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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: 机电一体化;概念设计;方案设计;功能目 录第一章机电一体化产品基本概要11.1产品的基本概念1第二章 机电一体化技术的特点3第三章 机电一体化系统设计理论43.1 系统的概念43.2系统运行的规律43.3机电一体化系统设计理论与方法43.4组成要素与四大原则5第四章机电一体化产品74.1 机电一体化产品概念设计的含义74.2 机电一体化系统的组成原理74.3 建立机电一体化产品概念设计理论与方法的意义8第五章 机电一体化产品设计的国内外研究现状105.1国外研究现状105.2国内研究现状115.3当前我国机电一体化技术的主要发展领域125.4我国技术的发展趋
5、势125.5 机电一体化产品的发展趋势14第六章 机电一体化产品概念设计理论展望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编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页第一章 机电一体化产品基本概要机电一体化发展至今已经成为一门自成一体的新型学科, 随着科学技术的不断发展, 必将被赋一予新的内容。但其基本特征可概括为机电一体化是从系统的观点出发, 综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、汁算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术, 根据系统功能目标和优化组织目标, 合理
6、配置与布局各功能单元, 在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值, 并使整个系统最终达到最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统, 就成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。1.1产品的基本概念机电一体化又称机械电子学，英文称为Mechatronics,它是由英文机械学Mechanics 的前半部分与电子学Electronics 的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本机械设计杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，这不仅意味着 “Mechatroni
7、cs”这个单词得到了世界各国学术界和企业界的认可，而且还意味着“机电一体化”的哲理和思想为世人所接受。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，什么是机电一体化呢？机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。到目前为止，就机电一体化这一概念的内涵国内外学术界还没有一个完全统一的表述。一般认为，机电一体化是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互交叉、相互渗透而形成的一门新兴边缘性技术学科。这里面包含了三重含义：首先，机电一体化是机械学、电子学与信息
8、科学等学科相互融合而形成的学科。图1-1 形象地表达了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系；其次，机电一体化是一个发展中的概念，早期的机电一体化就像其字面所表述的那样，主要强调机械与电子的结合，即将电子技术“溶入”到机械技术中而形成新的技术与产品。随着机电一体化技术的发展，以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术：Computer、Communication和 Control Technology）“渗透”到机械技术中，丰富了机电一体化的含义，最后，机电一体化表达了技术之间相互结合的学术思想，强调各种技术在机电产品中的相互协调，以达到系统总体最优。换
9、句话说，机电一体化是多种技术学科有机结合的产物，而不是它们的简单叠加。现实生活中的机电一体化产品比比皆是。我们日常生活中使用的全自动洗衣机、空调及全自动照相机，都是典型的机电一体化产品；在机械制造领域中广泛使用的各种数控机床、工业机器人、三坐标测量仪及全自动仓储，也是典型的机电一体化产品；而汽车更是机电一体化技术成功应用的典范，目前汽车上成功应用和正在开发的机电一体化系统达数十种之多，特别是发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统、全主动和半主动悬架等机电一体化系统在汽车上的应用，使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善；在农业工程领域，机电一体化技术也在一定范围内得到了
10、应用，如拖拉机自动驾驶系统、悬挂式农具的自动调节系统、联合收获机工作部件（如脱粒清选装置）的监控系统、温室环境自动控制系统等。第二章 机电一体化技术的特点使用安全性和可靠性提高。工程机械机电一体化产品一般都是具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。在工作过程中，遇到过载、过压、过流、短路等电力故障时，能自动采取保护措施，避免和减少人身和设备事故，显著提高设备的使用安全性。生产能力和工作质量提高 工程机械机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定动作，使之不受机械操
11、作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量和产品的合格率。同时，由于工程机械机电一体化产品实现了工作的自动化，使得生产能力大大提高。使用性能改善 工程机械机电一体化产品普遍采用程序控制和数字显示，操作按钮和手柄数量显著减少，使得操作大大简化并且方便、简单。工程机械机电一体化产品的工作过程根据预设的程序逐步由电子控制系统指挥实现，系统可重复实现全部动作。高级的工程机械机电一体化产品可通过被控对象的数学模型以及外界参数的变化随即自寻最佳工作程序，实现自动最优化操作。具有复合功能并且适用面广 工程机械机电一体化产品跳出了机械机电一体化产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使
12、产品的功能水平和自动化程度大大提高。工程机械机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。调整和维护方便 工程机械机电一体化产品在安装调试时，可通过改变控制程序来实现工作方式的改变，以适应不同用户对象的需要以及现场参数变化的需要。这些控制程序可通过多种手段输入到工程机械机电一体化产品的控制系统中，而不需要改变产品中的任何部件或零件。对于具有存储功能的工程机械机电一体化产品，可以事先存入若干套不同的执行程序，然后根据不同的工作对象，只需给定一个代码信号输入，即可按指定的预定程序进行自动工作。机
13、电一体化产品的自动化检验和自动监事功能可对工作过程中出现的故障自动采取措施，使工作恢复正常。第三章 机电一体化系统设计理论3.1 系统的概念系统:具有特定功能的、相互之间具有有机联系的许多要素所构成的一个群体。这个定义说明：系统包括组成要素、要素之间的相互作用和系统整体的确定功能等三个方面，缺一不可。系统是一个有机的整体，整体性是系统最基本的特性。系统整体所获得的新的特性、新的功能是各组成要素在孤立状态时所没有的。任何物质系统都具有层次性，层次具有多样性。纵向的母子系统，可构成垂直系统的层次；横向的同一层次中，又可构成各种平行的系统；纵横交错的网络系统，又可构成各种交叉层次系统的概念是相对的，
14、以考察问题角度不同而异。某一系统可以由若干子系统组成，它又可以成为一个更高级系统的子系统。不论是宏观或是微观的问题，只要它具有相互关联的若干单元组合的性质，就可以而且应该从系统工程的角度来分析和研究它。3.2系统运行的规律系统运行的两个规律一是整体效应规律：系统各单元有机地组合成系统后，各单元功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进与提高，使系统整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。另一个相反的规律是系统内耗规律：由于各单元的差异性，在组成系统后若对各单元的相互作用协调不当或约束不力，就会导致单元间的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现整体小于部分的和的情况。3.3
15、机电一体化系统设计理论与方法机械电子学产品系统是由若干个子系统或元件构成的集合体。为实现产品系统的主功能，系统、子系统（孙子系统）、元件（元素）采用那一种学科的技术作为手段，绝非刻板地规定，而是以实现产品系统主功能的需要，根据评定产品质量标准的要求去选择，并进行综合评价，找出最优的设计。3.4组成要素与四大原则3.4.1五大组成要素一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。执行机构（运动组成要素）；根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。机电一体化系统一般由机械本体、检测传感部分、电子控制
