机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望.docx
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机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望
机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望
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操纵理论为研究动身点,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动身点,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,更具有有用性,更有利于运算机辅助概念设计。
最后指出了机电一体化产品概念设计理论与方法的进展方向。
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进展,其内涵随科技的进展不断更新,不断丰富。
专门是人类进入21世纪以来,面对市场竞争日趋猛烈,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、运算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的进展,为机电一体化系统开创了更加宽敞的应用前景。
专门是微电子、信息、新材料及集成技术的进展,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时期迈进。
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、自动操纵技术等关键技术。
技术的更新,带动机电一体化产品向更高层次方向进展,以满足人们不断丰富和进展的物质、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表达者,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进展水平。
因此,作为机电一体化产品的设计师,不但要把握先进的机电一体化技术,而且更重要地是把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发着我们,应建立一种能够与当代机电一体化技术进展相适应的产品设计理论。
关键词:
机电一体化;概念设计;方案设计;功能
第一章机电一体化产品差不多概要
机电一体化进展至今差不多成为一门自成一体的新型学科,随着科学技术的不断进展,必将被赋一予新的内容。
但其差不多特点可概括为机电一体化是从系统的观点动身,综合运用机械技术、微电子技术、自动操纵技术、、汁算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,依照系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最终达到最优化的系统工程技术。
由此而产生的功能系统,就成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
1.1产品的差不多概念
机电一体化又称机械电子学,英文称为Mechatronics,它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。
机电一体化最早显现在1971年日本«机械设计»杂志的副刊上,随着机电一体化技术的快速进展,机电一体化的概念被人们广泛同意和普遍使用。
1996年出版的WEBSTER大词典收录了那个日本造的英文单词,这不仅意味着〝Mechatronics〞那个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可,而且还意味着〝机电一体化〞的哲理和思想为世人所同意。
图1-1机电一体化与其它学科的关系
那么,什么是机电一体化呢?
机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和操纵功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
到目前为止,就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。
一样认为,机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品进展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。
那个地点面包含了三重含义:
第一,机电一体化是机械学、电子学与信息科学等学科相互融合而形成的学科。
图1-1形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系;其次,机电一体化是一个进展中的概念,早期的机电一体化就像其字面所表述的那样,要紧强调机械与电子的结合,立即电子技术〝溶入〞到机械技术中而形成新的技术与产品。
随着机电一体化技术的进展,以运算机技术、通信技术和操纵技术为特点的信息技术〔即所谓的〝3C〞技术:
Computer、Communication和ControlTechnology〕〝渗透〞到机械技术中,丰富了机电一体化的含义,最后,机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想,强调各种技术在机电产品中的相互和谐,以达到系统总体最优。
换句话说,机电一体化是多种技术学科有机结合的产物,而不是它们的简单叠加。
现实生活中的机电一体化产品比比皆是。
我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机,差不多上典型的机电一体化产品;在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储,也是典型的机电一体化产品;而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范,目前汽车内成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多,专门是发动机电子操纵系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车内的应用,使得现代汽车的乘坐舒服性、行驶安全性及环保性能都得到了专门大的改善;在农业工程领域,机电一体化技术也在一定范畴内得到了应用,如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调剂系统、联合收成机工作部件〔如脱粒清选装置〕的监控系统、温室环境自动操纵系统等。
第二章机电一体化技术的特点
使用安全性和可靠性提高。
工程机械机电一体化产品一样差不多上具有自动监视、报警、自动诊断、自动爱护等功能。
在工作过程中,遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时,能自动采取爱护措施,幸免和减少人身和设备事故,显著提高设备的使用安全性。
生产能力和工作质量提高工程机械机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动操纵功能,其操纵和检测的灵敏度、精度以及范畴都有专门大程度的提高,通过自动操纵系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定动作,使之不受机械操作者主观因素的阻碍,从而实现最正确操作,保证最正确的工作质量和产品的合格率。
同时,由于工程机械机电一体化产品实现了工作的自动化,使得生产能力大大提高。
使用性能改善工程机械机电一体化产品普遍采纳程序操纵和数字显示,操作按钮和手柄数量显著减少,使得操作大大简化同时方便、简单。
工程机械机电一体化产品的工作过程依照预设的程序逐步由电子操纵系统指挥实现,系统可重复实现全部动作。
高级的工程机械机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化赶忙自寻最正确工作程序,实现自动最优化操作。
具有复合功能同时适用面广工程机械机电一体化产品跳出了机械机电一体化产品的单技术和单功能限制,具有复合技术和复合功能,使产品的功能水平和自动化程度大大提高。
工程机械机电一体化产品一样具有自动化操纵、自动补偿、自动校验、自动调剂、自动爱护和智能化等多种功能,能应用于不同的场合和不同领域,满足用户需求的应变能力较强。
调整和爱护方便工程机械机电一体化产品在安装调试时,可通过改变操纵程序来实现工作方式的改变,以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。
这些操纵程序可通过多种手段输入到工程机械机电一体化产品的操纵系统中,而不需要改变产品中的任何部件或零件。
关于具有储备功能的工程机械机电一体化产品,能够事先存入假设干套不同的执行程序,然后依照不同的工作对象,只需给定一个代码信号输入,即可按指定的预定程序进行自动工作。
机电一体化产品的自动化检验和自动监事功能可对工作过程中显现的故障自动采取措施,使工作复原正常。
第三章机电一体化系统设计理论
3.1系统的概念
系统:
具有特定功能的、相互之间具有有机联系的许多要素所构成的一个群体。
那个定义说明:
系统包括组成要素、要素之间的相互作用和系统整体的确定功能等三个方面,缺一不可。
系统是一个有机的整体,整体性是系统最差不多的特性。
系统整体所获得的新的特性、新的功能是各组成要素在孤立状态时所没有的。
任何物质系统都具有层次性,层次具有多样性。
纵向的母子系统,可构成垂直系统的层次;横向的同一层次中,又可构成各种平行的系统;纵横交错的网络系统,又可构成各种交叉层次系统的概念是相对的,以考察问题角度不同而异。
某一系统能够由假设干子系统组成,它又能够成为一个更高级系统的子系统。
不论是宏观或是微观的问题,只要它具有相互关联的假设干单元组合的性质,就能够而且应该从系统工程的角度来分析和研究它。
3.2系统运行的规律
系统运行的两个规律
一是整体效应规律:
系统各单元有机地组合成系统后,各单元功能不仅相互叠加,而且相互辅助、相互促进与提高,使系统整体的功能大于各单元功能的简单的和,即〝整体大于部分的和〞。
另一个相反的规律是系统内耗规律:
由于各单元的差异性,在组成系统后假设对各单元的相互作用和谐不当或约束不力,就会导致单元间的矛盾和摩擦,显现内耗,内耗过大,那么可能显现整体小于部分的和的情形。
3.3机电一体化系统设计理论与方法
机械电子学产品系统是由假设干个子系统或元件构成的集合体。
为实现产品系统的主功能,系统、子系统〔孙子系统〕、元件〔元素〕采纳那一种学科的技术作为手段,绝非刻板地规定,而是以实现产品系统主功能的需要,依照评定产品质量标准的要求去选择,并进行综合评判,找出最优的设计。
3.4组成要素与四大原那么
3.4.1五大组成要素
一个机电一体化系统中一样由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。
机械本体〔结构组成要素〕是系统的所有功能要素的机械支持结构,一样包括有机身、框架、支撑、联接等。
动力驱动部分〔动力组成要素〕依据系统操纵要求,为系统提供能量和动力以使系统正常运行。
测试传感部分〔感知组成要素〕对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测,并变成可识别的信号,传输给信息处理单元,通过分析、处理后产生相应的操纵信息。
操纵及信息处理部分〔职能组成要素〕今后之测试传感部分的信息及外部直截了当输入的指令进行集中、储备、分析、加工处理后,按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令,操纵整个系统有目的的运行。
执行机构〔运动组成要素〕
;依照操纵及信息处理部分发出的指令,完成规定的动作和功能。
机电一体化系统一样由机械本体、检测传感部分、电子操纵单元、执行器和动力源5个组成部分构成。
3.4.2
构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息操纵与能量转换四大原那么。
接口耦合:
两个需要进行信息交换和传递的环节之间,由于信息模式不同〔数字量与模拟量,串行码与并行码,连续脉冲与序列脉冲等〕无法直截了当传递和交换,必须通过接口耦合来实现。
而两个信号强弱相差悬殊的环节之间,也必须通过接口耦合后,才能匹配。
变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递,必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行,因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑操纵功能,使信息按规定的模式进行交换与传递。
两个需要进行信息交换和传递的环节之间,由于信息模式不同〔数字量与模拟量,串行码与并行码,连续脉冲与序列脉冲等〕无法直截了当传递和交换,必须通过接口耦合来实现。
而两个信号强弱相差悬殊的环节之间,也必须通过接口耦合后,才能匹配。
变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递,必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行,因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑操纵功能,使信息按规定的模式进行交换与传递。
运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间,不同类型运动的变换与传输以及以运动操纵为目的的优化。
在系统中,所谓智能组成要素的系统操纵单元,在软、硬件的保证下,完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判定、决策,以达到信息操纵的目的。
关于智能化程度高的信息操纵系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。
两个需要进行传输和交换的环节之间,由于模式不同而无法直截了当进行能量的转换和交流,必须进行能量的转换,能量的转换包括执行器,驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。
第四章机电一体化产品
4.1机电一体化产品概念设计的含义
产品的概念设计是实现产品创新的关键。
因此,对产品的概念设计理论与方法的研究,得到了国内外学者的极大关注,并成为近年来学术研究的热点。
人们逐步认识到概念设计是产品设计最重要、最复杂、也是最富有制造性的时期,是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程。
专门是近几年来,随着运算机图形学、虚拟现实、灵敏设计、多媒体等技术的进展和CAD/CAM应用的深入,产品概念设计的研究也有了新的进展。
文献[2]在French及PahlandBeitz研究工作的基础上,依照机电一体化产品及其广义执行机构的特点,将产品的设计过程分为:
产品规划、概念设计、详细设计和改进设计四个时期,并给出概念设计比较全面的定义:
〝概念设计是依照产品生命周期各个时期的要求,进行产品功能制造、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。
〞概念设计可划分为功能设计、原理设计、方案设计及初步结构设计四个时期。
其中功能设计是概念设计的前期工作,即依照市场需求和机器功用进行设计思想和设计理念的构想,规划产品的总体框架。
这一部分工作,属于〝形象思维〞,创新的火花往往在这一时期产生,这一时期需更多地借助于设计人员的创新思维能力、知识与体会的发挥;原理设计是概念设计的难点,也是最能表达机电一体化产品交叉学科特点的时期,即如何选择不同学科领域的工作原理方案来更好地满足产品的功能需求。
这需要通晓各相关学科领域的专家,借助各类知识库的建立与运用是解决这一难题的有效途径;概念设计的后期工作是方案设计,确定机电一体化产品的方案,相关于前期工作而言,更多地属于〝逻辑思维〞。
随着运算机技术、AI技术及其相关软件的进展,以及现代机构学自身的进展,使方案设计的运算机化成为可能。
4.2机电一体化系统的组成原理
目前,对机电一体化系统并没有一个普遍认同的定义。
由于机电一体化系统的跨学科性及其自身的复杂性,不同学科领域的学者分别从不同的研究角度对机电一体化系统进行了定义。
从网站上能够得到几十种关于机电一体化系统的定义。
本文从机代机构学的角度,认为机电一体化系统的最本质的特点是一种机械,但又不同于一样的机械,它是在机构的主功能、动力功能、信息与操纵功能上引进了电子技术,并与软件有机结合而成的一种专门的机械系统。
从功能上讲,是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。
机电一体化系统是一个完整的系统,强调各种技术的和谐和集成,各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积。
机电一体化系统综合运用了机械工程、操纵系统、电子技术、运算机技术和电工技术等多种技术,机电一体化系统的执行机构扩展到了广义执行机构,即包括驱动元件和执行机构子系统。
机电一体化具有跨学科性、集成性、融合性、复杂性。
机电一体化系统的最终目的是实现可控的运动行为。
它是充分利用电子运算机的信息处理和操纵功能、利用可控驱动元件特性的现代机械系统。
关于机电一体化系统的设计理论研究方面,第一反映在机电一体化系统的组成结构的划分上。
目前比较典型的机电一体化系统的组成结构的划分有三种:
①德国Drmstadt大学的RolfIsermann提出的五块论,认为机电一体化产品是由操纵功能、动力功能、构造功能、传感检测功能和操作功能五大功能模块组成。
②丹麦理工大学的JacobBurr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,③挪威科技大学的BassamA.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操纵系统两大子系统。
以上三种结构组成的划分,更多地立足于电或操纵的角度,没有突出机械主体部分,也没有专门好地解决机电一体化系统概念设计的模糊性、复杂性和多面性,因此不利于产品的系统设计,专门是概念设计。
从概念设计的需要动身,从完成工艺动作过程这一总功能要求动身,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及操纵子系统三个子系统,称为〝三子系统论〞。
三个子系统分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及操纵。
这种划分有利于对机电一体化系统按功能进行分解,分别寻求各自的功能载体,通过集成优化来得到机电一体化系统的概念设计的假设干方案。
三子系统中的广义执行机构子系统,突出了机电一体化系统中的机械主体地位,又表达了这种机构的可控性特点。
这一概念的提出,有利于设计师应用系统设计的原理和方法进行机电一体化产品的创新设计。
目前,对传感检测子系统和操纵子系统的研究较多,理论上也较成熟,而对直截了当完成工艺动作功能的广义执行机构子系统的研究却不够深入,目前处于迅速进展时期。
4.3建立机电一体化产品概念设计理论与方法的意义
设计方法关于指导产品设计具有重要的作用。
苏联学者阿切尔康的巨著«机械零件设计»指导了几代人的设计工作,使机械设计理论化、规范化。
美国学者铁木辛科的巨著«材料力学»也阻碍了几代人,奠定了强度设计的基础。
设计理论关于设计的指导作用已为世人所公认。
最优化原理、智能化原理、柔性化原理、网络化原理、可靠性原理等是从系统的观点和运筹学的角度,针对某项具体指标完成产品局部设计环节的设计理论和方法。
由于机电一体化产品设计的复杂性决定,单独应用这些设计理论,虽能够对机电一体化产品的原始创新起到了一定的作用,但也易于达到设计极限。
概念设计是产品设计的重要时期,决定了产品设计质量的60%~70%。
因而,要建立机电一体化产品的设计理论,必须第一建立机电一体化产品概念设计的理论、方法。
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产品。
因此,建立机电一体化产品的概念设计理论体系是专门必要的。
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,受到了各国学者的重视,相继显现了多种用于概念设计时期的设计理论,如公理化设计理论、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庞大的推动作用,其成就为世人所关注。
但这些设计理论多集中在一样的机械工程领域,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:
机电一体化产品进展到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。
第五章机电一体化产品设计的国内外研究现状
机电一体化产品概念设计目前尚处于起步时期,它涉及到多种学科领域知识的交叉与融合,具有复杂性、创新性、多目标性、多解性、层次性、不良结构性及反复迭代性。
5.1国外研究现状
机电一体化产品概念设计的研究要紧集中在欧洲。
要紧研究机构有:
德国Darmstadt大学,英国Lancaster大学工程设计中心,荷兰Twente大学,比利时Leuven大学,挪威科技大学,丹麦技术大学和芬兰VTT研究中心等。
另外,在美国,与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在MIT大学,CarnegieMellon大学,Michigan大学和Standford大学。
在日本,东京大学的Yoshikawa和Tomiyama两位学者的研究工作涉及到了一样的机电一体化系统的概念设计。
德国Darmstadt大学的R.Iserrmann,H.J.Herpel,M.Held,M.Glesner等人,对机电一体化产品设计进行了较深入的研究。
他们的研究领域要紧集中在机电一体化的操纵系统的设计方法学上。
提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型,并将操纵系统按层次划分为治理层、监视层、操纵层和处理层四个层次。
从他们的观点来看,机电一体化的驱动器、传感器及机械部分差不多上作为操纵系统设计的外界环境而存在的。
而操纵系统设计是机电一体化的主体。
因此在他们的设计中,较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性,也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题。
该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质。
德国HeinzNixdorf大学的JurgenGausemeier,MartinFlath,StefanM¨ohringer等人于2001年构建了机电一体化系统开发的V型模型,指出在概念设计的早期时期,需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识,给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法,即用半规那么式说明语言进行功能原理建模。
将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中。
在法国PSA所进行的ESPRITⅢ/OLMECO(OpenLi2braryforModelsofMechatronicsComponents机电一体化组成元件的模型的开放库)研究项目,取得了时期性成功。
该项目的核心是一个包含了机电一体化系统中各个学科的模型所组成的模型库。
他们把机电一体化的差不多功能元件,或者一些已在实践中得到应用的系统作为差不多单元存入模型库。
那个模型库能够为工程设计人员提供正确、有效的、可重用的模型单元。
在机电一体化设计中可随时从库中调用这些差不多元件或系统,从而提高了设计效率和准确性,同时在一定程度上降低了设计的难度。
该项目尽管取得了一定的进展,但就模型库而言,其储备的是往常得到的、被实践检验的机电一体化产品的组成元件模型,仅对机电一体化数据库的储备和查找进行产品的概念设计,与智能化概念设计还存在相当的距离,其设计方案缺乏创新性。
同时由于缺少机电一体化概念设计理论的支持,该系统并不理想。
尽管美国Analogy公司声称其开发的Saber软件是支持机电一体化系统设计的智能化概念设计软件,但事实上质至多是一个机电一体化仿真软件。
它只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能,而不具备产生方案的功能。
就其建模功能来讲,也差不多上集中在信息系统或操纵系统领域,目前还没有看到其能够用于机械装置的建仿照确实例子。
由于该软件是由电子系统设计软件进展而来,关于机电一体化系统有先天不足之嫌。
自1990年成立以来,英国Lancaster大学的工程设计中心在机电一体化系统概念设计方面作了大量的研究。
由于机电一体化产品是涉及到各学科的综合技术的应用,他们采纳键合图(BondGraph)作为仿真技术的底层,通过能量守衡定律在各能量子系统之间搭起一座桥梁,采纳方框图作为信息处理系统的底层表达方式。
用面向功能模块的混合建模(包括键合图理论、方框图和高层次的功能模块表达)方式,构建了机电一体化产品设计的Schemebuilder虚拟开发平台。
通过系统模拟平台进行模拟、仿真、检验,从而在设计的早期就能够验证、改善系统的性能。
但该软件的设计偏重于操纵部分,但对执行机构部分却不够深入,目前处于实验室水平。
5.2国内研究现状
目前,国内一些研究单位,如浙江大学[、华中科技大学等单
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