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机电一体化系统概念设计的基本原理刘连月

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘连月

[导读] 摘要：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。

        天津市金星空气压缩机制造股份有限公司天津 300400
        摘要：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。鉴于此，本文主要分析探讨了机电一体化系统概念设计的基本原理，以供参阅。
        关键词：机电一体化系统；概念设计；基本原理
        1机电一体化系统的概念设计
        概念设计是系统（产品）设计的重要步骤，是实现产品创新的关键。这一步骤是产品设计最重要、最复杂、也是最富有创造性的阶段，是一个从无到有、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程，它决定了产品设计质量的60～70％，基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化系统（产品）。Pahl和Beitz从设计方法学的角度研究了产品的设计过程，并在《EngineeringDesign》一书中提出概念设计的思想，得到了各国学者的重视，并相继衍生多种用于概念设计阶段的设计理论，例如公理化设计理论、TRIZ设计理论、QFD理论等，这些理论极大地推动了工程领域的创新设计。但是这些理论多数集中在一般的机械工程领域，或者由多技术简单组合的工程产品设计，已经不适用于现代机电一体化设计，目前新的设计理论正在成形，特别是近几年来，随着计算机图形学、虚拟现实（仿真技术）、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM应用的深入，产品概念设计的研究也有了新的进展。在French及Pahl、Beitz研究的基础上，根据机电一体化系统及其广义执行机构的特点，给出了概念设计比较全面的定义：“概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品工程创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计”。概念设计可分为功能设计、原理设计、方案设计和初步结构设计四个阶段。其中功能设计是概念设计的前期工作，即根据市场需求进行设计理念的构想，规划系统（产品）的总体框架，这一阶段需要借助于设计师的创造性思维、知识和经验的发挥。原理设计是概念设计的难点，也是体现机电一体化交叉学科性最强的阶段。概念设计的后期工作是方案设计，相对于前期工作而言，更多地属于逻辑思维，随着计算机技术、AI技术的发展，使方案设计的计算机辅助设计成为可能。
        2对机电一体化系统组成部分的认识
        机电一体化系统概念设计框架模型的建立,其出发点和归宿是机电一体化系统的组成。根据文献归纳起来,对机电一体化系统的组成有三种看法:（1）五块论。德国Drmstadt大学的RolfIsermann提出机电一体化系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能等五大功能模块组成。将机电一体化系统通俗地类比于人的大脑、内脏、五官、四肢及躯体。五块论影响我们机电一体化系统深层次的认识,且不利于它的概念设计。（2）三环论。丹麦理工大学的JacobBaur等人提出机械、电子、软件三个相关圆环,以此表示了机电一体化系统的组成和相互关联。

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三环论中电子含义比较含糊;软件是指实现信息处理和控制的程序,同样无法使人们对真实系统作科学和明确的组成划分。这为机电一体化系统的概念设计带来困惑。（3）两个系统。挪威科技大学的BassamAHussein提出将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包括各种驱动装置、执行机构、传感器等;控制系统包括软、硬件。两子系统论从功能划分来看,比前一种看法更趋于完善,有利于对控制系统的深入研究。但是将驱动装置、执行机构、传感器等统称为物理系统,同样使概念设计无从下手。说明这种分法对概念设计存在一定的缺陷。
        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系统设计的评价
        （1）运行稳定性：是指在设计工况条件下，系统功能输出符合设计输出范围的概率；（2）结构工艺性：系统的结构设计应当满足便于制造、施工、加工、装配、安装、运输、维修等工艺要求；（3）技术经济性：具有两个作用，一是评价比较一次投资变为系统或设备时，不同设计方案的经济性，另一是评价比较保持系统或设备正常运行时，资源利用的合理性和运行费用的经济性；（4）操作宜人性、人机安全性、环境无害性：系统设计需要综合考虑人机工程学、人因工程学、人机系统适配设计等要素，所以要从人、机、环境综合角度出发，评价系统是否具备操作方便、诱发职业病、操作安全级与设备安全级、较少环境影响等方面的特征。（5）造型艺术性：从工业（产品）美学角度评价使用者对系统造型的美学接受度。
        结束语
        总而言之，机电一体化广泛地综合了机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换和软件编程等技术，并将这些技术有机的结合成一体，它是当今世界机械工业技术和产品发展的潮流。机电一体化技术并非现代尖端技术，它是微电子技术和精密机械技术相互融合，实现系统（产品）整体最优化的产物，属于技术综合应用范畴，但是真正设计一个优秀的产品，需要综合多方面的理论、知识和经验。
        参考文献
        [1]孔祥坚,梁镇杰,陈宗汝.机电一体化系统概念设计的基本原理[J].中国新技术新产品.2018(06)
        [2]周礼.机电一体化系统概念设计的基本原理[J].同行.2016(12)
        [3]孙俊超.浅议机电一体化系统概念设计的基本原理[J].科技致富向导.2010(12)