機電一體化系統概念設計的基本原理

孔祥堅　梁鎮杰　陳宗汝

摘 要：我國是高速發展的發展中國家，在各個科學技術領域都有涉及，為了使我國能盡快趕上甚至超越發達國家，我國在科學技術領域投入了巨大的心血。其中機電一體化作為我國重工業中不可或缺的一環，有無數的仁人志士在其中嘔心瀝血，使得我國的機電一體化取得了一定成果。“機電一體化”是機械工業發展中與微電子技術相碰撞所誕生的新火花，這一嶄新的概念是機械工業和微電子技術等各方面相關技術進行有機結合后產生的新形式技術。機電一體化技術對產品的獨立自主開發能力產生了推進作用，這是由于這一類產品的基本設計原理和微電子技術等相關技術進行有機綜合的結果，這不僅填補了我國相關企業的產品空白領域，更使得進一步推動產品技術的發展有了堅實的推動力量。

關鍵詞：系統；功能；機電一體化

中圖分類號：TH39 文獻標志碼：A

在21世紀這一信息時代，世界領域方面在信息，網絡，傳感器，還有人工智能和計算機方面都取得了巨大的發展，而機電一體化技術在這些科學技術的飛速發展下也取得了飛躍式的發展，在應用方面也取得了更加廣闊的前景。電子產品由于微電子，新材料等方面的快速發展而飛躍發展，機械產品也在智能、網絡、模塊和自動等方面的客觀需求下推進了機電一體化的發展。而且隨著信息技術和傳感技術的加入，機電一體化真正成了跨學科的科學技術。

科學技術的發展總是瞄準更新和更高層次的，這就為人們的生活空間和品質帶來了更多驚喜，同時豐富了人民群眾的物質文化生活，給人們帶來了更高的精神享受。由此可見，機電一體化這一技術的機械產品在新時代的發展中起著重要的作用，而作為這些產品的重要技術支持可以實現機械產品的智能化，自動化的機電一體化技術就成為極其重要的科學技術。

1 機電一體化科學技術的概念設計

作為機電一體化產品的系統設計中不可或缺的重要步驟，概念設計是產品能否實現創新的關鍵所在。概念設計這一步驟作為創造性的集中體現，是極為復雜的重要過程，作為從無到有，從0～1的具象化過程，可以說一件產品的大部分設計質量就在這一過程中得以保證，只有優良的概念設計作為基礎，才能得到優秀的機電一體化產品。在過去的發展中機電一體化技術已經產生了許多優異的理論并且極大地推動了機電一體化工程的創新設計，但隨著信息時代的到來，知識大爆炸使得這些多數集中在機械工程方面，或者是多方面技術簡單進行組合的工程設計方面的理論，已經不再適用于現代的機電一體化的設計。近幾年來計算機方面的圖形學，虛擬現實仿真技術，多媒體敏捷設計等方面的科學技術的發展，機電一體化這一科學技術的產品概念設計已經有了新的研究方向。

概念設計這一理論，是要根據產品各個階段的要求，從而進行產品的工程創造，然后把功能進行分解，進而實現各個子功能的結構合理設計，然后求解滿足功能基礎上的結構的要求的工作原理，再構思可以實現這一工作原理的功能結構的載體方案，進而完成系統化的設計。這就是根據機電一體化系統還有廣義執行機構的特點對機電一體化進行的定義。而概念設計又可以分為幾個階段，分別為功能的設計，工作原理的設計，方案的設計以及結構的初步設計。作為設計的最初階段，功能設計即根據市場的需求構想設計理念，對產品的總體框架進行合理的規劃。方案設計則屬于后期工作，對邏輯的思維方面要求較高，不過隨著計算機AI技術的發展，可能會有計算機輔助工作來減輕負擔。

2 對機電一體化系統組成部分的認識

機電一體化的概念促進了技術的融合，對機電一體化的認識使得機電一體化有3種組成認識：

五塊論是德國的大學提出的，這一理論認為機電一體化系統由控制，動力，傳感器檢測，操作和結構等五方面的模塊組成，這樣的分類方法將機電一體化系統類比于人類的大腦、內臟、五官、四肢和軀干，這樣雖然可以讓我們通俗的認識機電一體化系統，但卻影響更深刻地理解，而且對進行概念設計造成不良影響。

三環論是由丹麥理工大學提出的，這一理論把機電一體化的機械方面，電子方面，軟件方面華為了3個相關圓環，以圖像方法表示機電一體化的系統的組成以及相互的聯系，但是這一理論的問題在于電子的含義模糊，軟件也無法進行明確的劃分，這樣也不足以解釋機電一體化。

挪威科技大學則提出了可以將機電一體化系統分成兩部分，即物理系統和控制系統等兩個子系統。這樣把執行，驅動，傳感，方面歸類于與物理系統；軟硬件則歸類于控制系統。這樣的分類方法雖然完善一些，且有利于控制系統的研究，但是在概念設計方面則因為物理系統而無從下手。

這3種不同的認識看法充分反映了機電一體化系統的復雜性，也解釋了為什么概念設計如此困難和重要。

3 新時代對機電一體化系統的新認識

（1）機電一體化系統是依靠計算機進行信息的處理與機械的控制的現代機械系統，是為了實現機械無人操作下的運動與動作。

（2）考慮工藝動作的完成過程，可以把機電一體化系統分為廣義的執行機構方面的子系統，極細的處理與機械控制的子系統，進行傳感和檢測的子系統。這3個系統分別負責機械的運動，信息的處理和機械控制，還有信息的檢測和傳輸。

（3）執行子系統是以可控性為最大賣點的機電一體化系統中的子系統，它的特殊性是由驅動原件和執行機構相融合的廣義的執行機構。

這3種新的認識使得按功能分解機電一體化系統的方法得以實行，把各方面的功能分別放置于合適的載體上，進而使得集成優化這一方法可以作用于機電一體化系統上，使得概念設計的難度下降，進而獲得較多的設計方案。

4 機電一體化系統的子系統功能特點說明

4.1 廣義的執行機構子系統

可控性是機電一體化執行機構的重要性能，然而傳統的執行傳動機構基本全部由剛性組件組成，于是可控性就成了突出問題。現代意義上的廣義的執行機構因為完成了驅動原件和執行機構的相互融合，使得可控的運動得以實現。從功能來看與傳統相差不大，但只是多了可控這一便利保險的功能。使得集成應用得以在執行機構上完成，使得機構的系統化運動更有柔韌性。

4.2 信息檢測和傳感的子系統

機電一體化系統要想合理的運動，就離不開運動和動作的信息反饋，實現這一功能的就是信息檢測和傳感子系統。其中進行物理量的檢測以及信號采集的功能的檢測傳感器可謂重中之重，它不僅是檢測和傳感功能的載體更是各個廣義執行子系統的連接紐帶。

4.3 信息的處理和機械控制子系統

對信息檢測所測得的物理量和傳感器所反饋的信息進行處理的就是信息處理和機械控制子系統的重要功能，正是由于這一功能的實現，才使機電一體化的后續功能得以實現，即通過達成的工藝動作和控制的策略實現對廣義執行機構的控制。這一部分是自動化實現的關鍵，但是受制于前面的兩個系統，只要驅動和傳感的部分做好，這個部分就可以配套完成。

結語

信息時代下的機電一體化的認知已經發生變化，只有根據合適的概念設計方面的框架和模型，進行新的工作原理總結，在合理運用這些原理，才能實現機電一體化的設計創新。

參考文獻

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[2]李運華.機電控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[3]芮延年.機電一體化系統設計[M].北京：機械工業出版社，2004.