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 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。分析了机电一体化产品概念设计理论的国内外研究现状与不足之处。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。最后指出了机电一体化产品概念设计理论与方法的发展方向。自1971年日本学者首次提出机电一体化(Mechatronics)这一概念以来,机电一体化经历了三十多年的发展,其内涵随科技的发展不断更新,不断丰富。特别是人类进入21 世纪以来,面对市场竞争

2、日趋激烈,消费观念不断变化,人们对机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越来越高的要求。而相关学科,如AI 技术、计算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的发展,为机电一体化系统开辟了更加广阔的应用前景。尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展,使产品结构发生了革命性的变化。随着信息、传感等技术与传统机械产品的融合,传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进。机电一体化技术已成为一门新兴的交叉学科术,它涉及到机械制造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技术等关键技术。技术的更新,带动机电一体化产品向更高

3、层次方向发展,以满足人们不断丰富和发展的物质、文化和精神上的需求。机电一体化技在21 世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要的作用。机电一体化产品是机电一体化技术的载体和体现者,通过机电一体化产品来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平。因此,作为机电一体化产品的设计师,不但要掌握先进的机电一体化技术,而且更重要地是掌握如何在产品设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果。机电一体化系统所具有的学科交叉性、多技术性、集成性、融合性、复杂性,给产品设计师提出了更高的要求。产品设计问题较传统的机械设计问题更为复杂。机电一体化技术的先进性和设计问题的复杂性都深刻地启示着我们,应建立一种能够与当代机电

4、一体化技术发展相适应的产品设计理论。关键词: 机电一一体化;概念设设计;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产品品的基本本概念 PAGEREF _Toc321227812 h 1 HYPERLINK l _Toc321227813 第二章 机电一一体化技技术的特特点 PAGEREF _Toc321227813 h 3 HYPERLINK l _Toc321227814 第三章 机

5、电一一体化系系统设计计理论 PAGEREF _Toc321227814 h 4 HYPERLINK l _Toc321227815 3.1 系系统的概概念 PAGEREF _Toc321227815 h 4 HYPERLINK l _Toc321227816 3.2系统统运行的的规律 PAGEREF _Toc321227816 h 4 HYPERLINK l _Toc321227817 3.3机电电一体化化系统设设计理论论与方法法 PAGEREF _Toc321227817 h 4 HYPERLINK l _Toc321227818 3.4组成成要素与与四大原原则 PAGEREF _Toc32

6、1227818 h 5 HYPERLINK l _Toc321227819 第四章机机电一体体化产品品 PAGEREF _Toc321227819 h 7 HYPERLINK l _Toc321227820 4.1 机电一一体化产产品概念念设计的的含义 PAGEREF _Toc321227820 h 7 HYPERLINK l _Tooc322122278221 4.22 机机电一体体化系统统的组成成原理 PAGEREF _Toc321227821 h 7 HYPERLINK l _Toc321227822 4.3 建立机机电一体体化产品品概念设设计理论论与方法法的意义义 PAGEREF _T

7、oc321227822 h 8 HYPERLINK l _Toc321227823 第五章 机电一一体化产产品设计计的国内内外研究究现状 PAGEREF _Toc321227823 h 10 HYPERLINK l _Toc321227824 5.1国外外研究现现状 PAGEREF _Toc321227824 h 10 HYPERLINK l _Toc321227825 5.2国内内研究现现状 PAGEREF _Toc321227825 h 11 HYPERLINK l _Toc321227826 5.3当前前我国机机电一体体化技术术的主要要发展领领域 PAGEREF _Toc32122782

8、6 h 12 HYPERLINK l _TToc332122278827 5.44我国技技术的发发展趋势势 PAGEREF _Toc321227827 h 12 HYPERLINK l _Toc321227828 5.5 机机电一体体化产品品的发展展趋势 PAGEREF _Toc321227828 h 14 HYPERLINK l _Toc321227829 第六章 机电一一体化产产品概念念设计理理论展望望 PAGEREF _Toc321227829 h 17 HYPERLINK l _Toc322122278330 致谢 PAGEREF _Toc321227830 h 19 HYPERLIN

9、K l _Toc321227831 参考文献 PAGEREF _Toc321227831 h 20江西理工大学南昌校区2009届专科生毕业论文 PAGE 31机电一体化化产品基基本概要要机电一体化化发展至至今已经经成为一一门自成成一体的的新型学学科, 随着科科学技术术的不断断发展, 必将将被赋一一予新的的内容。但但其基本本特征可可概括为为机电一一体化是是从系统统的观点点出发, 综合合运用机机械技术术、微电电子技术术、自动动控制技技术、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、接接口技术术、信息息变换技技术以及及软件编编程技术术等群体体技术, 根据据系统功功能目标标和优化

10、化组织目目标, 合理配配置与布布局各功功能单元元, 在在多功能能、高质质量、高高可靠性性、低能能耗的意意义上实实现特定定功能价价值, 并使整整个系统统最终达达到最优优化的系系统工程程技术。由由此而产产生的功功能系统统, 就就成为一一个机电电一体化化系统或或机电一一体化产产品。1.1产品品的基本本概念机电一体化化又称机机械电子子学，英英文称为为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杂志的副副刊上，随随着机电电一体化化技

11、术的的快速发发展，机机电一体体化的概概念被人人们广泛泛接受和和普遍使使用。119966年出版版的WEEBSTTER大大词典收收录了这这个日本本造的英英文单词词，这不不仅意味味着 “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。机电一体化机电一体化信息科学机械学电子学图1- 图1- SEQ 图10- * ARABIC 1机电一体化与其它学科的关系那么，什么么是机电一一体化呢呢？机电一体化化是指在在机构的的主功能能、动力力功能、信信息处理理功能和和控制功功能上引引进电子子技术，将将机械装

12、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。到目前为止止，就机机电一体体化这一一概念的的内涵国国内外学学术界还还没有一一个完全全统一的的表述。一一般认为为，机电电一体化化是以机机械学、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。这这里面包包含了三三重含义义：首先先，机电电一体化化是机械械学、电电子学与与信息科科学等学学科相互互融合而而形成的的学科。图图1-11 形象象地表达达了机电电一体化化与机械械学、电电子学和和信息科科学之间间的相互互关系；其次，机机电一体体化是一一个发展展中的

13、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，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，以以计算机机技术、通通信技术术和控制制技术为为特征的的信息技技术（即即所谓的的“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

14、换句话说说，机电电一体化化是多种种技术学学科有机机结合的的产物，而而不是它它们的简简单叠加加。现实实生活中中的机电电一体化化产品比比比皆是是。我们们日常生生活中使使用的全全自动洗洗衣机、空空调及全全自动照照相机，都都是典型型的机电电一体化化产品；在机械械制造领领域中广广泛使用用的各种种数控机机床、工工业机器器人、三三坐标测测量仪及及全自动动仓储，也也是典型型的机电电一体化化产品；而汽车车更是机机电一体体化技术术成功应应用的典典范，目目前汽车车上成功功应用和和正在开开发的机机电一体体化系统统达数十十种之多多，特别别是发动动机电子子控制系系统、汽汽车防抱抱死制动动系统、全全主动和和半主动动悬架等等

15、机电一一体化系系统在汽汽车上的的应用，使使得现代代汽车的的乘坐舒舒适性、行行驶安全全性及环环保性能能都得到到了很大大的改善善；在农农业工程程领域，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、悬悬挂式农农具的自自动调节节系统、联联合收获获机工作作部件（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 机电一一体化技技术的特特点使用安全性性和可靠靠性提高高。工程程机械机机电一体体化产品品一般都都是具有有自动监监视、报报警、自自动诊断断、自动动保护等等功能。在在工作过过程中，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

16、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，显显著提高高设备的的使用安安全性。生产能力和和工作质质量提高高 工工程机械械机电一一体化产产品大都都具有信信息自动动处理和和自动控控制功能能，其控控制和检检测的灵灵敏度、精精度以及及范围都都有很大大程度的的提高，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，从从而实现现最佳操操作，保保证最佳佳的工作作质量和和产品的的合格率率。同时时，由于于工程机机械机电电一体化化产品实实现了工工作的自自动化，使使得生产产能力大大大提高高。使用性能改改善 工程机机械机

17、电电一体化化产品普普遍采用用程序控控制和数数字显示示，操作作按钮和和手柄数数量显著著减少，使使得操作作大大简简化并且且方便、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，系系统可重重复实现现全部动动作。高高级的工工程机械械机电一一体化产产品可通通过被控控对象的的数学模模型以及及外界参参数的变变化随即即自寻最最佳工作作程序，实实现自动动最优化化操作。具有复合功功能并且且适用面面广 工程机机械机电电一体化化产品跳跳出了机机械机电电一体化化产品的的单技术术和单功功能限制制，具有有复合技技术和复复合功能能，使产产品的功功能水平平和自动动化程度

18、度大大提提高。工工程机械械机电一一体化产产品一般般具有自自动化控控制、自自动补偿偿、自动动校验、自自动调节节、自动动保护和和智能化化等多种种功能，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。调整和维护护方便 工程程机械机机电一体体化产品品在安装装调试时时，可通通过改变变控制程程序来实实现工作作方式的的改变，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，而而不需要要改变产产品中的的任何部部件或零零件。对对于具有有存储功功能的工工程机械械机电一一体化产产品，

19、可可以事先先存入若若干套不不同的执执行程序序，然后后根据不不同的工工作对象象，只需需给定一一个代码码信号输输入，即即可按指指定的预预定程序序进行自自动工作作。机电电一体化化产品的的自动化化检验和和自动监监事功能能可对工工作过程程中出现现的故障障自动采采取措施施，使工工作恢复复正常。第三章 机电一一体化系系统设计计理论3.1 系系统的概概念系统:具有有特定功功能的、相相互之间间具有有有机联系系的许多多要素所所构成的的一个群群体。这个定义说说明：系系统包括括组成要要素、要要素之间间的相互互作用和和系统整整体的确确定功能能等三个个方面，缺缺一不可可。系统是一个个有机的的整体，整整体性是是系统最最基本

20、的的特性。系系统整体体所获得得的新的的特性、新新的功能能是各组组成要素素在孤立立状态时时所没有有的。任任何物质质系统都都具有层层次性，层层次具有有多样性性。纵向向的母子子系统，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

21、研研究它。3.2系统统运行的的规律系统运行的的两个规规律一是整体效效应规律律：系统统各单元元有机地地组合成成系统后后，各单单元功能能不仅相相互叠加加，而且且相互辅辅助、相相互促进进与提高高，使系系统整体体的功能能大于各各单元功功能的简简单的和和，即“整体大大于部分分的和”。另一个相反反的规律律是系统统内耗规规律：由由于各单单元的差差异性，在在组成系系统后若若对各单单元的相相互作用用协调不不当或约约束不力力，就会会导致单单元间的的矛盾和和摩擦，出出现内耗耗，内耗耗过大，则则可能出出现整体体小于部部分的和和的情况况。3.3机电电一体化化系统设设计理论论与方法法机械电子学学产品系系统是由由若干个个子

22、系统统或元件件构成的的集合体体。为实实现产品品系统的的主功能能，系统统、子系系统（孙孙子系统统）、元元件（元元素）采采用那一一种学科科的技术术作为手手段，绝绝非刻板板地规定定，而是是以实现现产品系系统主功功能的需需要，根根据评定定产品质质量标准准的要求求去选择择，并进进行综合合评价，找找出最优优的设计计。3.4组成成要素与与四大原原则3.4.11五大组组成要素素一个机电一一体化系系统中一一般由结结构组成成要素、动动力组成成要素、运运动组成成要素、感感知组成成要素、职职能组成成要素五五大组成成要素有有机结合合而成。机械本体（结结构组成成要素）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

23、包括括有机身身、框架架、支撑撑、联接接等。动力驱动部部分（动动力组成成要素）依依据系统统控制要要求，为为系统提提供能量量和动力力以使系系统正常常运行。测试传感部部分（感感知组成成要素）对对系统的的运行所所需要的的本身和和外部环环境的各各种参数数和状态态进行检检测，并并变成可可识别的的信号，传传输给信信息处理理单元，经经过分析析、处理理后产生生相应的的控制信信息。控制及信息息处理部部分（职职能组成成要素）将将来之测测试传感感部分的的信息及及外部直直接输入入的指令令进行集集中、存存储、分分析、加加工处理理后，按按照信息息处理结结果和规规定的程程序与节节奏发出出相应的的指令，控控制整个个系统有有目的

24、的的运行。执行机构（运运动组成成要素）；根据据控制及及信息处处理部分分发出的的指令，完完成规定定的动作作和功能能。机电一体化化系统一一般由机机械本体体、检测测传感部部分、电电子控制制单元、执执行器和和动力源源5个组组成部分分构成。3.4.22构成机电一一体化系系统的五五大组成成要素其其内部及及相互之之间都必必须遵循循结构耦耦合、运运动传递递、信息息控制与与能量转转换四大大原则。接口耦耦合：两两个需要要进行信信息交换换和传递递的环节节之间，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，连连续脉冲冲与序列列脉冲等等）无法法直接传传递和交交换，必必须通过过接口耦耦合来实实现。而而

25、两个信信号强弱弱相差悬悬殊的环环节之间间，也必必须通过过接口耦耦合后，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，连连续脉冲冲与序列列脉冲等等）无法法直接传传递和交交换，必必须通过过接口耦耦合来实实现。而而两个信信号强弱弱相差悬悬殊的环环节之间间，也必必须通过过接口

26、耦耦合后，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。 运动传递使使构成机机电一体体化系统统各组成成要素之之间，不不同类型型运动的的变换与与传输以以及以运运动控制制为目的的的优化化。在系统中，所所谓智能能组成要要素的系系统控制制单元，在在软、硬硬件的保保证下，完完成信息息的采集集、传输输、储存存、分析析、运算算、判断断、决策策，以达达到信息息控制的的目的。对对于智能能化程度度高

27、的信信息控制制系统还还包含了了知识获获得、推推理机制制以及自自学习功功能等知知识驱动动功能。两个需要进进行传输输和交换换的环节节之间，由由于模式式不同而而无法直直接进行行能量的的转换和和交流，必必须进行行能量的的转换，能能量的转转换包括括执行器器，驱动动器和他他们的不不同类型型能量的的最优转转换方法法及原理理。机电一体化化产品4.1 机电一一体化产产品概念念设计的的含义产品的概念念设计是是实现产产品创新新的关键键。因此此,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

28、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。特特别是近近几年来来,随着计计算机图图形学、虚虚拟现实实、敏捷捷设计、多多媒体等等技术的的发展和和CADD/ CCAM 应用的的深入,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

29、周周期各个个阶段的的要求,进行产产品功能能创造、功功能分解解以及功功能和子子功能的的结构设设计;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、方方案设计计及初步步结构设设计四个个阶段。其其中功能能设计是是概念设设计的前前期工作作,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

30、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 技术及其相关软件的发展,以及现代机构学自身的发展,使方案设计的计算机化成为可能。4.2 机电一一体化系系统的组组成原理理目前,对机机电一体体化系统统并没有有

31、一个普普遍认同同的定义义。由于于机电一一体化系系统的跨跨学科性性及其自自身的复复杂性,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机机电一体体化系统统进行了了定义。从从网站上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、信信息与控控制功能能上引进进了电子子技术,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。从从功能上上讲,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

32、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堆积。机机电一体体化系统统综合运运用了机机械工程程、控制制系统、电电子技术术、计算算机技术术和电工工技术等等多种技技术,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、复复杂性。机机电一体体化系统统的最终终目的是是实现可可控的运运动行为为。它是是充分利利用电子子计算机机的信息息处理和和控制功功能、利利用可控控驱动元元件特性性的现代代机械系系统。关关于

33、机电电一体化化系统的的设计理理论研究究方面,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、构构造功能能、传感感检测功功能和操操作功能能五大功功能模块块组成。丹麦理工大学的Jacob Burr 等人提出的三环论,认为机电一体化产品分为机械、电子、软件三大功能模块, 挪威科技大学的Bassam A. Hussein 提出的两个子系统论,将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两

34、大子系统。以上三三种结构构组成的的划分,更多地地立足于于电或控控制的角角度,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、复复杂性和和多面性性,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、传传感检测测子系统统、信息息处理及及控制子子系统三三个子系系统,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、信信息检测测、信息息处理及及控制。这这种划分分有利于于对机电电一体化化系统按按功能进进行分解解

35、,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设计计的若干干方案。三三子系统统中的广广义执行行机构子子系统,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。这这一概念念的提出出,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 建立机机电一体体化产品品概念设设计理论论与方法法的意义义设计方

36、法对对于指导导产品设设计具有有重要的的作用。苏苏联学者者阿切尔尔康的巨巨著机机械零件件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、规规范化。美美国学者者铁木辛辛科的巨巨著材材料力学学也影影响了几几代人,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。由由于机电电一体化化产品设设计的复复杂性决决定,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

37、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、方方法。基基于优良良的概念念设计方方案才能能够得到到性能优优异的机机电一体体化产品品。因此此,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EEngiineeerinng DDesiign一一书中提提出概念念设计的的思想,受到了了各国学学者的重重视

38、,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、TRIZ 设计理论、QFD 理论等。这些理论对工程领域的创新设计起到了巨大的推动作用,其成就为世人所关注。但这些设计理论多集中在一般的机械工程领域,或者由多个学科简单组合的工程产品设计。由于机电一体化系统的学科交叉性、集成性、融合性及复杂性等特点,现有的机械产品的概念设计理论不适用于机电一体化产品概念设计,必须结合机电一体化系统的自身特点,建立一套系统的、完整的概念设计理论和方法,指导机电一体化产品的创新设计。因此,我们认为:机电一体化产品发展到21 世纪,到了应该为其建立系统科学的设计理论和方法的时候了。同时,相关

39、学科的设计理论也为机电一体化产品设计理论的建立奠定了必要的理论基础。第五章 机电一一体化产产品设计计的国内内外研究究现状机电一体化化产品概概念设计计目前尚尚处于起起步阶段段,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、创创新性、多多目标性性、多解解性、层层次性、不不良结构构性及反反复迭代代性。5.1国外外研究现现状机电一体化化产品概概念设计计的研究究主要集集中在欧欧洲。主主要研究究机构有有:德国Daarmsstaddt 大大学,英国Laancaasteer 大大学工程程设计中中心,荷兰Twwentte 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

40、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Darrmsttadtt 大学学的R. Isserrrmannn , H. J . HHerppel ,M.Helld ,M. Gleesneer等人人,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

41、。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

42、电一体体化产品品概念设设计的实实质。德国Heiinz Nixxdorrf 大大学的JJ urrgenn Gaauseemeiier , MMarttinFFlatth ,Steefann Mohrringger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PSSA 所所进

43、行的的ESPPRITT / 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。该该项目的的核心是是一个包包含了机机电一体体化系统统中各个个学科的的模型所所组成的的模型库库。他们们把机电电一体化化的基本本功能元元件,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正确、有有效的、可可重用的的模型单单元。在在机电一一体化设设计中可可随时从从库中调调

44、用这些些基本元元件或系系统,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AAnallogyy 公司司声称其其开发的的Sabber 软件是是支持机机电一体体化系统统设计的的智能化化概念设设计软件件,但

45、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、灵灵敏度分分析等功功能,而不具具备产生生方案的的功能。就就其建模模功能来来讲,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19900 年成成立以来来,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的的研究。由由于机电电一体化化产品是是涉及到到各学科科的综合合技术的的应用,他

46、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。用用面向功功能模块块的混合合建模(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

47、内内研究现现状目前,国内内一些研研究单位位,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。本本课题组组上海交交通大学学,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。从从现代机机构的角角度出发发,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、传传感检测测子系统统、信息息处理及及控制子子系统,称为“三子系系统论”,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

48、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) Mecchannismm(机构构) 的PAMM 功能能求解模模型。该该模型能

49、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。概概念设计计阶段仿仿真的目目的是检检验系统统是否能能够完成成给定的的功能,以及实实现功能能所附带带的约束束条件。通通过分析析比较目目前通用用的各种种建模技技术(如键合合图、方方框图、信信号流图图、原理理图等) 及各各种仿真真软件的的优缺点点,采用Siimullinkk 仿

50、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、不不完整的的特点,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、模模糊半优优序评价价模型、模模糊全序序评价模模型。该该模型为为概念设设计的评评价提供供了一个个较为合合理的依依据,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

51、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当前前我国机机电一体体化技术术的主要要发展领领域机电一体化化的应用用范围正正越来越越广，几几乎涉及及无所不不包的社社会领域域。现已已有种类类繁多的的机电一一体化产产品与系系统，例例如锻压压、铸造造、轻工工、纺织织、冶金金、印刷刷、通讯讯、办公公、起重重运输等等所用的的机械，机机床，机机器人量量仪，量量具、仪仪表，低低压电器器，焊接接设备，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我国国技术的的发展趋趋势作为发展中中国家，我我国与发发达国家家相比工工业技术

52、术水平存存在一定定差距，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，特特别是近近年来，受受国际金金融危机机影响，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。完完成了我我国机电电一体化化发展途途径与对对策研研究，探探讨我国国机电一一体化发发展战略略，提出出了数控控机床、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

53、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、生生产基地地，培养养了一批批数控人人才，初初步形成成了自己己的数控控产业，到到20110年我我国机床床的数控控化率将将达到116.55%119.227%。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化化技术取取得更大大的进步步和发展展。我国国从200世纪880年代代初开始始进行机机电一体体化的研研究和应应用，国国务院成成立了机机电一体体化领导导小组并并

54、将其列列为“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。虽虽然目前前国内机机电一体体化技术术与日本本、欧美美等先进进国家相相比仍有有一定差差距，但但随着新新技术革革命的迅迅猛发展展，我国国加大了了机电一一体化技技术的研研究力度度，并将将其确定定为国家家高技术术重点研研究领域域，给予予优先支支持，并并取得了了一定的的成绩。5.4.11数控方方面我国数控技技术起步步于19958年年，在“九五

55、”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%。纵纵观我国国数控技技术近550年的的发展历历程,特特别是经经过4个个5年计计划的攻攻关,总总体来看看取得了了很好成成绩。目目前,已已具有年年产数控控系统330000多套、主主轴与进进给装置置50000多套套的生产产能力。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)。5.4.22工业机机器人方方面我国19886年将将机器人人的研究究开发列列入国家

56、家科技计计划,现现已掌握握了机器器人操作作机的设设计制造造技术、控控制系统统和软件件编程技技术、运运动学和和轨迹规规划技术术,生产产了部分分机器人人的关键键元器件件,并进进入实用用化阶段段，开发发出弧焊焊、点焊焊、喷漆漆、装配配、搬运运、注塑塑、冲压压及能前前后行走走、爬墙墙、水下下作业的的多种机机器人。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，解解决了工工业机器器人控制制、驱动动系统的的设计技技术，机机器人软软件的设设计和编编程等关关键技术术，还掌掌握弧焊焊、点焊焊及大型型机器人人自动生生产线（工工作站）与与周边配配套设备备的开发发和制备备技术

57、。现现在，我我国从事事机器人人研发的的单位有有2000多家，专专门从事事机器人人产业开开发的企企业有550家以以上，中中国市场场上总共共拥有近近万台工工业机器器人，其其中完全全国产的的工业机机器人（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。5.4.33计算机机集成制制造系统统方面我国经过多多年的理理论和技技术准备备,CIIMS已已经有了了较快发发展。目目前,已已在清华华大学建建成国家家CIMMS工程程研究中中心,在在著名高高校和研研究单位位建立了了7个CCIMSS单元技技术实验验室和88个CIIMS培培训中心心9。20000年年,全国国已有220多个

58、个省市、110多个个行业、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 机机电一体体化产品品的发展展趋势机电一体化化产品是是集机械械、电子子、光学学、控制制、计算算机、信信息等多多学科的的交叉综综合，它它的发展展和进步步依赖并并促进相相关技术术的发展展和进步步。纵观观国内外外机电一一体化产产品的发发展现状状和高新新技术的的发展动动向，机机电

59、一体体化产品品将朝着着以下几几个方向向发展：5.5.11绿色化化工业的发达达给人们们生活带带来了巨巨大变化化。一方方面,物物质丰富富,生活活舒适;另一方方面,资资源减少少,生态态环境受受到严重重污染。于于是,人人们呼吁吁保护环环境资源源,回归归自然。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。工业业的发展展使得

60、资资源减少少，生态态环境受受到严重重污染。绿绿色化成成了时代代的趋势势，产品品的绿色色化更成成了适应应未来发发展的一一大特色色。如果我们把把机械产产品和制制造机械械产品的的机械装装置统称称为机械械系统，则则机电一一体化技技术产品品的功能能可归结结为：提提高机械械系统的的性能，完完成传统统机械系系统不能能完成的的功能；提高机机械系统统的智能能化程度度，使人人在更舒舒适的环环境中工工作；提提高机械械系统的的可回收收性；降降低机械械系统的的原材料料消耗；降低机机械系统统的能耗耗；降低低机械系系统对环环境的污污染，可可以看出出其中至至少有33条是和和环境保保护有关关的。因因而，进进入211世纪，机机电