機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望

1、PAGE 摘 要 探討了機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計理論與方法對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要性。分析了機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計理論的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與不足之處。國外學(xué)者以電子學(xué)及控制理論為研究出發(fā)點(diǎn),建立了一些概念設(shè)計操作平臺。國內(nèi)學(xué)者以現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)為研究出發(fā)點(diǎn),研究以運(yùn)動執(zhí)行功能為主功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計,其設(shè)計理論與方法,更具有實用性,更有利于計算機(jī)輔助概念設(shè)計。最后指出了機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計理論與方法的發(fā)展方向。自1971年日本學(xué)者首次提出機(jī)電一體化(Mechatronics)這一概念以來,機(jī)電一體化經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展,其內(nèi)涵隨科技的發(fā)展不斷更新,不斷豐富。特別是人類進(jìn)入21 世紀(jì)以來,面對市場競爭

2、日趨激烈,消費(fèi)觀念不斷變化,人們對機(jī)電一體化產(chǎn)品的輸出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越來越高的要求。而相關(guān)學(xué)科,如AI 技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展,為機(jī)電一體化系統(tǒng)開辟了更加廣闊的應(yīng)用前景。尤其是微電子、信息、新材料及集成技術(shù)的發(fā)展,使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化。隨著信息、傳感等技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的融合,傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品正向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、柔性化、微型化、自動化等機(jī)電一體化新階段邁進(jìn)。機(jī)電一體化技術(shù)已成為一門新興的交叉學(xué)科術(shù),它涉及到機(jī)械制造技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、接口技術(shù)、自動控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。技術(shù)的更新,帶動機(jī)電一體化產(chǎn)品向更高

3、層次方向發(fā)展,以滿足人們不斷豐富和發(fā)展的物質(zhì)、文化和精神上的需求。機(jī)電一體化技在21 世紀(jì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)中將發(fā)揮重要的作用。機(jī)電一體化產(chǎn)品是機(jī)電一體化技術(shù)的載體和體現(xiàn)者,通過機(jī)電一體化產(chǎn)品來實現(xiàn)和反映當(dāng)今的機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展水平。因此,作為機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計師,不但要掌握先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù),而且更重要地是掌握如何在產(chǎn)品設(shè)計中充分展現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)電一體化技術(shù)的最新成果。機(jī)電一體化系統(tǒng)所具有的學(xué)科交叉性、多技術(shù)性、集成性、融合性、復(fù)雜性,給產(chǎn)品設(shè)計師提出了更高的要求。產(chǎn)品設(shè)計問題較傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計問題更為復(fù)雜。機(jī)電一體化技術(shù)的先進(jìn)性和設(shè)計問題的復(fù)雜性都深刻地啟示著我們,應(yīng)建立一種能夠與當(dāng)代機(jī)電

4、一體化技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計理論。關(guān)鍵詞: 機(jī)電一一體化;概念設(shè)設(shè)計;方案設(shè)設(shè)計;功能目 錄TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc321227811 第一章機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品基本概概要 PAGEREF _Toc321227811 h 1 HYPERLINK l _Toc321227812 1.1產(chǎn)品品的基本本概念 PAGEREF _Toc321227812 h 1 HYPERLINK l _Toc321227813 第二章 機(jī)電一一體化技技術(shù)的特特點(diǎn) PAGEREF _Toc321227813 h 3 HYPERLINK l _Toc321227814 第三章 機(jī)

5、電一一體化系系統(tǒng)設(shè)計計理論 PAGEREF _Toc321227814 h 4 HYPERLINK l _Toc321227815 3.1 系系統(tǒng)的概概念 PAGEREF _Toc321227815 h 4 HYPERLINK l _Toc321227816 3.2系統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)行的的規(guī)律 PAGEREF _Toc321227816 h 4 HYPERLINK l _Toc321227817 3.3機(jī)電電一體化化系統(tǒng)設(shè)設(shè)計理論論與方法法 PAGEREF _Toc321227817 h 4 HYPERLINK l _Toc321227818 3.4組成成要素與與四大原原則 PAGEREF _Toc32

6、1227818 h 5 HYPERLINK l _Toc321227819 第四章機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品 PAGEREF _Toc321227819 h 7 HYPERLINK l _Toc321227820 4.1 機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品概念念設(shè)計的的含義 PAGEREF _Toc321227820 h 7 HYPERLINK l _Tooc322122278221 4.22 機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)的組成成原理 PAGEREF _Toc321227821 h 7 HYPERLINK l _Toc321227822 4.3 建立機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品概念設(shè)設(shè)計理論論與方法法的意義義 PAGEREF _T

7、oc321227822 h 8 HYPERLINK l _Toc321227823 第五章 機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計計的國內(nèi)內(nèi)外研究究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc321227823 h 10 HYPERLINK l _Toc321227824 5.1國外外研究現(xiàn)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc321227824 h 10 HYPERLINK l _Toc321227825 5.2國內(nèi)內(nèi)研究現(xiàn)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc321227825 h 11 HYPERLINK l _Toc321227826 5.3當(dāng)前前我國機(jī)機(jī)電一體體化技術(shù)術(shù)的主要要發(fā)展領(lǐng)領(lǐng)域 PAGEREF _Toc32122782

8、6 h 12 HYPERLINK l _TToc332122278827 5.44我國技技術(shù)的發(fā)發(fā)展趨勢勢 PAGEREF _Toc321227827 h 12 HYPERLINK l _Toc321227828 5.5 機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的發(fā)展展趨勢 PAGEREF _Toc321227828 h 14 HYPERLINK l _Toc321227829 第六章 機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品概念念設(shè)計理理論展望望 PAGEREF _Toc321227829 h 17 HYPERLINK l _Toc322122278330 致謝 PAGEREF _Toc321227830 h 19 HYPERLIN

9、K l _Toc321227831 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc321227831 h 20江西理工大學(xué)南昌校區(qū)2009屆專科生畢業(yè)論文 PAGE 31機(jī)電一體化化產(chǎn)品基基本概要要機(jī)電一體化化發(fā)展至至今已經(jīng)經(jīng)成為一一門自成成一體的的新型學(xué)學(xué)科, 隨著科科學(xué)技術(shù)術(shù)的不斷斷發(fā)展, 必將將被賦一一予新的的內(nèi)容。但但其基本本特征可可概括為為機(jī)電一一體化是是從系統(tǒng)統(tǒng)的觀點(diǎn)點(diǎn)出發(fā), 綜合合運(yùn)用機(jī)機(jī)械技術(shù)術(shù)、微電電子技術(shù)術(shù)、自動動控制技技術(shù)、汁汁算機(jī)技技術(shù)、信信息技術(shù)術(shù)、傳感感測控技技術(shù)、電電力電子子技術(shù)、接接口技術(shù)術(shù)、信息息變換技技術(shù)以及及軟件編編程技術(shù)術(shù)等群體體技術(shù), 根據(jù)據(jù)系統(tǒng)功功能目標(biāo)標(biāo)和優(yōu)化

10、化組織目目標(biāo), 合理配配置與布布局各功功能單元元, 在在多功能能、高質(zhì)質(zhì)量、高高可靠性性、低能能耗的意意義上實實現(xiàn)特定定功能價價值, 并使整整個系統(tǒng)統(tǒng)最終達(dá)達(dá)到最優(yōu)優(yōu)化的系系統(tǒng)工程程技術(shù)。由由此而產(chǎn)產(chǎn)生的功功能系統(tǒng)統(tǒng), 就就成為一一個機(jī)電電一體化化系統(tǒng)或或機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品。1.1產(chǎn)品品的基本本概念機(jī)電一體化化又稱機(jī)機(jī)械電子子學(xué)，英英文稱為為Mecchattronnicss,它是由由英文機(jī)機(jī)械學(xué)MMechhaniics 的前半半部分與與電子學(xué)學(xué)Eleectrroniics 的后半半部分組組合而成成。機(jī)電電一體化化最早出出現(xiàn)在119711年日本本機(jī)械械設(shè)計雜雜志的副副刊上，隨隨著機(jī)電電一體化化技

11、術(shù)的的快速發(fā)發(fā)展，機(jī)機(jī)電一體體化的概概念被人人們廣泛泛接受和和普遍使使用。119966年出版版的WEEBSTTER大大詞典收收錄了這這個日本本造的英英文單詞詞，這不不僅意味味著 “Mecchattronnicss”這個單單詞得到到了世界界各國學(xué)學(xué)術(shù)界和和企業(yè)界界的認(rèn)可可，而且且還意味味著“機(jī)電一一體化”的哲理理和思想想為世人人所接受受。機(jī)電一體化機(jī)電一體化信息科學(xué)機(jī)械學(xué)電子學(xué)圖1- 圖1- SEQ 圖10- * ARABIC 1機(jī)電一體化與其它學(xué)科的關(guān)系那么，什么么是機(jī)電一一體化呢呢？機(jī)電一體化化是指在在機(jī)構(gòu)的的主功能能、動力力功能、信信息處理理功能和和控制功功能上引引進(jìn)電子子技術(shù)，將將機(jī)械裝

12、裝置與電電子化設(shè)設(shè)計及軟軟件結(jié)合合起來所所構(gòu)成的的系統(tǒng)的的總稱。到目前為止止，就機(jī)機(jī)電一體體化這一一概念的的內(nèi)涵國國內(nèi)外學(xué)學(xué)術(shù)界還還沒有一一個完全全統(tǒng)一的的表述。一一般認(rèn)為為，機(jī)電電一體化化是以機(jī)機(jī)械學(xué)、電電子學(xué)和和信息科科學(xué)為主主的多門門技術(shù)學(xué)學(xué)科在機(jī)機(jī)電產(chǎn)品品發(fā)展過過程中相相互交叉叉、相互互滲透而而形成的的一門新新興邊緣緣性技術(shù)術(shù)學(xué)科。這這里面包包含了三三重含義義：首先先，機(jī)電電一體化化是機(jī)械械學(xué)、電電子學(xué)與與信息科科學(xué)等學(xué)學(xué)科相互互融合而而形成的的學(xué)科。圖圖1-11 形象象地表達(dá)達(dá)了機(jī)電電一體化化與機(jī)械械學(xué)、電電子學(xué)和和信息科科學(xué)之間間的相互互關(guān)系；其次，機(jī)機(jī)電一體體化是一一個發(fā)展展中的

13、概概念，早早期的機(jī)機(jī)電一體體化就像像其字面面所表述述的那樣樣，主要要強(qiáng)調(diào)機(jī)機(jī)械與電電子的結(jié)結(jié)合，即即將電子子技術(shù)“溶入”到機(jī)械械技術(shù)中中而形成成新的技技術(shù)與產(chǎn)產(chǎn)品。隨隨著機(jī)電電一體化化技術(shù)的的發(fā)展，以以計算機(jī)機(jī)技術(shù)、通通信技術(shù)術(shù)和控制制技術(shù)為為特征的的信息技技術(shù)（即即所謂的的“3C”技術(shù)：Commputter、Commmunnicaatioon和 Conntrool TTechhnollogyy）“滲透”到機(jī)械械技術(shù)中中，豐富富了機(jī)電電一體化化的含義義，最后后，機(jī)電電一體化化表達(dá)了了技術(shù)之之間相互互結(jié)合的的學(xué)術(shù)思思想，強(qiáng)強(qiáng)調(diào)各種種技術(shù)在在機(jī)電產(chǎn)產(chǎn)品中的的相互協(xié)協(xié)調(diào)，以以達(dá)到系系統(tǒng)總體體最優(yōu)。換

14、換句話說說，機(jī)電電一體化化是多種種技術(shù)學(xué)學(xué)科有機(jī)機(jī)結(jié)合的的產(chǎn)物，而而不是它它們的簡簡單疊加加?，F(xiàn)實實生活中中的機(jī)電電一體化化產(chǎn)品比比比皆是是。我們們?nèi)粘Ｉ钪惺故褂玫娜詣酉聪匆聶C(jī)、空空調(diào)及全全自動照照相機(jī)，都都是典型型的機(jī)電電一體化化產(chǎn)品；在機(jī)械械制造領(lǐng)領(lǐng)域中廣廣泛使用用的各種種數(shù)控機(jī)機(jī)床、工工業(yè)機(jī)器器人、三三坐標(biāo)測測量儀及及全自動動倉儲，也也是典型型的機(jī)電電一體化化產(chǎn)品；而汽車車更是機(jī)機(jī)電一體體化技術(shù)術(shù)成功應(yīng)應(yīng)用的典典范，目目前汽車車上成功功應(yīng)用和和正在開開發(fā)的機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)達(dá)數(shù)十十種之多多，特別別是發(fā)動動機(jī)電子子控制系系統(tǒng)、汽汽車防抱抱死制動動系統(tǒng)、全全主動和和半主動動懸架等等

15、機(jī)電一一體化系系統(tǒng)在汽汽車上的的應(yīng)用，使使得現(xiàn)代代汽車的的乘坐舒舒適性、行行駛安全全性及環(huán)環(huán)保性能能都得到到了很大大的改善善；在農(nóng)農(nóng)業(yè)工程程領(lǐng)域，機(jī)機(jī)電一體體化技術(shù)術(shù)也在一一定范圍圍內(nèi)得到到了應(yīng)用用，如拖拖拉機(jī)自自動駕駛駛系統(tǒng)、懸懸掛式農(nóng)農(nóng)具的自自動調(diào)節(jié)節(jié)系統(tǒng)、聯(lián)聯(lián)合收獲獲機(jī)工作作部件（如如脫粒清清選裝置置）的監(jiān)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)、溫室室環(huán)境自自動控制制系統(tǒng)等等。第二章 機(jī)電一一體化技技術(shù)的特特點(diǎn)使用安全性性和可靠靠性提高高。工程程機(jī)械機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品一般都都是具有有自動監(jiān)監(jiān)視、報報警、自自動診斷斷、自動動保護(hù)等等功能。在在工作過過程中，遇遇到過載載、過壓壓、過流流、短路路等電力力故障時時，能自自

16、動采取取保護(hù)措措施，避避免和減減少人身身和設(shè)備備事故，顯顯著提高高設(shè)備的的使用安安全性。生產(chǎn)能力和和工作質(zhì)質(zhì)量提高高 工工程機(jī)械械機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品大都都具有信信息自動動處理和和自動控控制功能能，其控控制和檢檢測的靈靈敏度、精精度以及及范圍都都有很大大程度的的提高，通通過自動動控制系系統(tǒng)可精精確地保保證機(jī)械械的執(zhí)行行機(jī)構(gòu)按按照設(shè)計計的要求求完成預(yù)預(yù)定動作作，使之之不受機(jī)機(jī)械操作作者主觀觀因素的的影響，從從而實現(xiàn)現(xiàn)最佳操操作，保保證最佳佳的工作作質(zhì)量和和產(chǎn)品的的合格率率。同時時，由于于工程機(jī)機(jī)械機(jī)電電一體化化產(chǎn)品實實現(xiàn)了工工作的自自動化，使使得生產(chǎn)產(chǎn)能力大大大提高高。使用性能改改善 工程機(jī)機(jī)械機(jī)

17、電電一體化化產(chǎn)品普普遍采用用程序控控制和數(shù)數(shù)字顯示示，操作作按鈕和和手柄數(shù)數(shù)量顯著著減少，使使得操作作大大簡簡化并且且方便、簡簡單。工工程機(jī)械械機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品的工工作過程程根據(jù)預(yù)預(yù)設(shè)的程程序逐步步由電子子控制系系統(tǒng)指揮揮實現(xiàn)，系系統(tǒng)可重重復(fù)實現(xiàn)現(xiàn)全部動動作。高高級的工工程機(jī)械械機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品可通通過被控控對象的的數(shù)學(xué)模模型以及及外界參參數(shù)的變變化隨即即自尋最最佳工作作程序，實實現(xiàn)自動動最優(yōu)化化操作。具有復(fù)合功功能并且且適用面面廣 工程機(jī)機(jī)械機(jī)電電一體化化產(chǎn)品跳跳出了機(jī)機(jī)械機(jī)電電一體化化產(chǎn)品的的單技術(shù)術(shù)和單功功能限制制，具有有復(fù)合技技術(shù)和復(fù)復(fù)合功能能，使產(chǎn)產(chǎn)品的功功能水平平和自動動化程度

18、度大大提提高。工工程機(jī)械械機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品一般般具有自自動化控控制、自自動補(bǔ)償償、自動動校驗、自自動調(diào)節(jié)節(jié)、自動動保護(hù)和和智能化化等多種種功能，能能應(yīng)用于于不同的的場合和和不同領(lǐng)領(lǐng)域，滿滿足用戶戶需求的的應(yīng)變能能力較強(qiáng)強(qiáng)。調(diào)整和維護(hù)護(hù)方便 工程程機(jī)械機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品在安裝裝調(diào)試時時，可通通過改變變控制程程序來實實現(xiàn)工作作方式的的改變，以以適應(yīng)不不同用戶戶對象的的需要以以及現(xiàn)場場參數(shù)變變化的需需要。這這些控制制程序可可通過多多種手段段輸入到到工程機(jī)機(jī)械機(jī)電電一體化化產(chǎn)品的的控制系系統(tǒng)中，而而不需要要改變產(chǎn)產(chǎn)品中的的任何部部件或零零件。對對于具有有存儲功功能的工工程機(jī)械械機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品，

19、可可以事先先存入若若干套不不同的執(zhí)執(zhí)行程序序，然后后根據(jù)不不同的工工作對象象，只需需給定一一個代碼碼信號輸輸入，即即可按指指定的預(yù)預(yù)定程序序進(jìn)行自自動工作作。機(jī)電電一體化化產(chǎn)品的的自動化化檢驗和和自動監(jiān)監(jiān)事功能能可對工工作過程程中出現(xiàn)現(xiàn)的故障障自動采采取措施施，使工工作恢復(fù)復(fù)正常。第三章 機(jī)電一一體化系系統(tǒng)設(shè)計計理論3.1 系系統(tǒng)的概概念系統(tǒng):具有有特定功功能的、相相互之間間具有有有機(jī)聯(lián)系系的許多多要素所所構(gòu)成的的一個群群體。這個定義說說明：系系統(tǒng)包括括組成要要素、要要素之間間的相互互作用和和系統(tǒng)整整體的確確定功能能等三個個方面，缺缺一不可可。系統(tǒng)是一個個有機(jī)的的整體，整整體性是是系統(tǒng)最最基本

20、的的特性。系系統(tǒng)整體體所獲得得的新的的特性、新新的功能能是各組組成要素素在孤立立狀態(tài)時時所沒有有的。任任何物質(zhì)質(zhì)系統(tǒng)都都具有層層次性，層層次具有有多樣性性。縱向向的母子子系統(tǒng)，可可構(gòu)成垂垂直系統(tǒng)統(tǒng)的層次次；橫向向的同一一層次中中，又可可構(gòu)成各各種平行行的系統(tǒng)統(tǒng)；縱橫橫交錯的的網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)，又又可構(gòu)成成各種交交叉層次次系統(tǒng)的的概念是是相對的的，以考考察問題題角度不不同而異異。某一一系統(tǒng)可可以由若若干子系系統(tǒng)組成成，它又又可以成成為一個個更高級級系統(tǒng)的的子系統(tǒng)統(tǒng)。不論論是宏觀觀或是微微觀的問問題，只只要它具具有相互互關(guān)聯(lián)的的若干單單元組合合的性質(zhì)質(zhì)，就可可以而且且應(yīng)該從從系統(tǒng)工工程的角角度來分分析和

21、研研究它。3.2系統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)行的的規(guī)律系統(tǒng)運(yùn)行的的兩個規(guī)規(guī)律一是整體效效應(yīng)規(guī)律律：系統(tǒng)統(tǒng)各單元元有機(jī)地地組合成成系統(tǒng)后后，各單單元功能能不僅相相互疊加加，而且且相互輔輔助、相相互促進(jìn)進(jìn)與提高高，使系系統(tǒng)整體體的功能能大于各各單元功功能的簡簡單的和和，即“整體大大于部分分的和”。另一個相反反的規(guī)律律是系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)耗規(guī)規(guī)律：由由于各單單元的差差異性，在在組成系系統(tǒng)后若若對各單單元的相相互作用用協(xié)調(diào)不不當(dāng)或約約束不力力，就會會導(dǎo)致單單元間的的矛盾和和摩擦，出出現(xiàn)內(nèi)耗耗，內(nèi)耗耗過大，則則可能出出現(xiàn)整體體小于部部分的和和的情況況。3.3機(jī)電電一體化化系統(tǒng)設(shè)設(shè)計理論論與方法法機(jī)械電子學(xué)學(xué)產(chǎn)品系系統(tǒng)是由由若干個個子

22、系統(tǒng)統(tǒng)或元件件構(gòu)成的的集合體體。為實實現(xiàn)產(chǎn)品品系統(tǒng)的的主功能能，系統(tǒng)統(tǒng)、子系系統(tǒng)（孫孫子系統(tǒng)統(tǒng)）、元元件（元元素）采采用那一一種學(xué)科科的技術(shù)術(shù)作為手手段，絕絕非刻板板地規(guī)定定，而是是以實現(xiàn)現(xiàn)產(chǎn)品系系統(tǒng)主功功能的需需要，根根據(jù)評定定產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的要求求去選擇擇，并進(jìn)進(jìn)行綜合合評價，找找出最優(yōu)優(yōu)的設(shè)計計。3.4組成成要素與與四大原原則3.4.11五大組組成要素素一個機(jī)電一一體化系系統(tǒng)中一一般由結(jié)結(jié)構(gòu)組成成要素、動動力組成成要素、運(yùn)運(yùn)動組成成要素、感感知組成成要素、職職能組成成要素五五大組成成要素有有機(jī)結(jié)合合而成。機(jī)械本體（結(jié)結(jié)構(gòu)組成成要素）是是系統(tǒng)的的所有功功能要素素的機(jī)械械支持結(jié)結(jié)構(gòu)，一一般

23、包括括有機(jī)身身、框架架、支撐撐、聯(lián)接接等。動力驅(qū)動部部分（動動力組成成要素）依依據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)控制要要求，為為系統(tǒng)提提供能量量和動力力以使系系統(tǒng)正常常運(yùn)行。測試傳感部部分（感感知組成成要素）對對系統(tǒng)的的運(yùn)行所所需要的的本身和和外部環(huán)環(huán)境的各各種參數(shù)數(shù)和狀態(tài)態(tài)進(jìn)行檢檢測，并并變成可可識別的的信號，傳傳輸給信信息處理理單元，經(jīng)經(jīng)過分析析、處理理后產(chǎn)生生相應(yīng)的的控制信信息。控制及信息息處理部部分（職職能組成成要素）將將來之測測試傳感感部分的的信息及及外部直直接輸入入的指令令進(jìn)行集集中、存存儲、分分析、加加工處理理后，按按照信息息處理結(jié)結(jié)果和規(guī)規(guī)定的程程序與節(jié)節(jié)奏發(fā)出出相應(yīng)的的指令，控控制整個個系統(tǒng)有有目的

24、的的運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（運(yùn)運(yùn)動組成成要素）；根據(jù)據(jù)控制及及信息處處理部分分發(fā)出的的指令，完完成規(guī)定定的動作作和功能能。機(jī)電一體化化系統(tǒng)一一般由機(jī)機(jī)械本體體、檢測測傳感部部分、電電子控制制單元、執(zhí)執(zhí)行器和和動力源源5個組組成部分分構(gòu)成。3.4.22構(gòu)成機(jī)電一一體化系系統(tǒng)的五五大組成成要素其其內(nèi)部及及相互之之間都必必須遵循循結(jié)構(gòu)耦耦合、運(yùn)運(yùn)動傳遞遞、信息息控制與與能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換四大大原則。接口耦耦合：兩兩個需要要進(jìn)行信信息交換換和傳遞遞的環(huán)節(jié)節(jié)之間，由由于信息息模式不不同（數(shù)數(shù)字量與與模擬量量，串行行碼與并并行碼，連連續(xù)脈沖沖與序列列脈沖等等）無法法直接傳傳遞和交交換，必必須通過過接口耦耦合來實實現(xiàn)。而而

25、兩個信信號強(qiáng)弱弱相差懸懸殊的環(huán)環(huán)節(jié)之間間，也必必須通過過接口耦耦合后，才才能匹配配。變換換放大后后的信號號要在兩兩個環(huán)節(jié)節(jié)之間可可靠、快快速、準(zhǔn)準(zhǔn)確的交交換、傳傳遞，必必須遵循循一致的的時序、信信號格式式和邏輯輯規(guī)范才才行，因因此接口口耦合時時就必須須具有保保證信息息的邏輯輯控制功功能，使使信息按按規(guī)定的的模式進(jìn)進(jìn)行交換換與傳遞遞。兩個需要進(jìn)進(jìn)行信息息交換和和傳遞的的環(huán)節(jié)之之間，由由于信息息模式不不同（數(shù)數(shù)字量與與模擬量量，串行行碼與并并行碼，連連續(xù)脈沖沖與序列列脈沖等等）無法法直接傳傳遞和交交換，必必須通過過接口耦耦合來實實現(xiàn)。而而兩個信信號強(qiáng)弱弱相差懸懸殊的環(huán)環(huán)節(jié)之間間，也必必須通過過接口

26、耦耦合后，才才能匹配配。變換換放大后后的信號號要在兩兩個環(huán)節(jié)節(jié)之間可可靠、快快速、準(zhǔn)準(zhǔn)確的交交換、傳傳遞，必必須遵循循一致的的時序、信信號格式式和邏輯輯規(guī)范才才行，因因此接口口耦合時時就必須須具有保保證信息息的邏輯輯控制功功能，使使信息按按規(guī)定的的模式進(jìn)進(jìn)行交換換與傳遞遞。 運(yùn)動傳遞使使構(gòu)成機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)各組成成要素之之間，不不同類型型運(yùn)動的的變換與與傳輸以以及以運(yùn)運(yùn)動控制制為目的的的優(yōu)化化。在系統(tǒng)中，所所謂智能能組成要要素的系系統(tǒng)控制制單元，在在軟、硬硬件的保保證下，完完成信息息的采集集、傳輸輸、儲存存、分析析、運(yùn)算算、判斷斷、決策策，以達(dá)達(dá)到信息息控制的的目的。對對于智能能化程度度高

27、的信信息控制制系統(tǒng)還還包含了了知識獲獲得、推推理機(jī)制制以及自自學(xué)習(xí)功功能等知知識驅(qū)動動功能。兩個需要進(jìn)進(jìn)行傳輸輸和交換換的環(huán)節(jié)節(jié)之間，由由于模式式不同而而無法直直接進(jìn)行行能量的的轉(zhuǎn)換和和交流，必必須進(jìn)行行能量的的轉(zhuǎn)換，能能量的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換包括括執(zhí)行器器，驅(qū)動動器和他他們的不不同類型型能量的的最優(yōu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換方法法及原理理。機(jī)電一體化化產(chǎn)品4.1 機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品概念念設(shè)計的的含義產(chǎn)品的概念念設(shè)計是是實現(xiàn)產(chǎn)產(chǎn)品創(chuàng)新新的關(guān)鍵鍵。因此此,對產(chǎn)品品的概念念設(shè)計理理論與方方法的研研究,得到了了國內(nèi)外外學(xué)者的的極大關(guān)關(guān)注,并成為為近年來來學(xué)術(shù)研研究的熱熱點(diǎn)。人人們逐漸漸認(rèn)識到到概念設(shè)設(shè)計是產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計計最重要要、最復(fù)

28、復(fù)雜、也也是最富富有創(chuàng)造造性的階階段,是一個個從無到到有、從從上到下下、從模模糊到清清晰、從從抽象到到具體的的過程。特特別是近近幾年來來,隨著計計算機(jī)圖圖形學(xué)、虛虛擬現(xiàn)實實、敏捷捷設(shè)計、多多媒體等等技術(shù)的的發(fā)展和和CADD/ CCAM 應(yīng)用的的深入,產(chǎn)品概概念設(shè)計計的研究究也有了了新的進(jìn)進(jìn)展。文文獻(xiàn)22 在在Freenchh 及Pahhl aand Beiitz 研究工工作的基基礎(chǔ)上,根據(jù)機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品及其廣廣義執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的的特點(diǎn),將產(chǎn)品品的設(shè)計計過程分分為:產(chǎn)品規(guī)規(guī)劃、概概念設(shè)計計、詳細(xì)細(xì)設(shè)計和和改進(jìn)設(shè)設(shè)計四個個階段,并給出出概念設(shè)設(shè)計比較較全面的的定義:“概念設(shè)設(shè)計是根根據(jù)產(chǎn)品品生命

29、周周期各個個階段的的要求,進(jìn)行產(chǎn)產(chǎn)品功能能創(chuàng)造、功功能分解解以及功功能和子子功能的的結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計;進(jìn)行滿滿足功能能和結(jié)構(gòu)構(gòu)要求的的工作原原理求解解和實現(xiàn)現(xiàn)功能結(jié)結(jié)構(gòu)的工工作原理理載體方方案的構(gòu)構(gòu)思和系系統(tǒng)化設(shè)設(shè)計?！备拍钤O(shè)設(shè)計可劃劃分為功功能設(shè)計計、原理理設(shè)計、方方案設(shè)計計及初步步結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計四個個階段。其其中功能能設(shè)計是是概念設(shè)設(shè)計的前前期工作作,即根據(jù)據(jù)市場需需求和機(jī)機(jī)器功用用進(jìn)行設(shè)設(shè)計思想想和設(shè)計計理念的的構(gòu)想,規(guī)劃產(chǎn)產(chǎn)品的總總體框架架。這一一部分工工作,屬于“形象思思維”,創(chuàng)新的的火花往往往在這這一階段段產(chǎn)生,這一階階段需更更多地借借助于設(shè)設(shè)計人員員的創(chuàng)新新思維能能力、知知識與經(jīng)經(jīng)驗的發(fā)發(fā)

30、揮;原理設(shè)設(shè)計是概概念設(shè)計計的難點(diǎn)點(diǎn),也是最最能體現(xiàn)現(xiàn)機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品交叉叉學(xué)科特特點(diǎn)的階階段,即如何何選擇不不同學(xué)科科領(lǐng)域的的工作原原理方案案來更好好地滿足足產(chǎn)品的的功能需需求。這這需要通通曉各相相關(guān)學(xué)科科領(lǐng)域的的專家,借助各各類知識識庫的建建立與運(yùn)運(yùn)用是解解決這一一難題的的有效途途徑;概念設(shè)設(shè)計的后后期工作作是方案案設(shè)計,確定機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的方案案,相對于于前期工工作而言言,更多地地屬于“邏輯思思維”。隨著著計算機(jī)機(jī)技術(shù)、AI 技術(shù)及其相關(guān)軟件的發(fā)展,以及現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)自身的發(fā)展,使方案設(shè)計的計算機(jī)化成為可能。4.2 機(jī)電一一體化系系統(tǒng)的組組成原理理目前,對機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)并沒有有

31、一個普普遍認(rèn)同同的定義義。由于于機(jī)電一一體化系系統(tǒng)的跨跨學(xué)科性性及其自自身的復(fù)復(fù)雜性,不同學(xué)學(xué)科領(lǐng)域域的學(xué)者者分別從從不同的的研究角角度對機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行了了定義。從從網(wǎng)站上上可以得得到幾十十種關(guān)于于機(jī)電一一體化系系統(tǒng)的定定義。本本文從機(jī)機(jī)代機(jī)構(gòu)構(gòu)學(xué)的角角度,認(rèn)為機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)的最本本質(zhì)的特特征是一一種機(jī)械械,但又不不同于一一般的機(jī)機(jī)械,它是在在機(jī)構(gòu)的的主功能能、動力力功能、信信息與控控制功能能上引進(jìn)進(jìn)了電子子技術(shù),并與軟軟件有機(jī)機(jī)結(jié)合而而成的一一種特殊殊的機(jī)械械系統(tǒng)。從從功能上上講,是用于于完成包包括機(jī)械械力、運(yùn)運(yùn)動和能能量流等等多動力力學(xué)任務(wù)務(wù)的機(jī)械械和(或) 機(jī)電電部件相相

32、互聯(lián)系系的系統(tǒng)統(tǒng)。機(jī)電電一體化化系統(tǒng)是是一個完完整的系系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)各各種技術(shù)術(shù)的協(xié)調(diào)調(diào)和集成成,各部分分之間是是有機(jī)結(jié)結(jié)合而不不是簡單單拼湊和和堆積。機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)綜合運(yùn)運(yùn)用了機(jī)機(jī)械工程程、控制制系統(tǒng)、電電子技術(shù)術(shù)、計算算機(jī)技術(shù)術(shù)和電工工技術(shù)等等多種技技術(shù),機(jī)電一一體化系系統(tǒng)的執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)擴(kuò)展到到了廣義義執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu),即包括括驅(qū)動元元件和執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)子系統(tǒng)統(tǒng)。機(jī)電電一體化化具有跨跨學(xué)科性性、集成成性、融融合性、復(fù)復(fù)雜性。機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)的最終終目的是是實現(xiàn)可可控的運(yùn)運(yùn)動行為為。它是是充分利利用電子子計算機(jī)機(jī)的信息息處理和和控制功功能、利利用可控控驅(qū)動元元件特性性的現(xiàn)代代機(jī)械系系統(tǒng)。關(guān)關(guān)于

33、機(jī)電電一體化化系統(tǒng)的的設(shè)計理理論研究究方面,首先反反映在機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)的組成成結(jié)構(gòu)的的劃分上上。目前前比較典典型的機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)的組成成結(jié)構(gòu)的的劃分有有三種: 德國Drrmsttadtt大學(xué)的的Rollf IIserrmannn 提提出的五五塊論,認(rèn)為機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品是由控控制功能能、動力力功能、構(gòu)構(gòu)造功能能、傳感感檢測功功能和操操作功能能五大功功能模塊塊組成。丹麥理工大學(xué)的Jacob Burr 等人提出的三環(huán)論,認(rèn)為機(jī)電一體化產(chǎn)品分為機(jī)械、電子、軟件三大功能模塊, 挪威科技大學(xué)的Bassam A. Hussein 提出的兩個子系統(tǒng)論,將機(jī)電一體化系統(tǒng)劃分為物理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩

34、大子系統(tǒng)。以上三三種結(jié)構(gòu)構(gòu)組成的的劃分,更多地地立足于于電或控控制的角角度,沒有突突出機(jī)械械主體部部分,也沒有有很好地地解決機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)概念設(shè)設(shè)計的模模糊性、復(fù)復(fù)雜性和和多面性性,因此不不利于產(chǎn)產(chǎn)品的系系統(tǒng)設(shè)計計,尤其是是概念設(shè)設(shè)計。從從概念設(shè)設(shè)計的需需要出發(fā)發(fā),從完成成工藝動動作過程程這一總總功能要要求出發(fā)發(fā),將機(jī)電電一體化化系統(tǒng)劃劃分為廣廣義執(zhí)行行機(jī)構(gòu)子子系統(tǒng)、傳傳感檢測測子系統(tǒng)統(tǒng)、信息息處理及及控制子子系統(tǒng)三三個子系系統(tǒng),稱為“三子系系統(tǒng)論”。三個個子系統(tǒng)統(tǒng)分別完完成機(jī)械械運(yùn)動和和動作、信信息檢測測、信息息處理及及控制。這這種劃分分有利于于對機(jī)電電一體化化系統(tǒng)按按功能進(jìn)進(jìn)行分解解

35、,分別尋尋求各自自的功能能載體,通過集集成優(yōu)化化來得到到機(jī)電一一體化系系統(tǒng)的概概念設(shè)計計的若干干方案。三三子系統(tǒng)統(tǒng)中的廣廣義執(zhí)行行機(jī)構(gòu)子子系統(tǒng),突出了了機(jī)電一一體化系系統(tǒng)中的的機(jī)械主主體地位位,又體現(xiàn)現(xiàn)了這種種機(jī)構(gòu)的的可控性性特點(diǎn)。這這一概念念的提出出,有利于于設(shè)計師師應(yīng)用系系統(tǒng)設(shè)計計的原理理和方法法進(jìn)行機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的創(chuàng)新新設(shè)計。目目前,對傳感感檢測子子系統(tǒng)和和控制子子系統(tǒng)的的研究較較多,理論上上也較成成熟,而對直直接完成成工藝動動作功能能的廣義義執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)子系系統(tǒng)的研研究卻不不夠深入入,目前處處于迅速速發(fā)展階階段。4.3 建立機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品概念設(shè)設(shè)計理論論與方法法的意義義設(shè)計方

36、法對對于指導(dǎo)導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)設(shè)計具有有重要的的作用。蘇蘇聯(lián)學(xué)者者阿切爾爾康的巨巨著機(jī)機(jī)械零件件設(shè)計指指導(dǎo)了幾幾代人的的設(shè)計工工作,使機(jī)械械設(shè)計理理論化、規(guī)規(guī)范化。美美國學(xué)者者鐵木辛辛科的巨巨著材材料力學(xué)學(xué)也影影響了幾幾代人,奠定了了強(qiáng)度設(shè)設(shè)計的基基礎(chǔ)。設(shè)設(shè)計理論論對于設(shè)設(shè)計的指指導(dǎo)作用用已為世世人所公公認(rèn)。最最優(yōu)化原原理、智智能化原原理、柔柔性化原原理、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化原原理、可可靠性原原理等是是從系統(tǒng)統(tǒng)的觀點(diǎn)點(diǎn)和運(yùn)籌籌學(xué)的角角度,針對某某項具體體指標(biāo)完完成產(chǎn)品品局部設(shè)設(shè)計環(huán)節(jié)節(jié)的設(shè)計計理論和和方法。由由于機(jī)電電一體化化產(chǎn)品設(shè)設(shè)計的復(fù)復(fù)雜性決決定,單獨(dú)應(yīng)應(yīng)用這些些設(shè)計理理論,雖可以以對機(jī)電電一體化化產(chǎn)品的的原

37、始創(chuàng)創(chuàng)新起到到了一定定的作用用,但也易易于達(dá)到到設(shè)計極極限。概概念設(shè)計計是產(chǎn)品品設(shè)計的的重要階階段,決定了了產(chǎn)品設(shè)設(shè)計質(zhì)量量的60 %70 %。因因而,要建立立機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)設(shè)計理論論,必須首首先建立立機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品概念念設(shè)計的的理論、方方法。基基于優(yōu)良良的概念念設(shè)計方方案才能能夠得到到性能優(yōu)優(yōu)異的機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品。因此此,建立機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的概念念設(shè)計理理論體系系是非常常必要的的。Paahl 和Beiitz 從設(shè)計計方法學(xué)學(xué)的角度度研究了了產(chǎn)品的的設(shè)計過過程,并在EEngiineeerinng DDesiign一一書中提提出概念念設(shè)計的的思想,受到了了各國學(xué)學(xué)者的重重視

38、,相繼出出現(xiàn)了多多種用于于概念設(shè)設(shè)計階段段的設(shè)計計理論,如公理理化設(shè)計計理論、TRIZ 設(shè)計理論、QFD 理論等。這些理論對工程領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計起到了巨大的推動作用,其成就為世人所關(guān)注。但這些設(shè)計理論多集中在一般的機(jī)械工程領(lǐng)域,或者由多個學(xué)科簡單組合的工程產(chǎn)品設(shè)計。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)的學(xué)科交叉性、集成性、融合性及復(fù)雜性等特點(diǎn),現(xiàn)有的機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計理論不適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計,必須結(jié)合機(jī)電一體化系統(tǒng)的自身特點(diǎn),建立一套系統(tǒng)的、完整的概念設(shè)計理論和方法,指導(dǎo)機(jī)電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。因此,我們認(rèn)為:機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展到21 世紀(jì),到了應(yīng)該為其建立系統(tǒng)科學(xué)的設(shè)計理論和方法的時候了。同時,相關(guān)

39、學(xué)科的設(shè)計理論也為機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計理論的建立奠定了必要的理論基礎(chǔ)。第五章 機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計計的國內(nèi)內(nèi)外研究究現(xiàn)狀機(jī)電一體化化產(chǎn)品概概念設(shè)計計目前尚尚處于起起步階段段,它涉及及到多種種學(xué)科領(lǐng)領(lǐng)域知識識的交叉叉與融合合,具有復(fù)復(fù)雜性、創(chuàng)創(chuàng)新性、多多目標(biāo)性性、多解解性、層層次性、不不良結(jié)構(gòu)構(gòu)性及反反復(fù)迭代代性。5.1國外外研究現(xiàn)現(xiàn)狀機(jī)電一體化化產(chǎn)品概概念設(shè)計計的研究究主要集集中在歐歐洲。主主要研究究機(jī)構(gòu)有有:德國Daarmsstaddt 大大學(xué),英國Laancaasteer 大大學(xué)工程程設(shè)計中中心,荷蘭Twwentte 大大學(xué),比利時時Leuuvenn 大學(xué)學(xué),挪威科科技大學(xué)學(xué),丹麥技技術(shù)大

40、學(xué)學(xué)和芬蘭蘭VTTT 研究究中心等等。另外外,在美國國,與機(jī)電電一體化化系統(tǒng)有有關(guān)的概概念設(shè)計計工作大大多集中中在MIIT 大大學(xué),CCarnnegiie MMelllon 大學(xué),MMichhigaan 大大學(xué)和SStanndfoord大大學(xué)。在在日本,東京大大學(xué)的YYoshhikaawa 和Tommiyaama 兩位學(xué)學(xué)者的研研究工作作涉及到到了一般般的機(jī)電電一體化化系統(tǒng)的的概念設(shè)設(shè)計。德國Darrmsttadtt 大學(xué)學(xué)的R. Isserrrmannn , H. J . HHerppel ,M.Helld ,M. Gleesneer等人人,對機(jī)電電一體化化產(chǎn)品設(shè)設(shè)計進(jìn)行行了較深深入的研研究

41、。他他們的研研究領(lǐng)域域主要集集中在機(jī)機(jī)電一體體化的控控制系統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)計計方法學(xué)學(xué)上。提提出了機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)的能量量流和信信息流模模型,并將控控制系統(tǒng)統(tǒng)按層次次劃分為為管理層層、監(jiān)視視層、控控制層和和處理層層四個層層次。從從他們的的觀點(diǎn)來來看,機(jī)電一一體化的的驅(qū)動器器、傳感感器及機(jī)機(jī)械部分分都是作作為控制制系統(tǒng)設(shè)設(shè)計的外外界環(huán)境境而存在在的。而而控制系系統(tǒng)設(shè)計計是機(jī)電電一體化化的主體體。因此此在他們們的設(shè)計計中,較少考考慮到機(jī)機(jī)械部分分的特性性、傳感感器的特特性及驅(qū)驅(qū)動器的的特性,也沒有有考慮到到幾個部部分之間間的融合合設(shè)計問問題。該該觀點(diǎn)不不能全面面反映以以實現(xiàn)運(yùn)運(yùn)動執(zhí)行行功能為為主的機(jī)機(jī)

42、電一體體化產(chǎn)品品概念設(shè)設(shè)計的實實質(zhì)。德國Heiinz Nixxdorrf 大大學(xué)的JJ urrgenn Gaauseemeiier , MMarttinFFlatth ,Steefann Mohrringger等等人于220011 年構(gòu)構(gòu)建了機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)開發(fā)的的V 型模模型,指出在在概念設(shè)設(shè)計的早早期階段段,需要有有一種共共同的功功能描述述語言來來描述所所涉及的的不同學(xué)學(xué)科的知知識,給出了了一種適適用于機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品概念設(shè)設(shè)計的集集成方法法,即用半半規(guī)則式式說明語語言進(jìn)行行功能原原理建模模。將該該方法已已成功用用于汽車車導(dǎo)航驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)的概念念設(shè)計過過程中。在法國PSSA 所所進(jìn)

43、行的的ESPPRITT / OOLMEECO (Oppen Li22braary forr Moodells oof MMechhatrroniics Commponnentts 機(jī)機(jī)電一體體化組成成元件的的模型的的開放庫庫) 研究究項目,取得了了階段性性成功。該該項目的的核心是是一個包包含了機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)中各個個學(xué)科的的模型所所組成的的模型庫庫。他們們把機(jī)電電一體化化的基本本功能元元件,或者一一些已在在實踐中中得到應(yīng)應(yīng)用的系系統(tǒng)作為為基本單單元存入入模型庫庫。這個個模型庫庫能夠為為工程設(shè)設(shè)計人員員提供正正確、有有效的、可可重用的的模型單單元。在在機(jī)電一一體化設(shè)設(shè)計中可可隨時從從庫中調(diào)調(diào)

44、用這些些基本元元件或系系統(tǒng),從而提提高了設(shè)設(shè)計效率率和準(zhǔn)確確性,并且在在一定程程度上降降低了設(shè)設(shè)計的難難度。該該項目雖雖然取得得了一定定的進(jìn)展展,但就模模型庫而而言,其存儲儲的是以以前得到到的、被被實踐檢檢驗的機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的組成成元件模模型,僅對機(jī)機(jī)電一體體化數(shù)據(jù)據(jù)庫的存存儲和查查找進(jìn)行行產(chǎn)品的的概念設(shè)設(shè)計,與智能能化概念念設(shè)計還還存在相相當(dāng)?shù)木嗑嚯x,其設(shè)計計方案缺缺乏創(chuàng)新新性。并并且由于于缺少機(jī)機(jī)電一體體化概念念設(shè)計理理論的支支持,該系統(tǒng)統(tǒng)并不理理想。雖然美國AAnallogyy 公司司聲稱其其開發(fā)的的Sabber 軟件是是支持機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計的的智能化化概念設(shè)設(shè)計軟件件,但

45、其實實質(zhì)至多多是一個個機(jī)電一一體化仿仿真軟件件。它只只具有對對機(jī)電一一體化系系統(tǒng)建模模、性能能仿真、靈靈敏度分分析等功功能,而不具具備產(chǎn)生生方案的的功能。就就其建模模功能來來講,也基本本上集中中在信息息系統(tǒng)或或控制系系統(tǒng)領(lǐng)域域,目前還還沒有看看到其能能夠用于于機(jī)械裝裝置的建建模仿真真的例子子。由于于該軟件件是由電電子系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計軟軟件發(fā)展展而來,對于機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)有先天天不足之之嫌。自19900 年成成立以來來,英國Laancaasteer 大大學(xué)的工工程設(shè)計計中心在在機(jī)電一一體化系系統(tǒng)概念念設(shè)計方方面作了了大量的的研究。由由于機(jī)電電一體化化產(chǎn)品是是涉及到到各學(xué)科科的綜合合技術(shù)的的應(yīng)用,他

46、們采采用鍵合合圖(BBondd Grraphh) 作作為仿真真技術(shù)的的底層,通過能能量守衡衡定律在在各能量量子系統(tǒng)統(tǒng)之間搭搭起一座座橋梁,采用方方框圖作作為信息息處理系系統(tǒng)的底底層表達(dá)達(dá)方式。用用面向功功能模塊塊的混合合建模(包括鍵鍵合圖理理論、方方框圖和和高層次次的功能能模塊表表達(dá)) 方式,構(gòu)建了了機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計計的Scchemmebuuildder 虛擬開開發(fā)平臺臺。通過過系統(tǒng)模模擬平臺臺進(jìn)行模模擬、仿仿真、檢檢驗,從而在在設(shè)計的的早期就就能夠驗驗證、改改善系統(tǒng)統(tǒng)的性能能。但該該軟件的的設(shè)計偏偏重于控控制部分分,但對執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)部分卻卻不夠深深入,目前處處于實驗驗室水平平。5.2國

47、內(nèi)內(nèi)研究現(xiàn)現(xiàn)狀目前,國內(nèi)內(nèi)一些研研究單位位,如浙江江大學(xué)、華中中科技大大學(xué)等單單位,在機(jī)械械產(chǎn)品概概念設(shè)計計及計算算機(jī)輔助助創(chuàng)新設(shè)設(shè)計方面面進(jìn)行了了研究,但對機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品概念設(shè)設(shè)計方面面的問題題基本沒沒有進(jìn)行行研究。本本課題組組上海交交通大學(xué)學(xué),從19996 年年開始,對機(jī)電電一體化化產(chǎn)品概概念設(shè)計計的理論論與方法法進(jìn)行了了較為深深入的研研究,并取得得了初步步的研究究成果。從從現(xiàn)代機(jī)機(jī)構(gòu)的角角度出發(fā)發(fā),將機(jī)電電一體化化系統(tǒng)劃劃分為廣廣義執(zhí)行行機(jī)構(gòu)子子系統(tǒng)、傳傳感檢測測子系統(tǒng)統(tǒng)、信息息處理及及控制子子系統(tǒng),稱為“三子系系統(tǒng)論”,并由此此建立機(jī)機(jī)電一體體化系統(tǒng)統(tǒng)概念設(shè)設(shè)計的框框架體系系,有

48、利于于機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品的創(chuàng)創(chuàng)新設(shè)計計。以實實現(xiàn)運(yùn)動動功能為為主功能能的一大大類機(jī)電電一體化化產(chǎn)品(如電腦腦型多功功能縫紉紉機(jī)等) 為研研究對象象,對機(jī)電電一體化化產(chǎn)品概概念設(shè)計計的核心心問題廣廣義執(zhí)行行機(jī)構(gòu)子子系統(tǒng)的的概念設(shè)設(shè)計進(jìn)行行了系統(tǒng)統(tǒng)研究,提出了了由總功功能進(jìn)行行基本工工藝動作作過程的的構(gòu)思;由基本本工藝動動作過程程,實現(xiàn)動動作分解解,得到獨(dú)獨(dú)立的執(zhí)執(zhí)行動作作;確定各各執(zhí)行動動作的創(chuàng)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)構(gòu)及其機(jī)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)統(tǒng)的組合合的框架架模型, 即歸歸納為: Prroceess ( 工工藝) Acttionn ( 動作) Mecchannismm(機(jī)構(gòu)構(gòu)) 的PAMM 功能能求解模模型。該該模型能

49、能將概念念設(shè)計與與機(jī)構(gòu)及及其系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計很很好地結(jié)結(jié)合起來來,更具有有可操作作性,更易于于實現(xiàn)創(chuàng)創(chuàng)新設(shè)計計,更利于于計算機(jī)機(jī)輔助概概念設(shè)計計的實現(xiàn)現(xiàn)。由于于機(jī)電一一體化系系統(tǒng)是一一個復(fù)雜雜的動態(tài)態(tài)系統(tǒng),只有在在了解了了其動態(tài)態(tài)性能的的基礎(chǔ)上上才能進(jìn)進(jìn)行恰當(dāng)當(dāng)?shù)脑u價價,因此機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的建模模與仿真真問題顯顯得更為為重要。概概念設(shè)計計階段仿仿真的目目的是檢檢驗系統(tǒng)統(tǒng)是否能能夠完成成給定的的功能,以及實實現(xiàn)功能能所附帶帶的約束束條件。通通過分析析比較目目前通用用的各種種建模技技術(shù)(如鍵合合圖、方方框圖、信信號流圖圖、原理理圖等) 及各各種仿真真軟件的的優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn),采用Siimullinkk 仿

50、真真軟件構(gòu)構(gòu)造了一一個面向向功能模模塊建模模方法的的,表達(dá)機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品中廣義義執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的概概念設(shè)計計的系統(tǒng)統(tǒng)仿真平平臺。這這一平臺臺的構(gòu)建建,為機(jī)電電一體化化產(chǎn)品概概念設(shè)計計的整體體仿真平平臺的建建立奠定定了基礎(chǔ)礎(chǔ)。針對對機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品概念念設(shè)計階階段評價價指標(biāo)及及重要度度不確定定、信息息模糊、不不完整的的特點(diǎn),在模糊糊理論的的基礎(chǔ)上上,提出了了一個三三層模糊糊優(yōu)序評評價模型型;模糊預(yù)預(yù)序評價價模型、模模糊半優(yōu)優(yōu)序評價價模型、模模糊全序序評價模模型。該該模型為為概念設(shè)設(shè)計的評評價提供供了一個個較為合合理的依依據(jù),并以汽汽車自動動喇叭的的概念設(shè)設(shè)計為例例,進(jìn)行了了應(yīng)用研研究。上上述

51、研究究,為機(jī)電電一體化化產(chǎn)品概概念設(shè)計計及其計計算機(jī)化化的研究究奠定了了理論基基礎(chǔ)。5.3當(dāng)前前我國機(jī)機(jī)電一體體化技術(shù)術(shù)的主要要發(fā)展領(lǐng)領(lǐng)域機(jī)電一體化化的應(yīng)用用范圍正正越來越越廣，幾幾乎涉及及無所不不包的社社會領(lǐng)域域?，F(xiàn)已已有種類類繁多的的機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品與系系統(tǒng)，例例如鍛壓壓、鑄造造、輕工工、紡織織、冶金金、印刷刷、通訊訊、辦公公、起重重運(yùn)輸?shù)鹊人玫牡臋C(jī)械，機(jī)機(jī)床，機(jī)機(jī)器人量量儀，量量具、儀儀表，低低壓電器器，焊接接設(shè)備，電電機(jī)傳動動裝置電電站控制制系統(tǒng)信信息裝置置，軍事事裝備以以及醫(yī)療療器械家家用電器器等。5.4我國國技術(shù)的的發(fā)展趨趨勢作為發(fā)展中中國家，我我國與發(fā)發(fā)達(dá)國家家相比工工業(yè)技術(shù)

52、術(shù)水平存存在一定定差距，但但有廣闊闊的機(jī)電電一體化化應(yīng)用空空間。改改革開放放以來，特特別是近近年來，受受國際金金融危機(jī)機(jī)影響，面面臨國際際市場經(jīng)經(jīng)濟(jì)激烈烈競爭形形勢的挑挑戰(zhàn)，國國家和企企業(yè)充分分認(rèn)識到到機(jī)電一一體化技技術(shù)對我我國經(jīng)濟(jì)濟(jì)發(fā)展的的戰(zhàn)略意意義，機(jī)機(jī)電一體體化技術(shù)術(shù)的研究究、應(yīng)用用和產(chǎn)業(yè)業(yè)化受到到了前所所未有的的重視和和發(fā)展。完完成了我我國機(jī)電電一體化化發(fā)展途途徑與對對策研研究，探探討我國國機(jī)電一一體化發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略略，提出出了數(shù)控控機(jī)床、工工業(yè)自動動化控制制儀表等等15個個機(jī)電一一體化優(yōu)優(yōu)先發(fā)展展領(lǐng)域和和6項共共性關(guān)鍵鍵技術(shù)的的研究方方向和課課題。我我國已研研制成功功了一大大批機(jī)電電一體

53、化化科研成成果，以以數(shù)控技技術(shù)為例例，我國國的數(shù)控控技術(shù)經(jīng)經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”和“九五”的200年的發(fā)發(fā)展，基基本上掌掌握了關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)，建立立了數(shù)控控開發(fā)、生生產(chǎn)基地地，培養(yǎng)養(yǎng)了一批批數(shù)控人人才，初初步形成成了自己己的數(shù)控控產(chǎn)業(yè)，到到20110年我我國機(jī)床床的數(shù)控控化率將將達(dá)到116.55%119.227%。這這些成果果的取得得為我國國在制造造業(yè)機(jī)電電一體化化的研究究和應(yīng)用用方面積積累了寶寶貴的經(jīng)經(jīng)驗，必必將推動動我國機(jī)電一體化化技術(shù)取取得更大大的進(jìn)步步和發(fā)展展。我國國從200世紀(jì)880年代代初開始始進(jìn)行機(jī)機(jī)電一體體化的研研究和應(yīng)應(yīng)用，國國務(wù)院成成立了機(jī)機(jī)電一體體化領(lǐng)導(dǎo)導(dǎo)小組并并

54、將其列列為“8633計劃”。在制制定“九五”規(guī)劃和和20110年發(fā)發(fā)展綱要要時充分分考慮了了國際上上關(guān)于機(jī)機(jī)電一體體化技術(shù)術(shù)的發(fā)展展動向和和由此可可能帶來來的影響響，許多多大專院院校、研研究機(jī)構(gòu)構(gòu)及一些些大中型型企業(yè)對對這一技技術(shù)的發(fā)發(fā)展及應(yīng)應(yīng)用做了了大量的的工作。雖雖然目前前國內(nèi)機(jī)機(jī)電一體體化技術(shù)術(shù)與日本本、歐美美等先進(jìn)進(jìn)國家相相比仍有有一定差差距，但但隨著新新技術(shù)革革命的迅迅猛發(fā)展展，我國國加大了了機(jī)電一一體化技技術(shù)的研研究力度度，并將將其確定定為國家家高技術(shù)術(shù)重點(diǎn)研研究領(lǐng)域域，給予予優(yōu)先支支持，并并取得了了一定的的成績。5.4.11數(shù)控方方面我國數(shù)控技技術(shù)起步步于19958年年，在“九五

55、”末期,國產(chǎn)數(shù)數(shù)控機(jī)床床的國內(nèi)內(nèi)市場占占有率達(dá)達(dá)50%,配國國產(chǎn)數(shù)控控系統(tǒng)(普及型型)也達(dá)達(dá)到了110%?？v縱觀我國國數(shù)控技技術(shù)近550年的的發(fā)展歷歷程,特特別是經(jīng)經(jīng)過4個個5年計計劃的攻攻關(guān),總總體來看看取得了了很好成成績。目目前,已已具有年年產(chǎn)數(shù)控控系統(tǒng)330000多套、主主軸與進(jìn)進(jìn)給裝置置50000多套套的生產(chǎn)產(chǎn)能力。近近十年來來,普通通級數(shù)控控機(jī)床的的加工精精度已由由10m提高高到5m,精精密級加加工中心心則從335m,提提高到111.5m,并并且超精精密加工工精度已已開始進(jìn)進(jìn)入納米米級(00.011m)。5.4.22工業(yè)機(jī)機(jī)器人方方面我國19886年將將機(jī)器人人的研究究開發(fā)列列入國家

56、家科技計計劃,現(xiàn)現(xiàn)已掌握握了機(jī)器器人操作作機(jī)的設(shè)設(shè)計制造造技術(shù)、控控制系統(tǒng)統(tǒng)和軟件件編程技技術(shù)、運(yùn)運(yùn)動學(xué)和和軌跡規(guī)規(guī)劃技術(shù)術(shù),生產(chǎn)產(chǎn)了部分分機(jī)器人人的關(guān)鍵鍵元器件件,并進(jìn)進(jìn)入實用用化階段段，開發(fā)發(fā)出弧焊焊、點(diǎn)焊焊、噴漆漆、裝配配、搬運(yùn)運(yùn)、注塑塑、沖壓壓及能前前后行走走、爬墻墻、水下下作業(yè)的的多種機(jī)機(jī)器人。目目前，國國內(nèi)相關(guān)關(guān)科研機(jī)機(jī)構(gòu)和企企業(yè)已掌掌握了工工業(yè)機(jī)器器人操作作機(jī)的優(yōu)優(yōu)化制造造技術(shù)，解解決了工工業(yè)機(jī)器器人控制制、驅(qū)動動系統(tǒng)的的設(shè)計技技術(shù)，機(jī)機(jī)器人軟軟件的設(shè)設(shè)計和編編程等關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)，還掌掌握弧焊焊、點(diǎn)焊焊及大型型機(jī)器人人自動生生產(chǎn)線（工工作站）與與周邊配配套設(shè)備備的開發(fā)發(fā)和制備備技術(shù)

57、。現(xiàn)現(xiàn)在，我我國從事事機(jī)器人人研發(fā)的的單位有有2000多家，專專門從事事機(jī)器人人產(chǎn)業(yè)開開發(fā)的企企業(yè)有550家以以上，中中國市場場上總共共擁有近近萬臺工工業(yè)機(jī)器器人，其其中完全全國產(chǎn)的的工業(yè)機(jī)機(jī)器人（行行業(yè)內(nèi)規(guī)規(guī)模比較較大的前前三家工工業(yè)機(jī)器器人企業(yè)業(yè)）行業(yè)業(yè)集中度度占300%左右右。5.4.33計算機(jī)機(jī)集成制制造系統(tǒng)統(tǒng)方面我國經(jīng)過多多年的理理論和技技術(shù)準(zhǔn)備備,CIIMS已已經(jīng)有了了較快發(fā)發(fā)展。目目前,已已在清華華大學(xué)建建成國家家CIMMS工程程研究中中心,在在著名高高校和研研究單位位建立了了7個CCIMSS單元技技術(shù)實驗驗室和88個CIIMS培培訓(xùn)中心心9。20000年年,全國國已有220多個

58、個省市、110多個個行業(yè)、2200多多家不同同規(guī)模和和類型的的企業(yè)通通過實施施CIMMS應(yīng)用用示范工工程,取取得了巨巨大的經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益。當(dāng)前前,CIIMS的的進(jìn)一步步試點(diǎn)推推廣應(yīng)用用已經(jīng)擴(kuò)擴(kuò)展到機(jī)機(jī)械、電電子、航航空、航航天、輕輕工、紡紡織、冶冶金、石石油化工工等諸多多領(lǐng)域,正得到到各行各各業(yè)越來來越多的的關(guān)注和和投入。5.5 機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的發(fā)展展趨勢機(jī)電一體化化產(chǎn)品是是集機(jī)械械、電子子、光學(xué)學(xué)、控制制、計算算機(jī)、信信息等多多學(xué)科的的交叉綜綜合，它它的發(fā)展展和進(jìn)步步依賴并并促進(jìn)相相關(guān)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展和進(jìn)步步?？v觀觀國內(nèi)外外機(jī)電一一體化產(chǎn)產(chǎn)品的發(fā)發(fā)展現(xiàn)狀狀和高新新技術(shù)的的發(fā)展動動向，機(jī)機(jī)電

59、一體體化產(chǎn)品品將朝著著以下幾幾個方向向發(fā)展：5.5.11綠色化化工業(yè)的發(fā)達(dá)達(dá)給人們們生活帶帶來了巨巨大變化化。一方方面,物物質(zhì)豐富富,生活活舒適;另一方方面,資資源減少少,生態(tài)態(tài)環(huán)境受受到嚴(yán)重重污染。于于是,人人們呼吁吁保護(hù)環(huán)環(huán)境資源源,回歸歸自然。綠綠色產(chǎn)品品概念在在這種呼呼聲下應(yīng)應(yīng)運(yùn)而生生,綠色色化是時時代的趨趨勢。綠綠色產(chǎn)品品在其設(shè)設(shè)計、制制造、使使用和銷銷毀的生生命過程程中,符符合特定定的環(huán)境境保護(hù)和和人類健健康的要要求,對對生態(tài)環(huán)環(huán)境無害害或危害害極少,資源利利用率極極高。機(jī)機(jī)電一體體化產(chǎn)品品的綠色色化主要要是指使使用時不不污染生生態(tài)環(huán)境境,報廢廢后能回回收利用用。工業(yè)業(yè)的發(fā)展展使得

60、資資源減少少，生態(tài)態(tài)環(huán)境受受到嚴(yán)重重污染。綠綠色化成成了時代代的趨勢勢，產(chǎn)品品的綠色色化更成成了適應(yīng)應(yīng)未來發(fā)發(fā)展的一一大特色色。如果我們把把機(jī)械產(chǎn)產(chǎn)品和制制造機(jī)械械產(chǎn)品的的機(jī)械裝裝置統(tǒng)稱稱為機(jī)械械系統(tǒng)，則則機(jī)電一一體化技技術(shù)產(chǎn)品品的功能能可歸結(jié)結(jié)為：提提高機(jī)械械系統(tǒng)的的性能，完完成傳統(tǒng)統(tǒng)機(jī)械系系統(tǒng)不能能完成的的功能；提高機(jī)機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的智能能化程度度，使人人在更舒舒適的環(huán)環(huán)境中工工作；提提高機(jī)械械系統(tǒng)的的可回收收性；降降低機(jī)械械系統(tǒng)的的原材料料消耗；降低機(jī)機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)的能耗耗；降低低機(jī)械系系統(tǒng)對環(huán)環(huán)境的污污染，可可以看出出其中至至少有33條是和和環(huán)境保保護(hù)有關(guān)關(guān)的。因因而，進(jìn)進(jìn)入211世紀(jì)，機(jī)機(jī)電