机电一体化系统概念设计的基本原理郭中豪

(整期优先)网络出版时间:2018-12-22
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机电一体化系统概念设计的基本原理郭中豪

郭中豪

郭中豪

天津市天房科技发展股份有限公司天津300100

摘要:随着当前中国经济的不断发展,在机械生产工艺中逐步应用了机电一体化系统,并且有效的将电子设备、机械设备装置以及计算机软件操作系统整合在一起,在机构上形成动力功能与微电机计算功能为一体的自动化装置,这种系统的应用原理将中国经济的现代化建设逐步引向世界最前沿。本文主要阐述了机电一体化系统概念设计的基本原理,以及机电一体化系统的核心技术和应用研究。

关键词:机电一体化;概念设计;方案设计;功能

一、机电一体化产品概念设计的涵义

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,得到了各个地方人士的关注,目前已成为学术研究的热点。人们也慢慢认识到产品设计最重要、最复杂、最富有创造性的阶段是概念设计,产品的概念设计也是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程。特别是近几年来,随着计算机图形学、虚拟现实、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。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,进行产品功能创造、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。概念设计可划分为功能设计、原理设计、方案设计及初步结构设计四个阶段。

二、建立机电一体化产品概念设计理论与方法的意义

设计方法对于指导产品设计具有重要的作用。设计理论对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,虽可以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阶段,决定了产品设计质量的60%~70%。Pahl和Beitz从设计方法学的角度研究了产品的设计过程,并在5EngineeringDesign6一书中提出概念设计的思想,受到了各国学者的重视,相继出现了多种用于概念设计阶段的设计理论,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巨大的推动作用,其成就为世人所关注。但这些设计理论多集中在一般的机械工程领域,或者由多个学科简单组合的工程产品设计。

三、机电一体化的核心技术

3.1机械技术

机械技术是机电一体化的基础,机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应,利用其高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上变更,满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能要求。

3.2计算机与信息技术

其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。

3.3系统技术

即以整体概念组织应用各种相关技术,从全局角度和系统目标出发,将总体分解成相互关联的若干功能单元,接口技术是系统技术中一个重要方面,是实现系统各部分有机连接的保证。

3.4自动控制技术

其范围很广,在控制理论指导下,进行系统设计,设计后的系统仿真,现场调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

3.5传感检测技术

传感检测技术是系统的感受器官,是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强,系统的自动化程序就越高。

3.6伺服传动技术

包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置,伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。

四、机电一体化系统概念设计原理

4.1机电一体化系统的概念设计内涵

总的来讲,概念设计的内涵是十分广泛和深刻的,它是一个发散思维和创新设计的过程,是根据产品生命周期各个阶段的要求,进行产品功能创造、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进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。机电一体化系统概念设计作为概念设计的一个子集,服从于概念设计的总体思路。

4.2机电一体化系统的功能构成

机电一体化系统是有若干相互关联、具有特定功能的机械和电子要素组成的有机整体,以满足产品使用要求的功能。从控制论的观点来看,世界是由物质、能量和信息三大类要素组成的。因此,根据不同的使用目的,要求系统对输入的物质、能量和信息进行预期的变换、传递和储存,从而输出所需的物质、能量和信息。不管哪类系统,系统内部都必须具备五种内部功能,即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。其中主功能是实现系统目的所必需的功能,主要是对输入的物质、能量、信息进行交换、传递和储存;动力功能是向系统提供动力,使系统得以正常运行;计测功能和控制功能是采集系统内部和外部信息,经交换、运算,输出指令,对整个系统进行控制,实施目的功能。构造功能是将各要素组合起来,进行空间配置,形成一个有机的统一整体。

五、机电一体化技术的应用研究

5.1数控机床

数控机床及相应的数控技术经过40年的发展,在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高,具体表现在:(1)总线式、模块化、紧凑型的结构,即采用多CPU,多主总线的体系结构。(2)开放性设计,即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准,能最大限度地提高用户的使用效益。(3)WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真,并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。(4)大容量存储器的应用和软件的模块化设计,不仅丰富了数控功能,同时也加强了CNC系统的控制功能。(5)能实现多过程、多通道控制,即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力,并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。(6)系统的多级网络功能,加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。(7)以单板、单片机作为控制机,加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。

5.2计算机集成制造系统(CIMS)

CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合,而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线,以制造为基干来控制“物流”和“信息流”,实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化,各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。

5.3柔性制造系统(FMS)

柔性制造系统是计算机化的制造系统,主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求,生产其能力范围内的任何工件,特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。

结束语

随着机械制造技术与其他高新技术的日益融合、集成,“机电一体化”已逐渐成为现代机械系统的本质特征。相比于传统机械系统,机电一体化系统结构、信息处理及控制方式等的改变导致了其功能、性质和设计方法的极大变化。只有通过产品创新才能从根本上解决企业的生存与发展问题。研究机电一体化系统的创新设计理论、方法及应用,是关系到我国能否凭借自主知识产权产品跻身世界制造强国的关键。

参考文献

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