机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望

1、PAGE 摘 要要探讨了机机电一体体化产品品概念设设计理论论与方法法对产品品创新设设计的重重要性。分析了了机电一一体化产产品概念念设计理理论的国国内外研研究现状状与不足足之处。国外学学者以电电子学及及控制理理论为研研究出发发点,建立了了一些概概念设计计操作平平台。国国内学者者以现代代机构学学为研究究出发点点,研究以以运动执执行功能能为主功功能的机机电一体体化产品品概念设设计,其设计计理论与与方法,更具有有实用性性,更有利利于计算算机辅助助概念设设计。最最后指出出了机电电一体化化产品概概念设计计理论与与方法的的发展方方向。自自19771年日日本学者者首次提提出机电电一体化化(Meechaatro

2、oniccs)这这一概念念以来,机电一一体化经经历了三三十多年年的发展展,其内涵涵随科技技的发展展不断更更新,不断丰丰富。特特别是人人类进入入21 世纪以以来,面对市市场竞争争日趋激激烈,消费观观念不断断变化,人们对对机电一一体化产产品的输输出柔性性、工作作性能及及可靠性性等方面面提出了了越来越越高的要要求。而而相关学学科,如AI 技术、计算机机技术、传感技技术、网网络技术术、信息息技术等等的发展展,为机电电一体化化系统开开辟了更更加广阔阔的应用用前景。尤其是是微电子子、信息息、新材材料及集集成技术术的发展展,使产品品结构发发生了革革命性的的变化。随着信信息、传传感等技技术与传传统机械械产品的

3、的融合,传统机机械产品品正向着着智能化化、网络络化、模模块化、柔性化化、微型型化、自自动化等等机电一一体化新新阶段迈迈进。机机电一体体化技术术已成为为一门新新兴的交交叉学科科术,它涉及及到机械械制造技技术、信信息处理理技术、传感器器技术、伺服驱驱动技术术、接口口技术、自动控控制技术术等关键键技术。技术的的更新,带动机机电一体体化产品品向更高高层次方方向发展展,以满足足人们不不断丰富富和发展展的物质质、文化化和精神神上的需需求。机机电一体体化技在在21 世纪机机械产品品的设计计和开发发中将发发挥重要要的作用用。机电电一体化化产品是是机电一一体化技技术的载载体和体体现者,通过机机电一体体化产品品来

4、实现现和反映映当今的的机电一一体化技技术的发发展水平平。因此此,作为机机电一体体化产品品的设计计师,不但要要掌握先先进的机机电一体体化技术术,而且更更重要地地是掌握握如何在在产品设设计中充充分展现现现代机机电一体体化技术术的最新新成果。机电一一体化系系统所具具有的学学科交叉叉性、多多技术性性、集成成性、融融合性、复杂性性,给产品品设计师师提出了了更高的的要求。产品设设计问题题较传统统的机械械设计问问题更为为复杂。机电一一体化技技术的先先进性和和设计问问题的复复杂性都都深刻地地启示着着我们,应建立立一种能能够与当当代机电电一体化化技术发发展相适适应的产产品设计计理论。关键词:机电一一体化;概念设

5、设计;方案设设计;功能目录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc321227811 第一章机机电一体体化产品品基本概概要 PAGEREF _Toc321227811 h 1 HYPERLINK l _Toc321227812 1.1产产品的基基本概念念 PAGEREF _Toc321227812 h 1 HYPERLINK l _Toc321227813 第二章机机电一体体化技术术的特点点 PAGEREF _Toc321227813 h 3 HYPERLINK l _Toc321227814 第三章机机电一体体化系统统设计理理论 PAGEREF _Toc3212278

6、14 h 4 HYPERLINK l _Toc321227815 3.1 系统的的概念 PAGEREF _Toc321227815 h 44 HYPERLINK l _Toc321227816 3.2系系统运行行的规律律 PAGEREF _Toc321227816 h 4 HYPERLINK l _Toc321227817 3.3机机电一体体化系统统设计理理论与方方法 PAGEREF _Toc321227817 h 4 HYPERLINK l _Toc321227818 3.4组组成要素素与四大大原则 PAGEREF _Toc321227818 h 55 HYPERLINK l _Toc321

7、227819 第四章机机电一体体化产品品 PAGEREF _Toc321227819 h 7 HYPERLINK l _Toc321227820 4.1 机电电一体化化产品概概念设计计的含义义 PAGEREF _Toc321227820 h 7 HYPERLINK l _Toc321227821 4.2 机电电一体化化系统的的组成原原理 PAGEREF _Toc321227821 h 7 HYPERLINK l _Toc321227822 4.3 建立立机电一一体化产产品概念念设计理理论与方方法的意意义 PAGEREF _Toc321227822 h 8 HYPERLINK l _Toc321

8、227823 第五章机机电一体体化产品品设计的的国内外外研究现现状 PAGEREF _Toc321227823 h 100 HYPERLINK l _Toc321227824 5.1国国外研究究现状 PAGEREF _Toc321227824 h 110 HYPERLINK l _Toc321227825 5.2国国内研究究现状 PAGEREF _Toc321227825 h 111 HYPERLINK l _Toc321227826 5.3当当前我国国机电一一体化技技术的主主要发展展领域 PAGEREF _Toc321227826 h 112 HYPERLINK l _Toc32122782

9、7 5.4我我国技术术的发展展趋势 PAGEREF _Toc321227827 h 112 HYPERLINK l _Toc321227828 5.5 机电一一体化产产品的发发展趋势势 PAGEREF _Toc321227828 h 14 HYPERLINK l _Toc321227829 第六章机机电一体体化产品品概念设设计理论论展望 PAGEREF _Toc321227829 h 117 HYPERLINK l _Toc321227830 致谢 PAGEREF _Toc321227830 h 199 HYPERLINK l _Toc321227831 参考文献献 PAGEREF _Toc3

10、21227831 h 20江西理工大学南昌校区2009届专科生毕业论文 PAGE 27机电一体体化产品品基本概概要机电一体体化发展展至今已已经成为为一门自自成一体体的新型型学科, 随着着科学技技术的不不断发展展, 必必将被赋赋一予新新的内容容。但其其基本特特征可概概括为机机电一体体化是从从系统的的观点出出发, 综合运运用机械械技术、微电子子技术、自动控控制技术术、汁汁算机技技术、信信息技术术、传感感测控技技术、电电力电子子技术、接口技技术、信信息变换换技术以以及软件件编程技技术等群群体技术术, 根根据系统统功能目目标和优优化组织织目标, 合理理配置与与布局各各功能单单元, 在多功功能、高高质量

11、、高可靠靠性、低低能耗的的意义上上实现特特定功能能价值, 并使使整个系系统最终终达到最最优化的的系统工工程技术术。由此此而产生生的功能能系统, 就成成为一个个机电一一体化系系统或机机电一体体化产品品。1.1产产品的基基本概念念机电一体体化又称称机械电电子学，英文称称为Mecchattronnicss,它是由由英文机机械学MMechhaniics 的前半半部分与与电子学学Eleectrroniics 的后半半部分组组合而成成。机电电一体化化最早出出现在119711年日本本机械械设计杂志的的副刊上上，随着着机电一一体化技技术的快快速发展展，机电电一体化化的概念念被人们们广泛接接受和普普遍使用用。1

12、9996年年出版的的WEBBSTEER大词词典收录录了这个个日本造造的英文文单词，这不仅仅意味着着 “Mecchattronnicss”这个单单词得到到了世界界各国学学术界和和企业界界的认可可，而且且还意味味着“机电一一体化”的哲理理和思想想为世人人所接受受。机电一体化信息科学机械学电子学图1- SEQ 图10- * ARABIC 1机电一体化与其它学科的关系那么，什什么是机电一一体化呢呢？机电一体体化是指指在机构构的主功功能、动动力功能能、信息息处理功功能和控控制功能能上引进进电子技技术，将将机械装装置与电电子化设设计及软软件结合合起来所所构成的的系统的的总称。到目前为为止，就就机电一一体化

13、这这一概念念的内涵涵国内外外学术界界还没有有一个完完全统一一的表述述。一般般认为，机电一一体化是是以机械械学、电电子学和和信息科科学为主主的多门门技术学学科在机机电产品品发展过过程中相相互交叉叉、相互互渗透而而形成的的一门新新兴边缘缘性技术术学科。这里面面包含了了三重含含义：首首先，机机电一体体化是机机械学、电子学学与信息息科学等等学科相相互融合合而形成成的学科科。图11-1 形象地地表达了了机电一一体化与与机械学学、电子子学和信信息科学学之间的的相互关关系；其其次，机机电一体体化是一一个发展展中的概概念，早早期的机机电一体体化就像像其字面面所表述述的那样样，主要要强调机机械与电电子的结结合，

14、即即将电子子技术“溶入”到机械械技术中中而形成成新的技技术与产产品。随随着机电电一体化化技术的的发展，以计算算机技术术、通信信技术和和控制技技术为特特征的信信息技术术（即所所谓的“3C”技术：Commputter、Commmunnicaatioon和 Conntrool TTechhnollogyy）“渗透”到机械械技术中中，丰富富了机电电一体化化的含义义，最后后，机电电一体化化表达了了技术之之间相互互结合的的学术思思想，强强调各种种技术在在机电产产品中的的相互协协调，以以达到系系统总体体最优。换句话话说，机机电一体体化是多多种技术术学科有有机结合合的产物物，而不不是它们们的简单单叠加。现实生

15、生活中的的机电一一体化产产品比比比皆是。我们日日常生活活中使用用的全自自动洗衣衣机、空空调及全全自动照照相机，都是典典型的机机电一体体化产品品；在机机械制造造领域中中广泛使使用的各各种数控控机床、工业机机器人、三坐标标测量仪仪及全自自动仓储储，也是是典型的的机电一一体化产产品；而而汽车更更是机电电一体化化技术成成功应用用的典范范，目前前汽车上上成功应应用和正正在开发发的机电电一体化化系统达达数十种种之多，特别是是发动机机电子控控制系统统、汽车车防抱死死制动系系统、全全主动和和半主动动悬架等等机电一一体化系系统在汽汽车上的的应用，使得现现代汽车车的乘坐坐舒适性性、行驶驶安全性性及环保保性能都都得

16、到了了很大的的改善；在农业业工程领领域，机机电一体体化技术术也在一一定范围围内得到到了应用用，如拖拖拉机自自动驾驶驶系统、悬挂式式农具的的自动调调节系统统、联合合收获机机工作部部件（如如脱粒清清选装置置）的监监控系统统、温室室环境自自动控制制系统等等。第二章 机电电一体化化技术的的特点使用安全全性和可可靠性提提高。工工程机械械机电一一体化产产品一般般都是具具有自动动监视、报警、自动诊诊断、自自动保护护等功能能。在工工作过程程中，遇遇到过载载、过压压、过流流、短路路等电力力故障时时，能自自动采取取保护措措施，避避免和减减少人身身和设备备事故，显著提提高设备备的使用用安全性性。生产能力力和工作作质

17、量提提高 工程机机械机电电一体化化产品大大都具有有信息自自动处理理和自动动控制功功能，其其控制和和检测的的灵敏度度、精度度以及范范围都有有很大程程度的提提高，通通过自动动控制系系统可精精确地保保证机械械的执行行机构按按照设计计的要求求完成预预定动作作，使之之不受机机械操作作者主观观因素的的影响，从而实实现最佳佳操作，保证最最佳的工工作质量量和产品品的合格格率。同同时，由由于工程程机械机机电一体体化产品品实现了了工作的的自动化化，使得得生产能能力大大大提高。使用性能能改善 工程程机械机机电一体体化产品品普遍采采用程序序控制和和数字显显示，操操作按钮钮和手柄柄数量显显著减少少，使得得操作大大大简化

18、化并且方方便、简简单。工工程机械械机电一一体化产产品的工工作过程程根据预预设的程程序逐步步由电子子控制系系统指挥挥实现，系统可可重复实实现全部部动作。高级的的工程机机械机电电一体化化产品可可通过被被控对象象的数学学模型以以及外界界参数的的变化随随即自寻寻最佳工工作程序序，实现现自动最最优化操操作。具有复合合功能并并且适用用面广 工程程机械机机电一体体化产品品跳出了了机械机机电一体体化产品品的单技技术和单单功能限限制，具具有复合合技术和和复合功功能，使使产品的的功能水水平和自自动化程程度大大大提高。工程机机械机电电一体化化产品一一般具有有自动化化控制、自动补补偿、自自动校验验、自动动调节、自动保

19、保护和智智能化等等多种功功能，能能应用于于不同的的场合和和不同领领域，满满足用户户需求的的应变能能力较强强。调整和维维护方便便工程机机械机电电一体化化产品在在安装调调试时，可通过过改变控控制程序序来实现现工作方方式的改改变，以以适应不不同用户户对象的的需要以以及现场场参数变变化的需需要。这这些控制制程序可可通过多多种手段段输入到到工程机机械机电电一体化化产品的的控制系系统中，而不需需要改变变产品中中的任何何部件或或零件。对于具具有存储储功能的的工程机机械机电电一体化化产品，可以事事先存入入若干套套不同的的执行程程序，然然后根据据不同的的工作对对象，只只需给定定一个代代码信号号输入，即可按按指定

20、的的预定程程序进行行自动工工作。机机电一体体化产品品的自动动化检验验和自动动监事功功能可对对工作过过程中出出现的故故障自动动采取措措施，使使工作恢恢复正常常。第三章 机电电一体化化系统设设计理论论3.1 系统的的概念系统:具具有特定定功能的的、相互互之间具具有有机机联系的的许多要要素所构构成的一一个群体体。这个定义义说明：系统包包括组成成要素、要素之之间的相相互作用用和系统统整体的的确定功功能等三三个方面面，缺一一不可。系统是一一个有机机的整体体，整体体性是系系统最基基本的特特性。系系统整体体所获得得的新的的特性、新的功功能是各各组成要要素在孤孤立状态态时所没没有的。任何物物质系统统都具有有层

21、次性性，层次次具有多多样性。纵向的的母子系系统，可可构成垂垂直系统统的层次次；横向向的同一一层次中中，又可可构成各各种平行行的系统统；纵横横交错的的网络系系统，又又可构成成各种交交叉层次次系统的的概念是是相对的的，以考考察问题题角度不不同而异异。某一一系统可可以由若若干子系系统组成成，它又又可以成成为一个个更高级级系统的的子系统统。不论论是宏观观或是微微观的问问题，只只要它具具有相互互关联的的若干单单元组合合的性质质，就可可以而且且应该从从系统工工程的角角度来分分析和研研究它。3.2系系统运行行的规律律系统运行行的两个个规律一是整体体效应规规律：系系统各单单元有机机地组合合成系统统后，各各单元

22、功功能不仅仅相互叠叠加，而而且相互互辅助、相互促促进与提提高，使使系统整整体的功功能大于于各单元元功能的的简单的的和，即即“整体大大于部分分的和”。另一个相相反的规规律是系系统内耗耗规律：由于各各单元的的差异性性，在组组成系统统后若对对各单元元的相互互作用协协调不当当或约束束不力，就会导导致单元元间的矛矛盾和摩摩擦，出出现内耗耗，内耗耗过大，则可能能出现整整体小于于部分的的和的情情况。3.3机机电一体体化系统统设计理理论与方方法机械电子子学产品品系统是是由若干干个子系系统或元元件构成成的集合合体。为为实现产产品系统统的主功功能，系系统、子子系统（孙子系系统）、元件（元素）采用那那一种学学科的技

23、技术作为为手段，绝非刻刻板地规规定，而而是以实实现产品品系统主主功能的的需要，根据评评定产品品质量标标准的要要求去选选择，并并进行综综合评价价，找出出最优的的设计。3.4组组成要素素与四大大原则3.4.1五大大组成要要素一个机电电一体化化系统中中一般由由结构组组成要素素、动力力组成要要素、运运动组成成要素、感知组组成要素素、职能能组成要要素五大大组成要要素有机机结合而而成。机械本体体（结构构组成要要素）是是系统的的所有功功能要素素的机械械支持结结构，一一般包括括有机身身、框架架、支撑撑、联接接等。动力驱动动部分（动力组组成要素素）依据据系统控控制要求求，为系系统提供供能量和和动力以以使系统统正

24、常运运行。测试传感感部分（感知组组成要素素）对系系统的运运行所需需要的本本身和外外部环境境的各种种参数和和状态进进行检测测，并变变成可识识别的信信号，传传输给信信息处理理单元，经过分分析、处处理后产产生相应应的控制制信息。控制及信信息处理理部分（职能组组成要素素）将来来之测试试传感部部分的信信息及外外部直接接输入的的指令进进行集中中、存储储、分析析、加工工处理后后，按照照信息处处理结果果和规定定的程序序与节奏奏发出相相应的指指令，控控制整个个系统有有目的的的运行。执行机构构（运动动组成要要素）；根据据控制及及信息处处理部分分发出的的指令，完成规规定的动动作和功功能。机电一体体化系统统一般由由机

25、械本本体、检检测传感感部分、电子控控制单元元、执行行器和动动力源55个组成成部分构构成。3.4.2构成机电电一体化化系统的的五大组组成要素素其内部部及相互互之间都都必须遵遵循结构构耦合、运动传传递、信信息控制制与能量量转换四四大原则则。接接口耦合合：两个个需要进进行信息息交换和和传递的的环节之之间，由由于信息息模式不不同（数数字量与与模拟量量，串行行码与并并行码，连续脉脉冲与序序列脉冲冲等）无无法直接接传递和和交换，必须通通过接口口耦合来来实现。而两个个信号强强弱相差差悬殊的的环节之之间，也也必须通通过接口口耦合后后，才能能匹配。变换放放大后的的信号要要在两个个环节之之间可靠靠、快速速、准确确

26、的交换换、传递递，必须须遵循一一致的时时序、信信号格式式和逻辑辑规范才才行，因因此接口口耦合时时就必须须具有保保证信息息的逻辑辑控制功功能，使使信息按按规定的的模式进进行交换换与传递递。两个需要要进行信信息交换换和传递递的环节节之间，由于信信息模式式不同（数字量量与模拟拟量，串串行码与与并行码码，连续续脉冲与与序列脉脉冲等）无法直直接传递递和交换换，必须须通过接接口耦合合来实现现。而两两个信号号强弱相相差悬殊殊的环节节之间，也必须须通过接接口耦合合后，才才能匹配配。变换换放大后后的信号号要在两两个环节节之间可可靠、快快速、准准确的交交换、传传递，必必须遵循循一致的的时序、信号格格式和逻逻辑规范

27、范才行，因此接接口耦合合时就必必须具有有保证信信息的逻逻辑控制制功能，使信息息按规定定的模式式进行交交换与传传递。 运动传递递使构成成机电一一体化系系统各组组成要素素之间，不同类类型运动动的变换换与传输输以及以以运动控控制为目目的的优优化。在系统中中，所谓谓智能组组成要素素的系统统控制单单元，在在软、硬硬件的保保证下，完成信信息的采采集、传传输、储储存、分分析、运运算、判判断、决决策，以以达到信信息控制制的目的的。对于于智能化化程度高高的信息息控制系系统还包包含了知知识获得得、推理理机制以以及自学学习功能能等知识识驱动功功能。两个需要要进行传传输和交交换的环环节之间间，由于于模式不不同而无无法

28、直接接进行能能量的转转换和交交流，必必须进行行能量的的转换，能量的的转换包包括执行行器，驱驱动器和和他们的的不同类类型能量量的最优优转换方方法及原原理。机电一体体化产品品4.1 机电电一体化化产品概概念设计计的含义义产品的概概念设计计是实现现产品创创新的关关键。因因此,对产品品的概念念设计理理论与方方法的研研究,得到了了国内外外学者的的极大关关注,并成为为近年来来学术研研究的热热点。人人们逐渐渐认识到到概念设设计是产产品设计计最重要要、最复复杂、也也是最富富有创造造性的阶阶段,是一个个从无到到有、从从上到下下、从模模糊到清清晰、从从抽象到到具体的的过程。特别是是近几年年来,随着计计算机图图形学

29、、虚拟现现实、敏敏捷设计计、多媒媒体等技技术的发发展和CCAD/ CAAM 应应用的深深入,产品概概念设计计的研究究也有了了新的进进展。文文献22 在在Freenchh 及Pahhl aand Beiitz 研究工工作的基基础上,根据机机电一体体化产品品及其广广义执行行机构的的特点,将产品品的设计计过程分分为:产品规规划、概概念设计计、详细细设计和和改进设设计四个个阶段,并给出出概念设设计比较较全面的的定义:“概念设设计是根根据产品品生命周周期各个个阶段的的要求,进行产产品功能能创造、功能分分解以及及功能和和子功能能的结构构设计;进行满满足功能能和结构构要求的的工作原原理求解解和实现现功能结结

30、构的工工作原理理载体方方案的构构思和系系统化设设计。”概念设设计可划划分为功功能设计计、原理理设计、方案设设计及初初步结构构设计四四个阶段段。其中中功能设设计是概概念设计计的前期期工作,即根据据市场需需求和机机器功用用进行设设计思想想和设计计理念的的构想,规划产产品的总总体框架架。这一一部分工工作,属于“形象思思维”,创新的的火花往往往在这这一阶段段产生,这一阶阶段需更更多地借借助于设设计人员员的创新新思维能能力、知知识与经经验的发发挥;原理设设计是概概念设计计的难点点,也是最最能体现现机电一一体化产产品交叉叉学科特特点的阶阶段,即如何何选择不不同学科科领域的的工作原原理方案案来更好好地满足足

31、产品的的功能需需求。这这需要通通晓各相相关学科科领域的的专家,借助各各类知识识库的建建立与运运用是解解决这一一难题的的有效途途径;概念设设计的后后期工作作是方案案设计,确定机机电一体体化产品品的方案案,相对于于前期工工作而言言,更多地地属于“逻辑思思维”。随着着计算机机技术、AI 技术及及其相关关软件的的发展,以及现现代机构构学自身身的发展展,使方案案设计的的计算机机化成为为可能。4.2 机电电一体化化系统的的组成原原理目前,对对机电一一体化系系统并没没有一个个普遍认认同的定定义。由由于机电电一体化化系统的的跨学科科性及其其自身的的复杂性性,不同学学科领域域的学者者分别从从不同的的研究角角度对

32、机机电一体体化系统统进行了了定义。从网站站上可以得得到几十十种关于于机电一一体化系系统的定定义。本本文从机机代机构构学的角角度,认为机机电一体体化系统统的最本本质的特特征是一一种机械械,但又不不同于一一般的机机械,它是在在机构的的主功能能、动力力功能、信息与与控制功功能上引引进了电电子技术术,并与软软件有机机结合而而成的一一种特殊殊的机械械系统。从功能能上讲,是用于于完成包包括机械械力、运运动和能能量流等等多动力力学任务务的机械械和(或) 机电电部件相相互联系系的系统统。机电电一体化化系统是是一个完完整的系系统,强调各各种技术术的协调调和集成成,各部分分之间是是有机结结合而不不是简单单拼凑和和

33、堆积。机电一一体化系系统综合合运用了了机械工工程、控控制系统统、电子子技术、计算机机技术和和电工技技术等多多种技术术,机电一一体化系系统的执执行机构构扩展到到了广义义执行机机构,即包括括驱动元元件和执执行机构构子系统统。机电电一体化化具有跨跨学科性性、集成成性、融融合性、复杂性性。机电电一体化化系统的的最终目目的是实实现可控控的运动动行为。它是充充分利用用电子计计算机的的信息处处理和控控制功能能、利用用可控驱驱动元件件特性的的现代机机械系统统。关于于机电一一体化系系统的设设计理论论研究方方面,首先反反映在机机电一体体化系统统的组成成结构的的划分上上。目前前比较典典型的机机电一体体化系统统的组成

34、成结构的的划分有有三种: 德国Drrmsttadtt大学的的Rollf IIserrmannn 提提出的五五块论,认为机机电一体体化产品品是由控控制功能能、动力力功能、构造功功能、传传感检测测功能和和操作功功能五大大功能模模块组成成。丹麦理理工大学学的Jaacobb Buurr 等人提提出的三三环论,认为机机电一体体化产品品分为机机械、电电子、软软件三大大功能模模块, 挪威科科技大学学的Baassaam AA. HHussseinn 提出出的两个个子系统统论,将机电电一体化化系统划划分为物物理系统统与控制制系统两两大子系系统。以上上三种结结构组成成的划分分,更多地地立足于于电或控控制的角角度,

35、没有突突出机械械主体部部分,也没有有很好地地解决机机电一体体化系统统概念设设计的模模糊性、复杂性性和多面面性,因此不不利于产产品的系系统设计计,尤其是是概念设设计。从从概念设设计的需需要出发发,从完成成工艺动动作过程程这一总总功能要要求出发发,将机电电一体化化系统划划分为广广义执行行机构子子系统、传感检检测子系系统、信信息处理理及控制制子系统统三个子子系统,称为“三子系系统论”。三个个子系统统分别完完成机械械运动和和动作、信息检检测、信信息处理理及控制制。这种种划分有有利于对对机电一一体化系系统按功功能进行行分解,分别寻寻求各自自的功能能载体,通过集集成优化化来得到到机电一一体化系系统的概概念

36、设计计的若干干方案。三子系系统中的的广义执执行机构构子系统统,突出了了机电一一体化系系统中的的机械主主体地位位,又体现现了这种种机构的的可控性性特点。这一概概念的提提出,有利于于设计师师应用系系统设计计的原理理和方法法进行机机电一体体化产品品的创新新设计。目前,对传感感检测子子系统和和控制子子系统的的研究较较多,理论上上也较成成熟,而对直直接完成成工艺动动作功能能的广义义执行机机构子系系统的研研究却不不够深入入,目前处处于迅速速发展阶阶段。4.3 建立立机电一一体化产产品概念念设计理理论与方方法的意意义设计方法法对于指指导产品品设计具具有重要要的作用用。苏联联学者阿阿切尔康康的巨著著机械械零件

37、设设计指指导了几几代人的的设计工工作,使机械械设计理理论化、规范化化。美国国学者铁铁木辛科科的巨著著材料料力学也影响响了几代代人,奠定了了强度设设计的基基础。设设计理论论对于设设计的指指导作用用已为世世人所公公认。最最优化原原理、智智能化原原理、柔柔性化原原理、网网络化原原理、可可靠性原原理等是是从系统统的观点点和运筹筹学的角角度,针对某某项具体体指标完完成产品品局部设设计环节节的设计计理论和和方法。由于机机电一体体化产品品设计的的复杂性性决定,单独应应用这些些设计理理论,虽可以以对机电电一体化化产品的的原始创创新起到到了一定定的作用用,但也易易于达到到设计极极限。概概念设计计是产品品设计的的

38、重要阶阶段,决定了了产品设设计质量量的60 %70 %。因因而,要建立立机电一一体化产产品的设设计理论论,必须首首先建立立机电一一体化产产品概念念设计的的理论、方法。基于优优良的概概念设计计方案才才能够得得到性能能优异的的机电一一体化产产品。因因此,建立机机电一体体化产品品的概念念设计理理论体系系是非常常必要的的。Paahl 和Beiitz 从设计计方法学学的角度度研究了了产品的的设计过过程,并在Enggineeeriing Dessignn一书书中提出出概念设设计的思思想,受到了了各国学学者的重重视,相继出出现了多多种用于于概念设设计阶段段的设计计理论,如公理理化设计计理论、TRIIZ 设设

39、计理论论、QFFD 理理论等。这些理理论对工工程领域域的创新新设计起起到了巨巨大的推推动作用用,其成就就为世人人所关注注。但这这些设计计理论多多集中在在一般的的机械工工程领域域,或者由由多个学学科简单单组合的的工程产产品设计计。由于于机电一一体化系系统的学学科交叉叉性、集集成性、融合性性及复杂杂性等特特点,现有的的机械产产品的概概念设计计理论不不适用于于机电一一体化产产品概念念设计,必须结结合机电电一体化化系统的的自身特特点,建立一一套系统统的、完完整的概概念设计计理论和和方法,指导机机电一体体化产品品的创新新设计。因此,我们认认为:机电一一体化产产品发展展到211 世纪纪,到了应应该为其其建

40、立系系统科学学的设计计理论和和方法的的时候了了。同时时,相关学学科的设设计理论论也为机机电一体体化产品品设计理理论的建建立奠定定了必要要的理论论基础。第五章机机电一体体化产品品设计的的国内外外研究现现状机电一体体化产品品概念设设计目前前尚处于于起步阶阶段,它涉及及到多种种学科领领域知识识的交叉叉与融合合,具有复复杂性、创新性性、多目目标性、多解性性、层次次性、不不良结构构性及反反复迭代代性。5.1国国外研究究现状机电一体体化产品品概念设设计的研研究主要要集中在在欧洲。主要研研究机构构有:德国Daarmsstaddt 大大学,英国Laancaasteer 大大学工程程设计中中心,荷兰Twwent

41、te 大大学,比利时时Leuuvenn 大学学,挪威科科技大学学,丹麦技技术大学学和芬兰兰VTTT 研究究中心等等。另外外,在美国国,与机电电一体化化系统有有关的概概念设计计工作大大多集中中在MIIT 大大学,CCarnnegiie MMelllon 大学,MMichhigaan 大大学和SStanndfoord大大学。在在日本,东京大大学的YYoshhikaawa 和Tommiyaama 两位学学者的研研究工作作涉及到到了一般般的机电电一体化化系统的的概念设设计。德国Daarmsstaddt 大大学的RR. IIserrrmaann , HH. JJ . Herrpell ,MM.Heeld

42、 ,M. Gllesnner等等人,对机电电一体化化产品设设计进行行了较深深入的研研究。他他们的研研究领域域主要集集中在机机电一体体化的控控制系统统的设计计方法学学上。提提出了机机电一体体化系统统的能量量流和信信息流模模型,并将控控制系统统按层次次划分为为管理层层、监视视层、控控制层和和处理层层四个层层次。从从他们的的观点来来看,机电一一体化的的驱动器器、传感感器及机机械部分分都是作作为控制制系统设设计的外外界环境境而存在在的。而而控制系系统设计计是机电电一体化化的主体体。因此此在他们们的设计计中,较少考考虑到机机械部分分的特性性、传感感器的特特性及驱驱动器的的特性,也没有有考虑到到几个部部分

43、之间间的融合合设计问问题。该该观点不不能全面面反映以以实现运运动执行行功能为为主的机机电一体体化产品品概念设设计的实实质。德国Heeinzz Niixdoorf 大学的的J uurgeen GGaussemeeierr , MarrtinnFlaath ,Sttefaan MMohrringger等等人于220011 年构构建了机机电一体体化系统统开发的的V 型模模型,指出在在概念设设计的早早期阶段段,需要有有一种共共同的功功能描述述语言来来描述所所涉及的的不同学学科的知知识,给出了了一种适适用于机机电一体体化产品品概念设设计的集集成方法法,即用半半规则式式说明语语言进行行功能原原理建模模。将

44、该该方法已已成功用用于汽车车导航驱驱动系统统的概念念设计过过程中。在法国PPSA 所进行行的ESSPRIIT / OOLMEECO (Oppen Li22braary forr Moodells oof MMechhatrroniics Commponnentts 机机电一体体化组成成元件的的模型的的开放库库) 研究究项目,取得了了阶段性性成功。该项目目的核心心是一个个包含了了机电一一体化系系统中各各个学科科的模型型所组成成的模型型库。他他们把机机电一体体化的基基本功能能元件,或者一一些已在在实践中中得到应应用的系系统作为为基本单单元存入入模型库库。这个个模型库库能够为为工程设设计人员员提供正

45、正确、有有效的、可重用用的模型型单元。在机电电一体化化设计中中可随时时从库中中调用这这些基本本元件或或系统,从而提提高了设设计效率率和准确确性,并且在在一定程程度上降降低了设设计的难难度。该该项目虽虽然取得得了一定定的进展展,但就模模型库而而言,其存储储的是以以前得到到的、被被实践检检验的机机电一体体化产品品的组成成元件模模型,仅对机机电一体体化数据据库的存存储和查查找进行行产品的的概念设设计,与智能能化概念念设计还还存在相相当的距距离,其设计计方案缺缺乏创新新性。并并且由于于缺少机机电一体体化概念念设计理理论的支支持,该系统统并不理理想。虽然美国国Anaaloggy 公公司声称称其开发发的S

46、aaberr 软件件是支持持机电一一体化系系统设计计的智能能化概念念设计软软件,但其实实质至多多是一个个机电一一体化仿仿真软件件。它只只具有对对机电一一体化系系统建模模、性能能仿真、灵敏度度分析等等功能,而不具具备产生生方案的的功能。就其建建模功能能来讲,也基本本上集中中在信息息系统或或控制系系统领域域,目前还还没有看看到其能能够用于于机械装装置的建建模仿真真的例子子。由于于该软件件是由电电子系统统设计软软件发展展而来,对于机机电一体体化系统统有先天天不足之之嫌。自19990 年年成立以以来,英国Laancaasteer 大大学的工工程设计计中心在在机电一一体化系系统概念念设计方方面作了了大量

47、的的研究。由于机机电一体体化产品品是涉及及到各学学科的综综合技术术的应用用,他们采采用键合合图(BBondd Grraphh) 作作为仿真真技术的的底层,通过能能量守衡衡定律在在各能量量子系统统之间搭搭起一座座桥梁,采用方方框图作作为信息息处理系系统的底底层表达达方式。用面向向功能模模块的混混合建模模(包括键键合图理理论、方方框图和和高层次次的功能能模块表表达) 方式,构建了了机电一一体化产产品设计计的Scchemmebuuildder 虚拟开开发平台台。通过过系统模模拟平台台进行模模拟、仿仿真、检检验,从而在在设计的的早期就就能够验验证、改改善系统统的性能能。但该该软件的的设计偏偏重于控控制

48、部分分,但对执执行机构构部分却却不够深深入,目前处处于实验验室水平平。5.2国国内研究究现状目前,国国内一些些研究单单位,如浙江江大学、华中中科技大大学等单单位,在机械械产品概概念设计计及计算算机辅助助创新设设计方面面进行了了研究,但对机机电一体体化产品品概念设设计方面面的问题题基本没没有进行行研究。本课题题组上海海交通大大学,从19996 年年开始,对机电电一体化化产品概概念设计计的理论论与方法法进行了了较为深深入的研研究,并取得得了初步步的研究究成果。从现代代机构的的角度出出发,将机电电一体化化系统划划分为广广义执行行机构子子系统、传感检检测子系系统、信信息处理理及控制制子系统统,称为“三

49、子系系统论”,并由此此建立机机电一体体化系统统概念设设计的框框架体系系,有利于于机电一一体化产产品的创创新设计计。以实实现运动动功能为为主功能能的一大大类机电电一体化化产品(如电脑脑型多功功能缝纫纫机等) 为研研究对象象,对机电电一体化化产品概概念设计计的核心心问题广广义执行行机构子子系统的的概念设设计进行行了系统统研究,提出了了由总功功能进行行基本工工艺动作作过程的的构思;由基本本工艺动动作过程程,实现动动作分解解,得到独独立的执执行动作作;确定各各执行动动作的创创新机构构及其机机构系统统的组合合的框架架模型, 即归归纳为: Prroceess ( 工工艺) Acttionn ( 动作) M

50、ecchannismm(机构构) 的PAMM 功能能求解模模型。该该模型能能将概念念设计与与机构及及其系统统设计很很好地结结合起来来,更具有有可操作作性,更易于于实现创创新设计计,更利于于计算机机辅助概概念设计计的实现现。由于于机电一一体化系系统是一一个复杂杂的动态态系统,只有在在了解了了其动态态性能的的基础上上才能进进行恰当当的评价价,因此机机电一体体化产品品的建模模与仿真真问题显显得更为为重要。概念设设计阶段段仿真的的目的是是检验系系统是否否能够完完成给定定的功能能,以及实实现功能能所附带带的约束束条件。通过分分析比较较目前通通用的各各种建模模技术(如键合合图、方方框图、信号流流图、原原理

51、图等等) 及各各种仿真真软件的的优缺点点,采用Siimullinkk 仿真真软件构构造了一一个面向向功能模模块建模模方法的的,表达机机电一体体化产品品中广义义执行机机构的概概念设计计的系统统仿真平平台。这这一平台台的构建建,为机电电一体化化产品概概念设计计的整体体仿真平平台的建建立奠定定了基础础。针对对机电一一体化产产品概念念设计阶阶段评价价指标及及重要度度不确定定、信息息模糊、不完整整的特点点,在模糊糊理论的的基础上上,提出了了一个三三层模糊糊优序评评价模型型;模糊预预序评价价模型、模糊半半优序评评价模型型、模糊糊全序评评价模型型。该模模型为概概念设计计的评价价提供了了一个较较为合理理的依据

52、据,并以汽汽车自动动喇叭的的概念设设计为例例,进行了了应用研研究。上上述研究究,为机电电一体化化产品概概念设计计及其计计算机化化的研究究奠定了了理论基基础。5.3当当前我国国机电一一体化技技术的主主要发展展领域机电一体体化的应应用范围围正越来来越广，几乎涉涉及无所所不包的的社会领领域。现现已有种种类繁多多的机电电一体化化产品与与系统，例如锻锻压、铸铸造、轻轻工、纺纺织、冶冶金、印印刷、通通讯、办办公、起起重运输输等所用用的机械械，机床床，机器器人量仪仪，量具具、仪表表，低压压电器，焊接设设备，电电机传动动装置电电站控制制系统信信息装置置，军事事装备以以及医疗疗器械家家用电器器等。5.4我我国技

53、术术的发展展趋势作为发展展中国家家，我国国与发达达国家相相比工业业技术水水平存在在一定差差距，但但有广阔阔的机电电一体化化应用空空间。改改革开放放以来，特别是是近年来来，受国国际金融融危机影影响，面面临国际际市场经经济激烈烈竞争形形势的挑挑战，国国家和企企业充分分认识到到机电一一体化技技术对我我国经济济发展的的战略意意义，机机电一体体化技术术的研究究、应用用和产业业化受到到了前所所未有的的重视和和发展。完成了了我国国机电一一体化发发展途径径与对策策研究究，探讨讨我国机机电一体体化发展展战略，提出了了数控机机床、工工业自动动化控制制仪表等等15个个机电一一体化优优先发展展领域和和6项共共性关键键

54、技术的的研究方方向和课课题。我我国已研研制成功功了一大大批机电电一体化化科研成成果，以以数控技技术为例例，我国国的数控控技术经经过“六五”、“七五”、“八五”和“九五”的200年的发发展，基基本上掌掌握了关关键技术术，建立立了数控控开发、生产基基地，培培养了一一批数控控人才，初步形形成了自自己的数数控产业业，到220100年我国国机床的的数控化化率将达达到166.5%199.277%。这这些成果果的取得得为我国国在制造造业机电电一体化化的研究究和应用用方面积积累了宝宝贵的经经验，必必将推动动我国机电一体体化技术术取得更更大的进进步和发发展。我我国从220世纪纪80年年代初开开始进行行机电一一体

55、化的的研究和和应用，国务院院成立了了机电一一体化领领导小组组并将其其列为“8633计划”。在制制定“九五”规划和和20110年发发展纲要要时充分分考虑了了国际上上关于机机电一体体化技术术的发展展动向和和由此可可能带来来的影响响，许多多大专院院校、研研究机构构及一些些大中型型企业对对这一技技术的发发展及应应用做了了大量的的工作。虽然目目前国内内机电一一体化技技术与日日本、欧欧美等先先进国家家相比仍仍有一定定差距，但随着着新技术术革命的的迅猛发发展，我我国加大大了机电电一体化化技术的的研究力力度，并并将其确确定为国国家高技技术重点点研究领领域，给给予优先先支持，并取得得了一定定的成绩绩。5.4.1

56、数控控方面我国数控控技术起起步于119588年，在在“九五”末期,国产数数控机床床的国内内市场占占有率达达50%,配国国产数控控系统(普及型型)也达达到了110%。纵观我我国数控控技术近近50年年的发展展历程,特别是是经过44个5年年计划的的攻关,总体来来看取得得了很好好成绩。目前,已具有有年产数数控系统统30000多套套、主轴轴与进给给装置550000多套的的生产能能力。近近十年来来,普通通级数控控机床的的加工精精度已由由10m提高高到5m,精精密级加加工中心心则从335m,提提高到111.5m,并并且超精精密加工工精度已已开始进进入纳米米级(00.011m)。5.4.2工业业机器人人方面我

57、国19986年年将机器器人的研研究开发发列入国国家科技技计划,现已掌掌握了机机器人操操作机的的设计制制造技术术、控制制系统和和软件编编程技术术、运动动学和轨轨迹规划划技术,生产了了部分机机器人的的关键元元器件,并进入入实用化化阶段，开发出出弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、注塑、冲压及及能前后后行走、爬墙、水下作作业的多多种机器器人。目目前，国国内相关关科研机机构和企企业已掌掌握了工工业机器器人操作作机的优优化制造造技术，解决了了工业机机器人控控制、驱驱动系统统的设计计技术，机器人人软件的的设计和和编程等等关键技技术，还还掌握弧弧焊、点点焊及大大型机器器人自动动生产线线（工作作站）与与周边配配套设

58、备备的开发发和制备备技术。现在，我国从从事机器器人研发发的单位位有2000多家家，专门门从事机机器人产产业开发发的企业业有500家以上上，中国国市场上上总共拥拥有近万万台工业业机器人人，其中中完全国国产的工工业机器器人（行行业内规规模比较较大的前前三家工工业机器器人企业业）行业业集中度度占300%左右右。5.4.3计算算机集成成制造系系统方面面我国经过过多年的的理论和和技术准准备,CCIMSS已经有有了较快快发展。目前,已在清清华大学学建成国国家CIIMS工工程研究究中心,在著名名高校和和研究单单位建立立了7个个CIMMS单元元技术实实验室和和8个CCIMSS培训中中心99。220000年,全

59、全国已有有20多多个省市市、100多个行行业、2200多多家不同同规模和和类型的的企业通通过实施施CIMMS应用用示范工工程,取取得了巨巨大的经经济效益益。当前前,CIIMS的的进一步步试点推推广应用用已经扩扩展到机机械、电电子、航航空、航航天、轻轻工、纺纺织、冶冶金、石石油化工工等诸多多领域,正得到到各行各各业越来来越多的的关注和和投入。5.5 机电一一体化产产品的发发展趋势势机电一体体化产品品是集机机械、电电子、光光学、控控制、计计算机、信息等等多学科科的交叉叉综合，它的发发展和进进步依赖赖并促进进相关技技术的发发展和进进步。纵纵观国内内外机电电一体化化产品的的发展现现状和高高新技术术的发

60、展展动向，机电一一体化产产品将朝朝着以下下几个方方向发展展：5.5.1绿色色化工业的发发达给人人们生活活带来了了巨大变变化。一一方面,物质丰丰富,生生活舒适适;另一一方面,资源减减少,生生态环境境受到严严重污染染。于是是,人们们呼吁保保护环境境资源,回归自自然。绿绿色产品品概念在在这种呼呼声下应应运而生生,绿色色化是时时代的趋趋势。绿绿色产品品在其设设计、制制造、使使用和销销毁的生生命过程程中,符符合特定定的环境境保护和和人类健健康的要要求,对对生态环环境无害害或危害害极少,资源利利用率极极高。机机电一体体化产品品的绿色色化主要要是指使使用时不不污染生生态环境境,报废废后能回回收利用用。工业业