设计的国内外研究现状第一节国外研究现状机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲. 主要研究机构有: 德国darm stadt 大学, 英国l ancaster 大学工程设计中心, 荷兰tw en te 大学, 比利时l euven 大学, 挪威科技大学, 丹麦技术大学和

27、芬兰v tt 研究中心等. 另外, 在美国, 与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在m it 大学, carnegie m ellon 大学, m ich igan 大学和standfo rd 大学. 在日本, 东京大学的yo sh ikaw a 和tom iyam a 两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设计.德国darm stadt 大学的r. iserrm ann, h. j. herpel, m. held,m. glesner 10 等人, 对机电一体化产品设计进行了较深入的研究. 他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上. 提出了机电一体化系

28、统的能量流和信息流模型, 并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次. 从他们的观点来看, 机电一体化的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的. 而控制系统设计是机电一体化的主体. 因此在他们的设计中, 较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性, 也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题. 该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质 14 .德国heinz n ixdo rf 大学的ju rgen gau sem eier, m art in f lath, stefan moh ringer 15, 16 等人

29、于2001年构建了机电一体化系统开发的v 型模型, 指出在概念设计的早期阶段, 需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识, 给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法, 即用半规则式说明语言进行功能原理建模. 将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中.在法国psa 所进行的espr it olm eco (open l ib rary fo r models of m echat ron icscomponen t s 机电一体化组成元件的模型的开放库) 研究项目, 取得了阶段性成功. 该项目的核心是一个包含了机电一体化系统中各个学科的模型所组成的模型库. 他们

30、把机电一体化的基本功能元件, 或者一些已在实践中得到应用的系统作为基本单元存入模型库. 这个模型库能够为工程设计人员提供正确、有效的、可重用的模型单元. 在机电一体化设计中可随时从库中调用这些基本元件或系统, 从而提高了设计效率和准确性, 并且在一定程度上降低了设计的难度. 该项目虽然取得了一定的进展, 但就模型库而言, 其存储的是以前得到的、被实践检验的机电一体化产品的组成元件模型, 仅对机电一体化数据库的存储和查找进行产品的概念设计, 与智能化概念设计还存在相当的距离, 其设计方案缺乏创新性. 并且由于缺少机电一体化概念设计理论的支持, 该系统并不理想.虽然美国a nalogy 公司声称其

31、开发的saber 软件是支持机电一体化系统设计的智能化概念设计软件, 但其实质至多是一个机电一体化仿真软件. 它只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能, 而不具备产生方案的功能. 就其建模功能来讲, 也基本上集中在信息系统或控制系统领域, 目前还没有看到其能够用于机械装置的建模仿真的例子. 第二节国内研究现状目前, 国内一些研究单位, 如浙江大学 17 、华中科技大学 18 等单位, 在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究, 但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究. 上海交通大学从1996 年开始, 对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入

32、的研究, 并取得了初步的研究成果.从现代机构的角度出发, 将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统, 称为“三子系统论”, 并由此建立机电一体化系统概念设计的框架体系, 有利于机电一体化产品的创新设计. 以实现运动功能为主功能的一大类机电一体化产品(如电脑型多功能缝纫机等)为研究对象, 对机电一体化产品概念设计的核心问题广义执行机构子系统的概念设计进行了系统研究,提出了由总功能进行基本工艺动作过程的构思; 由基本工艺动作过程, 实现动作分解, 得到独立的执行动作; 确定各执行动作的创新机构及其机构系统的组合的框架模型, 即归纳为: p rocess (工艺

33、) 2a ct ion(动作) 2m echan ism (机构) 的pam 功能求解模型. 该模型能将概念设计与机构及其系统设计很好地结合起来, 更具有可操作性, 更易于实现创新设计, 更利于计算机辅助概念设计的实现.由于机电一体化系统是一个复杂的动态系统, 只有在了解了其动态性能的基础上才能进行恰当的评价, 因此机电一体化产品的建模与仿真问题显得更为重要. 概念设计阶段仿真的目的是检验系统是否能够完成给定的功能, 以及实现功能所附带的约束条件. 文献 20, 21 通过分析比较目前通用的各种建模技术(如键合图、方框图、信号流图、原理图等) 及各种仿真软件的优缺点, 采用sim u link 仿真软件构造了一个面向功能模块建模方法的, 表达机电一体化产品中广义执行机构的概念设计的系统仿真平台. 这一平台的构建, 为机电一体化产品概念设计的整体仿真平台的建立奠定了基础.第五章 机电一体化产品概念设计理论展望机电一体化产品概念设计理论与方