1、摘要：机电一体化系统设计的目的是综合运用机械技术和电子技术各自的特长迅速设计制造一个能够经济、方便、有效、可靠的满足用户需要的系统或产品。机电一体化是当前生产机械发展的主要趋势，有着广阔的发展前景，对未来的机械生产有着重要的影响。而机电一体化系统原理的方案设计， 作为机电一体化系统的核心组成部分， 对机电一体化的总体设计影响深远。机电一体化是机械、电子、光学、控制、训一算机、信息等多学科的交叉融合，它的发展和进步依赖于也促进相关技术的发展和进步。本文介绍了机电一体化系统优化设计方法研究。引言：机电一体化系统最本质的特征是一个机械系统 ,它是充分运用电子计算机的信息处理和控制功能、可控驱动元件特
2、性的现代化机械系统 ,实现了机械系统的智能化、自动化。 基于机电一体化系统是现代机械系统这一基本认识,将会有利于我们进行机电一体化系统优化设计方法研究。1.1 国外机电一体化发展现状机电一体化的发展大体可以分为三个阶段:第一阶段(又称初级阶段)是 20 世纪 60 年代以前，这一时期人们不自觉地利用电子技术并使之得到比较广泛的承认;第二阶段，机电一体化技术和产品得到了极大发展;第三阶段，各国均开始极大关注和支持机电一体化技术和产品。因此，机电一体化产品得以迅猛发展，主要表现在以下 4 个方面：(1)机电一体化产品几乎遍及所有制造业领域。(2)机电一体化从单机向整个制造业的集成化过度。(3)激光
3、技术进入机电一体化领域。(4)微细加工技术与设备发展迅猛。1.2 国内机电一体化发展现状我国从 20 世纪 80 年代初开始进行机电一体化的研究和应用，国务院成立了机电一体化领导小组并将其列为“863 计划”。在制定“九五”规划和 2010 年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响，许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作。虽然口前国内机电一体化技术与日本、欧关等先进国家相比仍有一定差距 fs，但随着新技术革命的迅猛发展，我国加大了机电一体化技术的研究力度，并将其确定为国家高技术重点研究领域，给予优先支持，取得了一定的成绩。
4、(1) 数控技术方面。(2) 工业机器人方面。(3) 计算机集成制造系统方面。1.3 机电一体化的发展趋势机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交义综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以下几个方向发展:(1) 绿色化(2)智能化(3) 网络化(4)微型化(5) 模块化2 机电一体化系统优化设计2.1 机电一体化系统的组成特点对于以完成工艺动作为主功能的机电一体化系统, 从概念设计的需要出发, 可根据其广义功能原理来进行划分。主要有以下三大特点:( 1)机电一体化系统是由计算机进行信息处理和
5、控制制的机械系统, 它的最终目的是实现机械运动和动作。( 2)从完成工艺动作过程这一总功能要求出发, 机电一体化系统可划分为 : 执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统, 它们分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及控制。( 3)机电一体化系统中的机构子系统有它的特殊性, 它是一个将驱动元件和执行件 ( 或执行机构) 融为一体的广义执行机构。 这种机构的最大特点是可控性。2.2 机电一体化系统的概念设计总的来讲, 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的阶段的要求 , 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
6、; 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。 但由于机电一体化系统是一个机电一体化技术、现代控制理论以及传感检测等技术的统一体, 使得机电一体化系统的概念设计与传统机械的概念设计有所不同。2.3 机电一体化系统设计方法2.31 取代法取代法也称为机电互补法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品(或系统) 中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。如在一般的工作机中，用可编程逻辑控制器（PLC)或微型计算机来取代机械式变速机构、凸轮机构、离合器、蜗
7、轮蜗杆等机构，代替插销板、拨码盘、步进开关、时间继电器等，以弥补机械技术的不足，不但能大大简化机械结构，而且还可提高系统(或产品)的性能和质量。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。2.32 融合法它是将各组成要素有机结合为一体，构成专用或通用的功能部件（子系统)，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分。某些高性能的光机电一体化系统，如激光打印机的主扫描机构一一激光扫描镜，其扫描镜转轴就是电机的转子轴，这是执行元件与执行机构结合的一例。2.33 组合法它是将用结合法制成的功能部件(或子系统)、功能模块，像积木那样组合成各种光机电一体化系统，故称组合法。在新产品(或系统)系列及设备的
8、光机电一体化改造中应用这种方法，可以缩短设计与研制周期，节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。3 机电一体化系统的结构功能3.1 机电一体化系统的主要功能3.2 机电一体化系统的信息结构信息由人产生，为人服务，人和人之间相互交流的数据和消息都是信息，这里的“信息”指的是控制论意义上的信息，即信息是独立于物质和能量的一类功能变换对象。机电一体化系统主要处理以下两类信息:过程信息:被系统所变换(处理)的信息;控制信息:用于控制系统中能量和物质变换过程的信息，是能够被系统所“理解”的信息。机电一体化系统中的过程信息和控制信息划分在不同的信息层次上被证实存在着相对性。例如，机器人中的电子反馈
9、回路无疑是传递控制信息的，即这个装置的目的是控制系统的运动，但是，若从局部来看其中的反馈传感器和信号调节电路的话，就会发现被它们处理的信息具有过程特征，同时，过程信息的语义值对传感器和前置放大器等的功能并无影响。机电一体化系统中的过程信息和控制信息通常在系统的信息层次结构中交替出现(控制信息需要变换功能，而变换功能在下一层次上又可能被控制信息所支配。例如，由一个图像传感器而来的信息在用来控制下一较高层次上的机器人程序之前必须被处理)。3.3 机电一体化系统中的从属功能机电一体化系统中主要功能的实现离不开一些从属功能的协同。机电一体化系统中的主要从属功能包括动力功能、控制功能、接口功能、保护功能
10、、通讯功能和结构功能。(1) 动力功能为系统主要功能的实现提供必需的能量。如果系统主要部件的输入或输出与系统所处环境的相应输入或输出不能直接匹配，接口功能就是必要的了。例如，当选用电动机去驱动一个直线移动机构时，就需要能够将旋转运动转换为直线运动的接口部件。( 2) 保护功能确保系统的重要部件的功能参数处于可允许的范围内。另外，保护功能也防止系统部件对环境产生不利影响。( 3)通讯功能使系统部件能够与环境交换(状态)信息例如，激光系统会发出警报信号(输出)以表明其处于运行状态，同时又可根据一些参考设置(输入)进行运辊通讯功能主要向功能结构上层的控制回路提供信息。( 4)结构功能确保主要部件正常
11、工作时所需的空间条件能够得到满足例如，电灯插座就有结构上的用途，同时它还提供了一个电气接口。控制功能管理着系统中部件的状态，并能根据外部输入控制系统的功能特性。从属功能本身可被视为下一较低功能层次上的主功能，每个这样的功能又需要新的从属功能正是实现主功能的方法决定了在功能结构的下一层次上需要什么样的从属功能。3.4 机电一体化系统的功能模型机电一体化系统的功能模型必须符合以下两个原则:包括所有从属功能;维持功能方法树因果链层次的递归性所有的从属功能均被置于系统边界上以表明它们可以被相的系统所共用。初步的系统模型见图 1。结构功能未包含在图 1 中，因为它不宜用变换术语表达同样，将保护功能表达为
12、输入输出关系可能会妨碍到对它的全面理触如机械安全销的功能是防止机构移出安全区域，这样的保护功能就不能够用变换术语来表达以上功能模型可以清楚地解释从属功能以及主功能与从属功能之间的输入输出关系结机但将此模型作为设计工具(即抽象地描述产品的功能结构)是不太合适的，因为当多个系统集成时，系统之间的关系将变得相当复杂因而难以清楚地表达。4 机电一体化系统的建模与仿真4.1 概述4.2 系统模型建立方法 ： （1 ）、机理模型法 也称解析模型 是对已知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理 经过合理分析简化而建立起来的描述系统各物理量、静态变化性能的数学模型。 （2 ）、统计模型法 采用由特殊到一般的逻辑、归纳方法 根据一定数量的在系统运行过程中实测、观察的物理数据 运用统计规律、系统辨识等理论合理估计出反映系统各物理量相互制约关系的数学模型。 （3 ）、混合模型法 当对机电一体化系统的内部结构和特性有部分了解 但又难以完全用机器模型方法表述出来 这时需要结合一定的试验方法确定另一部分不甚了解的结构特性 或是通过实际测定来求取模型参数。这种方法是机理模型法和统计模型法的结合 故称混合模型法。4.3 数学模型4.4 系统仿真5 结论与展望5.1 总结5.2 展望
