機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法的探討

呂文龍

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法的探討

呂文龍

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的目的是綜合運用機械技術(shù)和電子技術(shù)各自的特長，迅速設(shè)計制造一個能夠經(jīng)濟、方便、有效、可靠的滿足用戶需要的系統(tǒng)或產(chǎn)品。系統(tǒng)設(shè)計是一種創(chuàng)造性活動，必須依靠思考和推理，綜合運用多種學(xué)科的專門知識和豐富的實踐經(jīng)驗，才能獲得正確、合理的設(shè)計。

系統(tǒng)設(shè)計原則；設(shè)計方法；設(shè)計類型；開發(fā)路線

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

在系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮的因素很多，有技術(shù)的、經(jīng)濟的、社會的因素，但對于機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，有如下一些共同的基本原則需要遵守。

1.1 機電互補原則

考慮到機械技術(shù)和電子技術(shù)自身的特點，相得益彰。比如，在經(jīng)常需要調(diào)整系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的時候，可以用電子裝置來代替齒輪調(diào)速裝置，這樣不僅可以提高調(diào)速精度而且靈活方便；采用PLC替代電磁繼電器，不但可以大大提高系統(tǒng)可靠性，而且可以減小系統(tǒng)的體積和重量，給系統(tǒng)設(shè)計提供更大的靈活性。因此，根據(jù)機電互補原則進行系統(tǒng)設(shè)計，要求從機械技術(shù)、電子技術(shù)、硬件技術(shù)等方面來衡量的經(jīng)濟和技術(shù)的利弊，采取正確的選擇。

1.2 功能優(yōu)化原則

功能優(yōu)化原則指在系統(tǒng)設(shè)計的時候，抓住用戶最為關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)，特別是系統(tǒng)的可靠性、實用性、經(jīng)濟性等。對各種相關(guān)技術(shù)進行優(yōu)化組合，而不是片面追求高指標(biāo)、全功能。

1.3 自動化、省力化原則

高精度、高效率、高可靠性是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的重要指標(biāo)，要求系統(tǒng)運行過程中可以實現(xiàn)自動的檢測、控制、調(diào)節(jié)、記錄和自動顯示；在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能進行自動的診斷和采取應(yīng)急措施，實現(xiàn)自動保護功能；在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)任務(wù)變化的時候，可以靈活的改變，使其柔性化增加；更大限度地減少人為干預(yù)，降低人的體力和智力影響。

1.4 效益最大原則

在達到了系統(tǒng)功能目標(biāo)和滿足壽命要求時，盡可能的降低成本，需要合理的選用材料，多使用標(biāo)準(zhǔn)零件，正確進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化加工制造工藝，降低生產(chǎn)成本。優(yōu)先使用先進的成熟技術(shù)，提高系統(tǒng)的技術(shù)附加值，增強系統(tǒng)的競爭力。

1.5 開發(fā)性原則

所謂開放性是指一組標(biāo)準(zhǔn)的原則，規(guī)范或約定統(tǒng)一的接口，通信和系統(tǒng)的外部連接，該系統(tǒng)可容納的設(shè)備和軟件產(chǎn)品的不同的生產(chǎn)廠家，還可以適應(yīng)新的技術(shù)，以適應(yīng)未來發(fā)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計方法

機電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了設(shè)計方法必須從有深入淺和化整為零兩條途徑入手，相應(yīng)的方法是縱向分層法和橫向分塊法。

2.1 縱向分層法

筆者以句酷批改網(wǎng)“百萬同題”活動的作文Are We More Connected or More Alone？為研究樣本，要求學(xué)生在30分鐘內(nèi)完成，該次研究搜集了90份作文樣本，每個專業(yè)30份，確保研究數(shù)據(jù)真實有效。每個樣本在經(jīng)過批改網(wǎng)批改后形成一份數(shù)據(jù)，再請三名有經(jīng)驗的教師進行人工批改，獲得第二份數(shù)據(jù)，將兩組數(shù)據(jù)進行比較。

縱向分層法是從系統(tǒng)的整體設(shè)計出發(fā)，按照系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)功能設(shè)計，將機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次設(shè)計與相關(guān)的企業(yè)組織架構(gòu)相對應(yīng)，根據(jù)不同的任務(wù)，由相關(guān)的部門來完成，即將宏觀的系統(tǒng)設(shè)計與微觀的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的科學(xué)方法。宏觀的戰(zhàn)略性設(shè)計和微觀的戰(zhàn)術(shù)性設(shè)計是不同層面的設(shè)計方法，前者由企業(yè)的高級技術(shù)和管理部門結(jié)合專家意見來完成，對機電一體化系統(tǒng)規(guī)劃出其總體的經(jīng)濟、技術(shù)要求等宏觀項目計劃。后者是根據(jù)戰(zhàn)略性設(shè)計，將宏觀設(shè)計落實到具體的技術(shù)設(shè)計和實施方案，通常由專門的技術(shù)部門來實施完成。

2.2 橫向分塊法

該方法是將系統(tǒng)設(shè)計分成幾個功能模塊來分別進行專門的設(shè)計，最后將各個模塊連成一個有機的整體，執(zhí)行系統(tǒng)功能。這種化整為零的方法非常直觀并且易于實施。在考慮機械系統(tǒng)與電子技術(shù)有機結(jié)合的設(shè)計中，通常有3種設(shè)計方法：

（1）替代法。利用通用或?qū)Ｓ秒娮釉〈鷤鲃訖C械零部件（或系統(tǒng)）中的復(fù)雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。例如，使用伺服電機來代替齒輪調(diào)速系統(tǒng)，不僅可以增加調(diào)速范圍，調(diào)速精度，還可以改變扭矩，不僅結(jié)構(gòu)簡單設(shè)計方便，還可以縮短制造周期。

電子元件遵循摩爾定律，在一個周期后性能提高一倍，價格降低一倍，隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，電子部件代替機械部件的場合比較多，因此，替代法將是機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和改造的最常用的設(shè)計方法。

（3）組合法。將融合法制成的功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，搭積木式地組合成各種機電一體化系統(tǒng)，即將不同的功能部件進行有效的搭配組合，形成機電一體化產(chǎn)品，如將收音機和錄音機的功能組合成功能更多更全的收錄機，手機與攝像頭功能的組合形成具有攝像功能的手機。這種組合不是其功能簡單的疊加，而是充分體現(xiàn)系統(tǒng)的整體性，在考慮多個組合功能的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計和改造。

3 機電一體化設(shè)計類型

3.3 開放性設(shè)計

開放性設(shè)計是在既無參考系統(tǒng)，又無具體設(shè)計方案的情形下，僅僅根據(jù)抽象的設(shè)計原理和滿足新系統(tǒng)的性能要求進行的原創(chuàng)性設(shè)計，具有很強的突破和創(chuàng)新性。

3.2 適用性設(shè)計

適用性設(shè)計是指在大的方案和原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有系統(tǒng)進行局部改進，例如，用電子裝置代替原有的機械結(jié)構(gòu)，或者為了實現(xiàn)自動化控制，對機械結(jié)構(gòu)進行的局部適應(yīng)性變動。

3.3 變異性設(shè)計

變異性設(shè)計是指在設(shè)計方案原理和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有系統(tǒng)的規(guī)格尺寸，使之適應(yīng)某種量值變化的要求。

4 機電一體化系統(tǒng)開發(fā)路線

按照系統(tǒng)工程和軟件工程的方法論，可以用生命周期法對機電一體化系統(tǒng)進行工程開發(fā)。機電一體化系統(tǒng)開發(fā)分為總體設(shè)計、部件設(shè)計和零件設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和工藝設(shè)計，其工程路線為：（1）可行性論證；（2）初步設(shè)計；（3）詳細設(shè)計；（4）實施和測試；（5）運行和維護。

為確保工程質(zhì)量，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，提高開發(fā)效率，生命周期發(fā)要求在每個階段結(jié)束時通過評審才能進入下個階段工作。可以看出，上述系統(tǒng)開發(fā)過程與企業(yè)產(chǎn)品中的開發(fā)決策、產(chǎn)品設(shè)計、零件設(shè)計、加工、裝配與測試、使用及維修的過程十分相似的。

［1]陳荷娟.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計［M].北京理工大學(xué)出版社，2013.

［2]呂強.機電一體化原理與應(yīng)用（第3版）［M].國防工業(yè)出版社，2010.

［3]蔡鶴皋.機電一體化技術(shù)手冊（第一卷）［M].機械工業(yè)出版社，1999.

呂文龍（1985—），男，河南延津人，湖北汽車工業(yè)學(xué)院工學(xué)學(xué)士，新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理講師，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化、數(shù)控加工。