| 标题 | 机电一体化系统概念设计的基本原理 |
| 范文 | 孔祥坚 梁镇杰 陈宗汝 摘 要：我国是高速发展的发展中国家，在各个科学技术领域都有涉及，为了使我国能尽快赶上甚至超越发达国家，我国在科学技术领域投入了巨大的心血。其中机电一体化作为我国重工业中不可或缺的一环，有无数的仁人志士在其中呕心沥血，使得我国的机电一体化取得了一定成果。“机电一体化”是机械工业发展中与微电子技术相碰撞所诞生的新火花，这一崭新的概念是机械工业和微电子技术等各方面相关技术进行有机结合后产生的新形式技术。机电一体化技术对产品的独立自主开发能力产生了推进作用，这是由于这一类产品的基本设计原理和微电子技术等相关技术进行有机综合的结果，这不仅填补了我国相关企业的产品空白领域，更使得进一步推动产品技术的发展有了坚实的推动力量。 关键词：系统；功能；机电一体化 中图分类号：TH39 文献标志码：A 在21世纪这一信息时代，世界领域方面在信息，网络，传感器，还有人工智能和计算机方面都取得了巨大的发展，而机电一体化技术在这些科学技术的飞速发展下也取得了飞跃式的发展，在应用方面也取得了更加廣阔的前景。电子产品由于微电子，新材料等方面的快速发展而飞跃发展，机械产品也在智能、网络、模块和自动等方面的客观需求下推进了机电一体化的发展。而且随着信息技术和传感技术的加入，机电一体化真正成了跨学科的科学技术。 科学技术的发展总是瞄准更新和更高层次的，这就为人们的生活空间和品质带来了更多惊喜，同时丰富了人民群众的物质文化生活，给人们带来了更高的精神享受。由此可见，机电一体化这一技术的机械产品在新时代的发展中起着重要的作用，而作为这些产品的重要技术支持可以实现机械产品的智能化，自动化的机电一体化技术就成为极其重要的科学技术。 1 机电一体化科学技术的概念设计 作为机电一体化产品的系统设计中不可或缺的重要步骤，概念设计是产品能否实现创新的关键所在。概念设计这一步骤作为创造性的集中体现，是极为复杂的重要过程，作为从无到有，从0～1的具象化过程，可以说一件产品的大部分设计质量就在这一过程中得以保证，只有优良的概念设计作为基础，才能得到优秀的机电一体化产品。在过去的发展中机电一体化技术已经产生了许多优异的理论并且极大地推动了机电一体化工程的创新设计，但随着信息时代的到来，知识大爆炸使得这些多数集中在机械工程方面，或者是多方面技术简单进行组合的工程设计方面的理论，已经不再适用于现代的机电一体化的设计。近几年来计算机方面的图形学，虚拟现实仿真技术，多媒体敏捷设计等方面的科学技术的发展，机电一体化这一科学技术的产品概念设计已经有了新的研究方向。 概念设计这一理论，是要根据产品各个阶段的要求，从而进行产品的工程创造，然后把功能进行分解，进而实现各个子功能的结构合理设计，然后求解满足功能基础上的结构的要求的工作原理，再构思可以实现这一工作原理的功能结构的载体方案，进而完成系统化的设计。这就是根据机电一体化系统还有广义执行机构的特点对机电一体化进行的定义。而概念设计又可以分为几个阶段，分别为功能的设计，工作原理的设计，方案的设计以及结构的初步设计。作为设计的最初阶段，功能设计即根据市场的需求构想设计理念，对产品的总体框架进行合理的规划。方案设计则属于后期工作，对逻辑的思维方面要求较高，不过随着计算机AI技术的发展，可能会有计算机辅助工作来减轻负担。 2 对机电一体化系统组成部分的认识 机电一体化的概念促进了技术的融合，对机电一体化的认识使得机电一体化有3种组成认识： 五块论是德国的大学提出的，这一理论认为机电一体化系统由控制，动力，传感器检测，操作和结构等五方面的模块组成，这样的分类方法将机电一体化系统类比于人类的大脑、内脏、五官、四肢和躯干，这样虽然可以让我们通俗的认识机电一体化系统，但却影响更深刻地理解，而且对进行概念设计造成不良影响。 三环论是由丹麦理工大学提出的，这一理论把机电一体化的机械方面，电子方面，软件方面华为了3个相关圆环，以图像方法表示机电一体化的系统的组成以及相互的联系，但是这一理论的问题在于电子的含义模糊，软件也无法进行明确的划分，这样也不足以解释机电一体化。 挪威科技大学则提出了可以将机电一体化系统分成两部分，即物理系统和控制系统等两个子系统。这样把执行，驱动，传感，方面归类于与物理系统；软硬件则归类于控制系统。这样的分类方法虽然完善一些，且有利于控制系统的研究，但是在概念设计方面则因为物理系统而无从下手。 这3种不同的认识看法充分反映了机电一体化系统的复杂性，也解释了为什么概念设计如此困难和重要。 3 新时代对机电一体化系统的新认识 （1）机电一体化系统是依靠计算机进行信息的处理与机械的控制的现代机械系统，是为了实现机械无人操作下的运动与动作。 （2）考虑工艺动作的完成过程，可以把机电一体化系统分为广义的执行机构方面的子系统，极细的处理与机械控制的子系统，进行传感和检测的子系统。这3个系统分别负责机械的运动，信息的处理和机械控制，还有信息的检测和传输。 （3）执行子系统是以可控性为最大卖点的机电一体化系统中的子系统，它的特殊性是由驱动原件和执行机构相融合的广义的执行机构。 这3种新的认识使得按功能分解机电一体化系统的方法得以实行，把各方面的功能分别放置于合适的载体上，进而使得集成优化这一方法可以作用于机电一体化系统上，使得概念设计的难度下降，进而获得较多的设计方案。 4 机电一体化系统的子系统功能特点说明 4.1 广义的执行机构子系统 可控性是机电一体化执行机构的重要性能，然而传统的执行传动机构基本全部由刚性组件组成，于是可控性就成了突出问题。现代意义上的广义的执行机构因为完成了驱动原件和执行机构的相互融合，使得可控的运动得以实现。从功能来看与传统相差不大，但只是多了可控这一便利保险的功能。使得集成应用得以在执行机构上完成，使得机构的系统化运动更有柔韧性。 4.2 信息检测和传感的子系统 机电一体化系统要想合理的运动，就离不开运动和动作的信息反馈，实现这一功能的就是信息检测和传感子系统。其中进行物理量的检测以及信号采集的功能的检测传感器可谓重中之重，它不仅是检测和传感功能的载体更是各个广义执行子系统的连接纽带。 4.3 信息的处理和机械控制子系统 对信息检测所测得的物理量和传感器所反馈的信息进行处理的就是信息处理和机械控制子系统的重要功能，正是由于这一功能的实现，才使机电一体化的后续功能得以实现，即通过达成的工艺动作和控制的策略实现对广义执行机构的控制。这一部分是自动化实现的关键，但是受制于前面的两个系统，只要驱动和传感的部分做好，这个部分就可以配套完成。 结语 信息时代下的机电一体化的认知已经发生变化，只有根据合适的概念设计方面的框架和模型，进行新的工作原理总结，在合理运用这些原理，才能实现机电一体化的设计创新。 参考文献 [1]李建勇.机电一体化技术[M].北京：科学出版社，2004. [2]李运华.机电控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003. [3]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004. |
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