机电一体化系统概念设计的基本原理张伟

机电一体化系统概念设计的基本原理张伟

张伟

张伟

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摘要：机电一体化概念设计是其对应产品设计过程中最为复杂且具备极强创新性特点的过程，需要通过概念设计实现对其功能及质量的优化。为此，相关设计人员必须加强对机电一体化系统概念设计基本原理的认知，充分了解其设计基本特征，进而确保所设计系统的稳定性与高效性，进一步发挥出基点一体化系统的经济家价值与社会效益。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

引言

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。

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机电一体化系统组成部分

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。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。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。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。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。从另一个角度理解，上述三种不同的认识反映出机电一体化系统的模糊性、复杂性、多面性。因此，造成了机电一体化系统概念设计的困难。

3机电一体化系统方案设计需解决的关键问题

3.1机电一体化系统功能结构

至今仍缺乏能够从全局驾驭多领域集成本质的机电一体化系统设计方法，其原因就在于不同技术系统的设计存在着显著的差异。其中，一个重要的差异是，不同技术系统对“功能”这个术语的理解和描述在物理效应、物质/能量/信息的变换以及数据运算间的逻辑关系等方面差异很大。这个观点意味着要对机电一体化系统进行完整而抽象的理解，即描述其功能结构是很困难的。不同技术系统设计特点的客观差异表明，为了发展新的机电一体化系统设计方法，机电一体化系统功能结构亟需首先建立起来。

3.2机电一体化系统逻辑结构

机电一体化系统是对传统机械系统的一种升级，但是这种升级只是在系统物理组成上的变化，在功能模块的逻辑构成上并没有新的变化。机电一体化技术影响的只是功能到结构的求解过程和结果，而并未改变系统的功能和功能关系。机电一体化系统本质上是一个用非机械手段实现并强化了控制功能的现代机械系统，这种控制功能在机械本体的系统和单元层次上都可能被非机械手段所渗透。

3.3机电一体化系统创新方案的产生

对于机电一体化系统方案设计，国外多侧重控制系统的研究，而对机械系统研究的少；国内讨论机械产品方案设计一般理论的多，能够全面揭示机电一体化系统中目的、功能、功能变换、状态变迁等性质、特性，从而提出创新方案生成方法的少；关注机电一体化系统物理结构和物理行为的多，研究系统逻辑结构和逻辑行为的少；针对具体问题具体分析和基于应用实例推理算法框架讨论的多，研究功能分解方法和规则的少；讨论具体执行动作依据经验如何进行匹配的多，研究具体而又可行的功能方案解的表述、特征提取和存储方式的少。

3.4面向对象的机电一体化系统方案表达

众所周知，信息技术领域的主流思维方式是面向对象思想。针对以往机电一体化设计文献过于强调系统物理结构和物理行为、忽视系统逻辑结构和逻辑行为的现状，借鉴软件工程原理和工具，本文尝试用面向对象思想来阐释机电一体化系统的结构、行为和原理方案解。

4机电一体化系统概念设计发展前景

就国内机电一体化系统概念设计发展沿革来看，在现今电子信息技术不断普及应用的背景之下，其有着智能化、信息化、精密化以及微型化的发展趋势，这不仅符合现今机械制造市场的实际需求，同时也能够大幅度提高其运行的稳定性与效率。结合机电一体化系统概念设计中需要满足的复杂性与多学科性特征，必须选用多模式对其预定产品目标进行系统分析，并结合现有的仿真技术及时对概念设计方案进行模拟，并基于相似理论完成对各类技术的高效整合，构建相对较为系统的概念设计模式，以此进一步提高该设计阶段对系统开发过程的促进作用。

结束语

机械概念设计的发展也逐步向现代化的设计模式靠近。通过计算设计的分析和综合，实现了更大范围内的机电系统的信息流动和管理控制，从而使相应的信息流更好地为机电系统的一体化设计服务。计算机与机电系统设计的相结合实现了信息载体的转换，通过更为新颖和快捷的设计方式和信息交流实现了信息的极大交流，从而使相应的机电系统设计方案的设计和选择达到最优状态。

参考文献：

[1]江秀波.机电一体化系统概念设计的基本原理[J].中国西部.2017（24）

[2]许淼.机电一体化系统概念设计的基本原理[J].城市建设理论研究（电子版）.2016（01）

[3]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（16）