機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)各自的特長(zhǎng)，迅速設(shè)計(jì)制造一個(gè)能夠經(jīng)濟(jì)、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(jì)是一種創(chuàng)造性活動(dòng)，必須依靠思考和推理，綜合運(yùn)用多種學(xué)科的專門知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能獲得正確、合理的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則；設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)類型；開(kāi)發(fā)路線

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的因素很多，有技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的、社會(huì)的因素，但對(duì)于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有如下一些共同的基本原則需要遵守。

1.1 機(jī)電互補(bǔ)原則

考慮到機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)自身的特點(diǎn)，相得益彰。比如，在經(jīng)常需要調(diào)整系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的時(shí)候，可以用電子裝置來(lái)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(jì)提供更大的靈活性。因此，根據(jù)機(jī)電互補(bǔ)原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求從機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、硬件技術(shù)等方面來(lái)衡量的經(jīng)濟(jì)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(jì)的時(shí)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(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等。對(duì)各種相關(guān)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，而不是片面追求高指標(biāo)、全功能。

1.3 自動(dòng)化、省力化原則

高精度、高效率、高可靠性是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，要求系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的檢測(cè)、控制、調(diào)節(jié)、記錄和自動(dòng)顯示；在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能進(jìn)行自動(dòng)的診斷和采取應(yīng)急措施，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)功能；在生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)任務(wù)變化的時(shí)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(dá)到了系統(tǒng)功能目標(biāo)和滿足壽命要求時(shí)，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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化加工制造工藝，降低生產(chǎn)成本。優(yōu)先使用先進(jìn)的成熟技術(shù)，提高系統(tǒng)的技術(shù)附加值，增強(qiáng)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.5 開(kāi)發(fā)性原則

所謂開(kāi)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(lái)發(fā)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了設(shè)計(jì)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(wàn)同題”活動(dòng)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(gè)專業(yè)30份，確保研究數(shù)據(jù)真實(shí)有效。每個(gè)樣本在經(jīng)過(guò)批改網(wǎng)批改后形成一份數(shù)據(jù)，再請(qǐng)三名有經(jīng)驗(yàn)的教師進(jìn)行人工批改，獲得第二份數(shù)據(jù)，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

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

2.2 橫向分塊法

該方法是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分成幾個(gè)功能模塊來(lái)分別進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，最后將各個(gè)模塊連成一個(gè)有機(jī)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(shí)施。在考慮機(jī)械系統(tǒng)與電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)中，通常有3種設(shè)計(jì)方法：

（1）替代法。利用通用或?qū)Ｓ秒娮釉〈鷤鲃?dòng)機(jī)械零部件（或系統(tǒng)）中的復(fù)雜機(jī)械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補(bǔ)其不足。例如，使用伺服電機(jī)來(lái)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(jiǎn)單設(shè)計(jì)方便，還可以縮短制造周期。

電子元件遵循摩爾定律，在一個(gè)周期后性能提高一倍，價(jià)格降低一倍，隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，電子部件代替機(jī)械部件的場(chǎng)合比較多，因此，替代法將是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造的最常用的設(shè)計(jì)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(jī)電一體化系統(tǒng)，即將不同的功能部件進(jìn)行有效的搭配組合，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品，如將收音機(jī)和錄音機(jī)的功能組合成功能更多更全的收錄機(jī)，手機(jī)與攝像頭功能的組合形成具有攝像功能的手機(jī)。這種組合不是其功能簡(jiǎn)單的疊加，而是充分體現(xiàn)系統(tǒng)的整體性，在考慮多個(gè)組合功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改造。

3 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)類型

3.3 開(kāi)放性設(shè)計(jì)

開(kāi)放性設(shè)計(jì)是在既無(wú)參考系統(tǒng)，又無(wú)具體設(shè)計(jì)方案的情形下，僅僅根據(jù)抽象的設(shè)計(jì)原理和滿足新系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行的原創(chuàng)性設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的突破和創(chuàng)新性。

3.2 適用性設(shè)計(jì)

適用性設(shè)計(jì)是指在大的方案和原理基本保持不變的情況下，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行局部改進(jìn)，例如，用電子裝置代替原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)，或者為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行的局部適應(yīng)性變動(dòng)。

3.3 變異性設(shè)計(jì)

變異性設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)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(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)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(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行工程開(kāi)發(fā)。機(jī)電一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)分為總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，其工程路線為：（1）可行性論證；（2）初步設(shè)計(jì)；（3）詳細(xì)設(shè)計(jì)；（4）實(shí)施和測(cè)試；（5）運(yùn)行和維護(hù)。

為確保工程質(zhì)量，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，提高開(kāi)發(fā)效率，生命周期發(fā)要求在每個(gè)階段結(jié)束時(shí)通過(guò)評(píng)審才能進(jìn)入下個(gè)階段工作。可以看出，上述系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程與企業(yè)產(chǎn)品中的開(kāi)發(fā)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、加工、裝配與測(cè)試、使用及維修的過(guò)程十分相似的。

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

［2]呂強(qiáng).機(jī)電一體化原理與應(yīng)用（第3版）［M].國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［3]蔡鶴皋.機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)（第一卷）［M].機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、數(shù)控加工。