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1、摘 要 探讨了机电一体化产品概念设计理论与方法对产品创新设计的重要性。分析了机电一体化产品概念设计理论的国内外研究现状与不足之处。国外学者以电子学及控制理论为研究出发点,建立了一些概念设计操作平台。国内学者以现代机构学为研究出发点,研究以运动执行功能为主功能的机电一体化产品概念设计,其设计理论与方法,更具有实用性,更有利于计算机辅助概念设计。最后指出了机电一体化产品概念设计理论与方法的发展方向。自1971年日本学者首次提出机电一体化(Mechatronics)这一概念以来,机电一体化经历了三十多年的发展,其内涵随科技的发展不断更新,不断丰富。特别是人类进入21 世纪以来,面对市场竞争日趋激烈,
2、消费观念不断变化,人们对机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越来越高的要求。而相关学科,如AI 技术、计算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的发展,为机电一体化系统开辟了更加广阔的应用前景。尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展,使产品结构发生了革命性的变化。随着信息、传感等技术与传统机械产品的融合,传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进。机电一体化技术已成为一门新兴的交叉学科术,它涉及到机械制造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技术等关键技术。技术的更新,带动机电一体化产品向更高层次方向发
3、展,以满足人们不断丰富和发展的物质、文化和精神上的需求。机电一体化技在21 世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要的作用。机电一体化产品是机电一体化技术的载体和体现者,通过机电一体化产品来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平。因此,作为机电一体化产品的设计师,不但要掌握先进的机电一体化技术,而且更重要地是掌握如何在产品设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果。机电一体化系统所具有的学科交叉性、多技术性、集成性、融合性、复杂性,给产品设计师提出了更高的要求。产品设计问题较传统的机械设计问题更为复杂。机电一体化技术的先进性和设计问题的复杂性都深刻地启示着我们,应建立一种能够与当代机电一体化技术
4、发展相适应的产品设计理论。关键词: 机电一一体化;概念设设计;方案设设计;功能目 录第一章机机电一体体化产品品基本概概要11.1产品品的基本本概念1第二章 机电一一体化技技术的特特点3第三章 机电一一体化系系统设计计理论43.1 系系统的概概念43.2系统统运行的的规律43.3机电电一体化化系统设设计理论论与方法法43.4组成成要素与与四大原原则5第四章机机电一体体化产品品74.1 机电一一体化产产品概念念设计的的含义74.22 机机电一体体化系统统的组成成原理74.3 建立机机电一体体化产品品概念设设计理论论与方法法的意义义8第五章 机电一一体化产产品设计计的国内内外研究究现状105.1国外
5、外研究现现状105.2国内内研究现现状115.3当前前我国机机电一体体化技术术的主要要发展领领域125.44我国技技术的发发展趋势势125.5 机机电一体体化产品品的发展展趋势14第六章 机电一一体化产产品概念念设计理理论展望望17致谢19参考文献20江西理工大学南昌校区2009届专科生毕业论文 16第一章 机电一体化化产品基基本概要要机电一体化化发展至至今已经经成为一一门自成成一体的的新型学学科, 随着科科学技术术的不断断发展, 必将将被赋一一予新的的内容。但但其基本本特征可可概括为为机电一一体化是是从系统统的观点点出发, 综合合运用机机械技术术、微电电子技术术、自动动控制技技术、汁汁算机技
6、技术、信信息技术术、传感感测控技技术、电电力电子子技术、接接口技术术、信息息变换技技术以及及软件编编程技术术等群体体技术, 根据据系统功功能目标标和优化化组织目目标, 合理配配置与布布局各功功能单元元, 在在多功能能、高质质量、高高可靠性性、低能能耗的意意义上实实现特定定功能价价值, 并使整整个系统统最终达达到最优优化的系系统工程程技术。由由此而产产生的功功能系统统, 就就成为一一个机电电一体化化系统或或机电一一体化产产品。1.1产品品的基本本概念机电一体化化又称机机械电子子学，英英文称为为Mecchattronnicss,它是由由英文机机械学MMechhaniics 的前半半部分与与电子学学
7、Eleectrroniics 的后半半部分组组合而成成。机电电一体化化最早出出现在119711年日本本机械械设计杂杂志的副副刊上，随随着机电电一体化化技术的的快速发发展，机机电一体体化的概概念被人人们广泛泛接受和和普遍使使用。119966年出版版的WEEBSTTER大大词典收收录了这这个日本本造的英英文单词词，这不不仅意味味着 “Mecchattronnicss”这个单单词得到到了世界界各国学学术界和和企业界界的认可可，而且且还意味味着“机电一一体化”的哲理理和思想想为世人人所接受受。机电一体化信息科学机械学电子学图1- 1机电一体化与其它学科的关系那么，什么么是机电一一体化呢呢？机电一体化化
8、是指在在机构的的主功能能、动力力功能、信信息处理理功能和和控制功功能上引引进电子子技术，将将机械装装置与电电子化设设计及软软件结合合起来所所构成的的系统的的总称。到目前为止止，就机机电一体体化这一一概念的的内涵国国内外学学术界还还没有一一个完全全统一的的表述。一一般认为为，机电电一体化化是以机机械学、电电子学和和信息科科学为主主的多门门技术学学科在机机电产品品发展过过程中相相互交叉叉、相互互渗透而而形成的的一门新新兴边缘缘性技术术学科。这这里面包包含了三三重含义义：首先先，机电电一体化化是机械械学、电电子学与与信息科科学等学学科相互互融合而而形成的的学科。图图1-11 形象象地表达达了机电电一
9、体化化与机械械学、电电子学和和信息科科学之间间的相互互关系；其次，机机电一体体化是一一个发展展中的概概念，早早期的机机电一体体化就像像其字面面所表述述的那样样，主要要强调机机械与电电子的结结合，即即将电子子技术“溶入”到机械械技术中中而形成成新的技技术与产产品。随随着机电电一体化化技术的的发展，以以计算机机技术、通通信技术术和控制制技术为为特征的的信息技技术（即即所谓的的“3C”技术：Commputter、Commmunnicaatioon和 Conntrool TTechhnollogyy）“渗透”到机械械技术中中，丰富富了机电电一体化化的含义义，最后后，机电电一体化化表达了了技术之之间相互
10、互结合的的学术思思想，强强调各种种技术在在机电产产品中的的相互协协调，以以达到系系统总体体最优。换换句话说说，机电电一体化化是多种种技术学学科有机机结合的的产物，而而不是它它们的简简单叠加加。现实实生活中中的机电电一体化化产品比比比皆是是。我们们日常生生活中使使用的全全自动洗洗衣机、空空调及全全自动照照相机，都都是典型型的机电电一体化化产品；在机械械制造领领域中广广泛使用用的各种种数控机机床、工工业机器器人、三三坐标测测量仪及及全自动动仓储，也也是典型型的机电电一体化化产品；而汽车车更是机机电一体体化技术术成功应应用的典典范，目目前汽车车上成功功应用和和正在开开发的机机电一体体化系统统达数十十
11、种之多多，特别别是发动动机电子子控制系系统、汽汽车防抱抱死制动动系统、全全主动和和半主动动悬架等等机电一一体化系系统在汽汽车上的的应用，使使得现代代汽车的的乘坐舒舒适性、行行驶安全全性及环环保性能能都得到到了很大大的改善善；在农农业工程程领域，机机电一体体化技术术也在一一定范围围内得到到了应用用，如拖拖拉机自自动驾驶驶系统、悬悬挂式农农具的自自动调节节系统、联联合收获获机工作作部件（如如脱粒清清选装置置）的监监控系统统、温室室环境自自动控制制系统等等。第二章 机电一一体化技技术的特特点使用安全性性和可靠靠性提高高。工程程机械机机电一体体化产品品一般都都是具有有自动监监视、报报警、自自动诊断断、
12、自动动保护等等功能。在在工作过过程中，遇遇到过载载、过压压、过流流、短路路等电力力故障时时，能自自动采取取保护措措施，避避免和减减少人身身和设备备事故，显显著提高高设备的的使用安安全性。生产能力和和工作质质量提高高 工工程机械械机电一一体化产产品大都都具有信信息自动动处理和和自动控控制功能能，其控控制和检检测的灵灵敏度、精精度以及及范围都都有很大大程度的的提高，通通过自动动控制系系统可精精确地保保证机械械的执行行机构按按照设计计的要求求完成预预定动作作，使之之不受机机械操作作者主观观因素的的影响，从从而实现现最佳操操作，保保证最佳佳的工作作质量和和产品的的合格率率。同时时，由于于工程机机械机电
13、电一体化化产品实实现了工工作的自自动化，使使得生产产能力大大大提高高。使用性能改改善 工程机机械机电电一体化化产品普普遍采用用程序控控制和数数字显示示，操作作按钮和和手柄数数量显著著减少，使使得操作作大大简简化并且且方便、简简单。工工程机械械机电一一体化产产品的工工作过程程根据预预设的程程序逐步步由电子子控制系系统指挥挥实现，系系统可重重复实现现全部动动作。高高级的工工程机械械机电一一体化产产品可通通过被控控对象的的数学模模型以及及外界参参数的变变化随即即自寻最最佳工作作程序，实实现自动动最优化化操作。具有复合功功能并且且适用面面广 工程机机械机电电一体化化产品跳跳出了机机械机电电一体化化产品
14、的的单技术术和单功功能限制制，具有有复合技技术和复复合功能能，使产产品的功功能水平平和自动动化程度度大大提提高。工工程机械械机电一一体化产产品一般般具有自自动化控控制、自自动补偿偿、自动动校验、自自动调节节、自动动保护和和智能化化等多种种功能，能能应用于于不同的的场合和和不同领领域，满满足用户户需求的的应变能能力较强强。调整和维护护方便 工程程机械机机电一体体化产品品在安装装调试时时，可通通过改变变控制程程序来实实现工作作方式的的改变，以以适应不不同用户户对象的的需要以以及现场场参数变变化的需需要。这这些控制制程序可可通过多多种手段段输入到到工程机机械机电电一体化化产品的的控制系系统中，而而不
15、需要要改变产产品中的的任何部部件或零零件。对对于具有有存储功功能的工工程机械械机电一一体化产产品，可可以事先先存入若若干套不不同的执执行程序序，然后后根据不不同的工工作对象象，只需需给定一一个代码码信号输输入，即即可按指指定的预预定程序序进行自自动工作作。机电电一体化化产品的的自动化化检验和和自动监监事功能能可对工工作过程程中出现现的故障障自动采采取措施施，使工工作恢复复正常。第三章 机电一一体化系系统设计计理论3.1 系系统的概概念系统:具有有特定功功能的、相相互之间间具有有有机联系系的许多多要素所所构成的的一个群群体。这个定义说说明：系系统包括括组成要要素、要要素之间间的相互互作用和和系统整整体的确确定功能能等三个个方面，缺缺一不可可。系统是一个个有机的的整体，整整体性是是系统最最基本的的特性。系系统整体体所获得得的新的的特性、新新的功能能是各组组成要素素在孤立立状态时时所没有有的。任任何物质质系统都都具有层层次性，层层次具有有多样性性。纵向向的母子子系统，可可构成垂垂直系统统的层次次；横向向的同一一层次中中，又可可构成各各种平行行的系统统；纵横横交错的的网络系系统，又又可构成成各种交交叉层次次系统的的概念是是相对的的，以考考察问题题角度不不同而异异。某一一系统可可以由若若干子系系统组成成，它又又可以成成为一个个更高级
