關(guān)于機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計過程和模型的研究

張 帆

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214063）

和傳統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)相比，機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能，生產(chǎn)更多的新產(chǎn)品，因此提高機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新性以及可行性更有利于提高產(chǎn)品的價值。文章對機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特點(diǎn)、系統(tǒng)原理、設(shè)計思想以及過程模型進(jìn)行了相關(guān)的探究。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的時候，需要結(jié)合產(chǎn)品的生命周期來進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計者需要具備良好的發(fā)散思維以及創(chuàng)新思維，這樣才能更好地保證機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能滿足當(dāng)前的設(shè)計要求。在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的過程中，設(shè)計者還需要加強(qiáng)對設(shè)計方案的構(gòu)思以及系統(tǒng)化設(shè)計，結(jié)合當(dāng)前產(chǎn)品的功能需求以及結(jié)構(gòu)需求來進(jìn)行設(shè)計。機(jī)電一體化系統(tǒng)實現(xiàn)了對機(jī)電一體化技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及傳感檢測等多個技術(shù)之間的統(tǒng)一，所以機(jī)電一體化系統(tǒng)具有更加強(qiáng)大的功能，且具有多個基本特征。

1.1 創(chuàng)新性

在進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計時，所具備的創(chuàng)新性可以是多層次的，比如可以從多個方面來實現(xiàn)創(chuàng)新，如系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)替換、系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)的功能等等，都可以進(jìn)行創(chuàng)新。而設(shè)計者則可以總結(jié)所有的創(chuàng)新思路，從而形成一套具有可行性的創(chuàng)新性的機(jī)電一體化設(shè)計方案。

1.2 多目標(biāo)性

機(jī)電一體化系統(tǒng)在設(shè)計的過程中具有多目標(biāo)性的特點(diǎn)，因為機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計需要在多個因素的共同約束以及制約下進(jìn)行，比如一體化系統(tǒng)會受到經(jīng)濟(jì)水平、科學(xué)技術(shù)水平等因素的影響，而且生產(chǎn)廠家對于系統(tǒng)的要求也會影響系統(tǒng)的設(shè)計。所以總結(jié)所有的客觀和主觀因素影響，逐漸形成了一些制約設(shè)計者進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的條件，設(shè)計者只有在滿足這些設(shè)計條件的前提下才能保證機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

1.3 多解性

機(jī)電一體化系統(tǒng)在設(shè)計過程中還體現(xiàn)出多解性，因為一體化系統(tǒng)的設(shè)計路徑多樣化，針對于不同的系統(tǒng)功能以及功能定義，都會產(chǎn)生不同的設(shè)計思想以及設(shè)計方法，所以形成多種不同的解決方案。根據(jù)相關(guān)專業(yè)人士的研究所得，復(fù)雜程度為一般的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計，其設(shè)計方案大概在一萬種以上，所以說機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計方案是非常繁多，但是設(shè)計方案的成功率并不高，一般情況下，機(jī)電一體化的設(shè)計方案成功率低于百分之一。

1.4 層次性

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計是一個從抽象到具體的過程，所以在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的時候，不僅要完成從功能層向結(jié)構(gòu)層的映射，比如要將功能的定義以及分解作用到功能層上，要將結(jié)構(gòu)的修改以及變異作用到結(jié)構(gòu)層上，從而更好地借助映射關(guān)系來將兩個不同的層次練習(xí)起來。此外，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的功能層以及結(jié)構(gòu)層也要理清各自的層次關(guān)系，比如在進(jìn)行功能分解的時候，就是將功能進(jìn)行逐個層級的推進(jìn)，因此功能的層次性也就決定了結(jié)構(gòu)的層次性，不同層次的功能具有其對應(yīng)層次的結(jié)構(gòu)。

2 機(jī)電一體化的系統(tǒng)原理及局限

機(jī)電一體化是一種比較復(fù)雜的機(jī)械，通過將電子技術(shù)引入到系統(tǒng)的動力功能、信息功能以及控制功能當(dāng)中，并且和軟件組成一個新的機(jī)械系統(tǒng)，所以一般情況下機(jī)電一體化系統(tǒng)主要包括八個組成要素，分別是能量供應(yīng)、控制信息、信息處理及控制、驅(qū)動元件、執(zhí)行元件、機(jī)械本體以及檢測元件。機(jī)電一體化主要是通過對各種技術(shù)的協(xié)調(diào)，比如加強(qiáng)對控制系統(tǒng)、計算機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)等多個技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，從而加強(qiáng)對運(yùn)動行為的控制性，所以進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計并不是簡單的技術(shù)堆積，而是通過借助計算機(jī)的協(xié)調(diào)能力來提高驅(qū)動元件的可控性。

目前機(jī)電一體化的系統(tǒng)原理主要包含三個方面的內(nèi)容，分別是三環(huán)論、五塊論以及兩個子系統(tǒng)理論。首先，三環(huán)論理論主要是指機(jī)電一體化主要由三個重要的功能模塊組成，分別是電子、機(jī)械和軟件。其次，五塊論理論是指機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由五個功能模塊組成，分別是動力功能模塊、控制功能模塊、構(gòu)造功能模塊、操作功能模塊以及傳感檢測功能模塊。第三，兩個子系統(tǒng)理論主要是指機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由兩個分支系統(tǒng)組成，分別是控制系統(tǒng)和物理系統(tǒng)。雖然三種理論的提出具有很強(qiáng)的意義，但是不同的系統(tǒng)理論也具有不同的局限性，比如三種系統(tǒng)理論都缺乏對機(jī)械主體的強(qiáng)調(diào)，缺乏對機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計中復(fù)雜性、多面性以及模糊性的有效處理，所以這三個理論對于機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計的作用性不大。當(dāng)前在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的時候，一般情況下都會將其劃分成為三個重要的子系統(tǒng)，分別是傳感檢測系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)以及信息控制處理系統(tǒng)，加強(qiáng)對這三個系統(tǒng)之間的分工合作，從而更好地提高系統(tǒng)的功能優(yōu)化效果，提高系統(tǒng)的工作效率。

3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計思想

3.1 靜態(tài)設(shè)計

在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的時候，一般具備兩個基本的設(shè)計環(huán)節(jié)，分別是靜態(tài)設(shè)計以及動態(tài)設(shè)計。靜態(tài)設(shè)計是指設(shè)計者要結(jié)合系統(tǒng)的功能要求，然后制定出機(jī)電一體化系統(tǒng)的初步方案。在進(jìn)行初步方案設(shè)計的時候，需要將機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要零部件的種類、各個部件之間的連接方式以及系統(tǒng)的控制方式等等都概括描述出來。完成初步設(shè)計方案后，設(shè)計人員就要加強(qiáng)對各個結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系以及相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，確定好系統(tǒng)所采用的零件材料、生產(chǎn)商等信息，做好對元件的參數(shù)以及功率等信息的驗算，做好對元部件的選擇，確定好相關(guān)系統(tǒng)的阻尼配置等等。所以當(dāng)完成以上工作的時候，此時的設(shè)計方案就可以稱之為穩(wěn)態(tài)設(shè)計，能夠有效地滿足靜態(tài)設(shè)計的要求。在進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計的時候，設(shè)計人員可以忽略系統(tǒng)自身運(yùn)動因素以及其他干擾因素來進(jìn)行產(chǎn)品的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計，所以如果是設(shè)計伺服精度以及響應(yīng)速度要求都不是很高的系統(tǒng)，可以采用靜態(tài)設(shè)計的方式。

3.2 動態(tài)設(shè)計

動態(tài)設(shè)計主要是對在頻率域的系統(tǒng)特性進(jìn)行研究，所以動態(tài)設(shè)計需要結(jié)合靜態(tài)設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且構(gòu)建出系統(tǒng)中不同環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，將系統(tǒng)整體的傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，設(shè)計人員需要結(jié)合自動控制理論的方法將系統(tǒng)的頻率特性求解出來。系統(tǒng)的頻率特性能夠?qū)⑾到y(tǒng)對不同頻率信號的反應(yīng)表現(xiàn)出來，所以系統(tǒng)的頻率對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力以及最大工作頻率起到很大的決定性作用。針對伺服精度要求以及響應(yīng)速度要求都比較高的系統(tǒng)，系統(tǒng)自身的運(yùn)動因素以及其他的干擾因素對系統(tǒng)的影響非常大，所以設(shè)計人員必須要采取對各個環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式來保證當(dāng)前的動態(tài)設(shè)計能夠符合系統(tǒng)的功能要求，所以在進(jìn)行動態(tài)設(shè)計的時候，設(shè)計人員通常需要對前期的設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，甚至需要對整個初步設(shè)計方案都進(jìn)行推翻，重新進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計。

4 機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計模型

在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)依然是完成系統(tǒng)主要功能的主體，而信息檢測系統(tǒng)以及信息處理系統(tǒng)則是保證系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)的保障，所以在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程模型當(dāng)中，要以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方案作為設(shè)計的核心內(nèi)容，所以機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程模型和傳統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計過程模型有著一定的相同之處，而機(jī)電一體化系統(tǒng)過程模型的設(shè)計主要是加入了計算機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)等。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程模型是基于各種設(shè)計理論的，目前機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程模型主要有四種，分別是功能-結(jié)構(gòu)模型、功能-邏輯模型、功能-行為-狀態(tài)模型以及功能-行為-結(jié)構(gòu)模型，文章主要對功能-行為-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行探討。

采用功能-行為-結(jié)構(gòu)模型主要有四個優(yōu)點(diǎn)，第一，該設(shè)計過程模型能夠充分地將機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程中的從功能層面到結(jié)構(gòu)層面中的映射關(guān)系表現(xiàn)出來，因為在進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計時，主要是為了實現(xiàn)生產(chǎn)商的設(shè)計功能要求，由此設(shè)計出來的機(jī)電一體化系統(tǒng)所包含的任何一個結(jié)構(gòu)元素也就對應(yīng)著任何一個子功能，如果所設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)元素沒有對應(yīng)任何一個子功能的話，則這個結(jié)構(gòu)元素時沒有存在的意義。通過采用功能-行為-結(jié)構(gòu)設(shè)計過程模型來進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計，能夠通過對工藝動作進(jìn)行分解、執(zhí)行，確定信息檢測以及信息處理的構(gòu)思，從而獲取相應(yīng)的功能載體，然后再進(jìn)行系統(tǒng)的繼承，最終完成整個設(shè)計過程中的建模仿真以及評價。第二，由于機(jī)電一體化系統(tǒng)在設(shè)計過程中的功能存在多異性以及領(lǐng)域相關(guān)性，因此很難完成直接完成功能層面到結(jié)構(gòu)層面的直接映射，而添加上行為層面，形成功能-行為-結(jié)構(gòu)過程模型，則能夠很好地完成功能層面到結(jié)構(gòu)層面上的映射關(guān)系。第三，功能-行為-結(jié)構(gòu)過程模型不僅整個過程模型具有層次性，不同的層面也是具有各自的層次性，比如在功能層面，具有總功能層次和子功能層次之分，所以只要在任何一個層面上進(jìn)行任何一個層次的修改，都能夠?qū)崿F(xiàn)對過程模型的設(shè)計創(chuàng)新，所以功能-行為-結(jié)構(gòu)過程模型更加適用運(yùn)用計算機(jī)來實現(xiàn)功能。最后機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計是一個有機(jī)集成的過程，是要以計算機(jī)基礎(chǔ)以及智能化技術(shù)為基礎(chǔ)的，所以實現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計需要大量的知識作為基礎(chǔ)，而設(shè)計過程更是一個推理過程，因此在采用功能-行為-結(jié)構(gòu)過程模型設(shè)計的過程中，需要加強(qiáng)對功能知識庫、運(yùn)動行為知識庫、結(jié)構(gòu)知識庫等知識庫的引入。

總的來說，雖然當(dāng)前我國的機(jī)電一體化設(shè)計已經(jīng)取得了較為成功的成就，但是我國的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計依然處于初級階段，因此相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對設(shè)計過程以及過程模型的研究，提高設(shè)計的創(chuàng)新性，從而更好地完善機(jī)電一體化的設(shè)計思想以及設(shè)計過程模型，實現(xiàn)更多的功能。