机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望

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,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 20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 “Mechatronics”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，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、电子控制单元、执行器和动力源5个组成部分构成。3.4.2构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原则。接口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。 运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。第四章 机电一体化产品4.1 机电一体化产品概念设计的含义产品的概念设计是实现产品创新的关键。因此,对产品的概念设计理论与方法的研究,得到了国内外学者的极大关注,并成为近年来学术研究的热点。人们逐渐认识到概念设计是产品设计最重要、最复杂、也是最富有创造性的阶段,是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程。特别是近几年来,随着计算机图形学、虚拟现实、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/ CAM 应用的深入,产品概念设计的研究也有了新的进展。文献2 在French 及Pahl and Beitz 研究工作的基础上,根据机电一体化产品及其广义执行机构的特点,将产品的设计过程分为:产品规划、概念设计、详细设计和改进设计四个阶段,并给出概念设计比较全面的定义:“概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求,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;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。”概念设计可划分为功能设计、原理设计、方案设计及初步结构设计四个阶段。其中功能设计是概念设计的前期工作,即根据市场需求和机器功用进行设计思想和设计理念的构想,规划产品的总体框架。这一部分工作,属于“形象思维”,创新的火花往往在这一阶段产生,这一阶段需更多地借助于设计人员的创新思维能力、知识与经验的发挥;原理设计是概念设计的难点,也是最能体现机电一体化产品交叉学科特点的阶段,即如何选择不同学科领域的工作原理方案来更好地满足产品的功能需求。这需要通晓各相关学科领域的专家,借助各类知识库的建立与运用是解决这一难题的有效途径;概念设计的后期工作是方案设计,确定机电一体化产品的方案,相对于前期工作而言,更多地属于“逻辑思维”。随着计算机技术、AI 技术及其相关软件的发展,以及现代机构学自身的发展,使方案设计的计算机化成为可能。4.2 机电一体化系统的组成原理目前,对机电一体化系统并没有一个普遍认同的定义。由于机电一体化系统的跨学科性及其自身的复杂性,不同学科领域的学者分别从不同的研究角度对机电一体化系统进行了定义。从网站上可以得到几十种关于机电一体化系统的定义。本文从机代机构学的角度,认为机电一体化系统的最本质的特征是一种机械,但又不同于一般的机械,它是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术,并与软件有机结合而成的一种特殊的机械系统。从功能上讲,是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或) 机电部件相互联系的系统。机电一体化系统是一个完整的系统,强调各种技术的协调和集成,各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积。机电一体化系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术,机电一体化系统的执行机构扩展到了广义执行机构,即包括驱动元件和执行机构子系统。机电一体化具有跨学科性、集成性、融合性、复杂性。机电一体化系统的最终目的是实现可控的运动行为。它是充分利用电子计算机的信息处理和控制功能、利用可控驱动元件特性的现代机械系统。关于机电一体化系统的设计理论研究方面,首先反映在机电一体化系统的组成结构的划分上。目前比较典型的机电一体化系统的组成结构的划分有三种: 德国Drmstadt大学的Rolf Isermann 提出的五块论,认为机电一体化产品是由控制功能、动力功能、构造功能、传感检测功能和操作功能五大功能模块组成。丹麦理工大学的Jacob Burr 等人提出的三环论,认为机电一体化产品分为机械、电子、软件三大功能模块, 挪威科技大学的Bassam A. Hussein 提出的两个子系统论,将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。以上三种结构组成的划分,更多地立足于电或控制的角度,没有突出机械主体部分,也没有很好地解决机电一体化系统概念设计的模糊性、复杂性和多面性,因此不利于产品的系统设计,尤其是概念设计。从概念设计的需要出发,从完成工艺动作过程这一总功能要求出发,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统三个子系统,称为“三子系统论”。三个子系统分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及控制。这种划分有利于对机电一体化系统按功能进行分解,分别寻求各自的功能载体,通过集成优化来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案。三子系统中的广义执行机构子系统,突出了机电一体化系统中的机械主体地位,又体现了这种机构的可控性特点。这一概念的提出,有利于设计师应用系统设计的原理和方法进行机电一体化产品的创新设计。目前,对传感检测子系统和控制子系统的研究较多,理论上也较成熟,而对直接完成工艺动作功能的广义执行机构子系统的研究却不够深入,目前处于迅速发展阶段。4.3 建立机电一体化产品概念设计理论与方法的意义设计方法对于指导产品设计具有重要的作用。苏联学者阿切尔康的巨著机械零件设计指导了几代人的设计工作,使机械设计理论化、规范化。美国学者铁木辛科的巨著材料力学也影响了几代人,奠定了强度设计的基础。设计理论对于设计的指导作用已为世人所公认。最优化原理、智能化原理、柔性化原理、网络化原理、可靠性原理等是从系统的观点和运筹学的角度,针对某项具体指标完成产品局部设计环节的设计理论和方法。由于机电一体化产品设计的复杂性决定,单独应用这些设计理论,虽可以对机电一体化产品的原始创新起到了一定的作用,但也易于达到设计极限。概念设计是产品设计的重要阶段,决定了产品设计质量的60 %70 %。因而,要建立机电一体化产品的设计理论,必须首先建立机电一体化产品概念设计的理论、方法。基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化产品。因此,建立机电一体化产品的概念设计理论体系是非常必要的。Pahl 和Beitz 从设计方法学的角度研究了产品的设计过程,并在Engineering Design一书中提出概念设计的思想,受到了各国学者的重视,相继出现了多种用于概念设计阶段的设计理论,如公理化设计理论、TRIZ 设计理论、QFD 理论等。这些理论对工程领域的创新设计起到了巨大的推动作用,其成就为世人所关注。但这些设计理论多集中在一般的机械工程领域,或者由多个学科简单组合的工程产品设计。由于机电一体化系统的学科交叉性、集成性、融合性及复杂性等特点,现有的机械产品的概念设计理论不适用于机电一体化产品概念设计,必须结合机电一体化系统的自身特点,建立一套系统的、完整的概念设计理论和方法,指导机电一体化产品的创新设计。因此,我们认为:机电一体化产品发展到21 世纪,到了应该为其建立系统科学的设计理论和方法的时候了。同时,相关学科的设计理论也为机电一体化产品设计理论的建立奠定了必要的理论基础。第五章 机电一体化产品设计的国内外研究现状机电一体化产品概念设计目前尚处于起步阶段,它涉及到多种学科领域知识的交叉与融合,具有复杂性、创新性、多目标性、多解性、层次性、不良结构性及反复迭代性。5.1国外研究现状机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲。主要研究机构有:德国Darmstadt 大学,英国Lancaster 大学工程设计中心,荷兰Twente 大学,比利时Leuven 大学,挪威科技大学,丹麦技术大学和芬兰VTT 研究中心等。另外,在美国,与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在MIT 大学,Carnegie Mellon 大学,Michigan 大学和Standford大学。在日本,东京大学的Yoshikawa 和Tomiyama 两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设计。德国Darmstadt 大学的R. Iserrmann , H. J . Herpel ,M.Held ,M. Glesner等人,对机电一体化产品设计进行了较深入的研究。他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上。提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型,并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次。从他们的观点来看,机电一体化的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的。而控制系统设计是机电一体化的主体。因此在他们的设计中,较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性,也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题。该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质。德国Heinz Nixdorf 大学的J urgen Gausemeier , MartinFlath ,Stefan Mohringer等人于2001 年构建了机电一体化系统开发的V 型模型,指出在概念设计的早期阶段,需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识,给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法,即用半规则式说明语言进行功能原理建模。将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中。在法国PSA 所进行的ESPRIT / OLMECO (Open Li2brary for Models of Mechatronics Components 机电一体化组成元件的模型的开放库) 研究项目,取得了阶段性成功。该项目的核心是一个包含了机电一体化系统中各个学科的模型所组成的模型库。他们把机电一体化的基本功能元件,或者一些已在实践中得到应用的系统作为基本单元存入模型库。这个模型库能够为工程设计人员提供正确、有效的、可重用的模型单元。在机电一体化设计中可随时从库中调用这些基本元件或系统,从而提高了设计效率和准确性,并且在一定程度上降低了设计的难度。该项目虽然取得了一定的进展,但就模型库而言,其存储的是以前得到的、被实践检验的机电一体化产品的组成元件模型,仅对机电一体化数据库的存储和查找进行产品的概念设计,与智能化概念设计还存在相当的距离,其设计方案缺乏创新性。并且由于缺少机电一体化概念设计理论的支持,该系统并不理想。虽然美国Analogy 公司声称其开发的Saber 软件是支持机电一体化系统设计的智能化概念设计软件,但其实质至多是一个机电一体化仿真软件。它只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能,而不具备产生方案的功能。就其建模功能来讲,也基本上集中在信息系统或控制系统领域,目前还没有看到其能够用于机械装置的建模仿真的例子。由于该软件是由电子系统设计软件发展而来,对于机电一体化系统有先天不足之嫌。自1990 年成立以来,英国Lancaster 大学的工程设计中心在机电一体化系统概念设计方面作了大量的研究。由于机电一体化产品是涉及到各学科的综合技术的应用,他们采用键合图(Bond Graph) 作为仿真技术的底层,通过能量守衡定律在各能量子系统之间搭起一座桥梁,采用方框图作为信息处理系统的底层表达方式。用面向功能模块的混合建模(包括键合图理论、方框图和高层次的功能模块表达) 方式,构建了机电一体化产品设计的Schemebuilder 虚拟开发平台。通过系统模拟平台进行模拟、仿真、检验,从而在设计的早期就能够验证、改善系统的性能。但该软件的设计偏重于控制部分,但对执行机构部分却不够深入,目前处于实验室水平。5.2国内研究现状目前,国内一些研究单位,如浙江大学、华中科技大学等单位,在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究,但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究。本课题组上海交通大学,从1996 年开始,对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入的研究,并取得了初步的研究成果。从现代机构的角度出发,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统,称为“三子系统论”,并由此建立机电一体化系统概念设计的框架体系,有利于机电一体化产品的创新设计。以实现运动功能为主功能的一大类机电一体化产品(如电脑型多功能缝纫机等) 为研究对象,对机电一体化产品概念设计的核心问题广义执行机构子系统的概念设计进行了系统研究,提出了由总功能进行基本工艺动作过程的构思;由基本工艺动作过程,实现动作分解,得到独立的执行动作;确定各执行动作的创新机构及其机构系统的组合的框架模型, 即归纳为: Process ( 工艺) Action ( 动作) Mechanism(机构) 的PAM 功能求解模型。该模型能将概念设计与机构及其系统设计很好地结合起来,更具有可操作性,更易于实现创新设计,更利于计算机辅助概念设计的实现。由于机电一体化系统是一个复杂的动态系统,只有在了解了其动态性能的基础上才能进行恰当的评价,因此机电一体化产品的建模与仿真问题显得更为重要。概念设计阶段仿真的目的是检验系统是否能够完成给定的功能,以及实现功能所附带的约束条件。通过分析比较目前通用的各种建模技术(如键合图、方框图、信号流图、原理图等) 及各种仿真软件的优缺点,采用Simulink 仿真软件构造了一个面向功能模块建模方法的,表达机电一体化产品中广义执行机构的概念设计的系统仿真平台。这一平台的构建,为机电一体化产品概念设计的整体仿真平台的建立奠定了基础。针对机电一体化产品概念设计阶段评价指标及重要度不确定、信息模糊、不完整的特点,在模糊理论的基础上,提出了一个三层模糊优序评价模型;模糊预序评价模型、模糊半优序评价模型、模糊全序评价模型。该模型为概念设计的评价提供了一个较为合理的依据,并以汽车自动喇叭的概念设计为例,进行了应用研究。上述研究,为机电一体化产品概念设计及其计算机化的研究奠定了理论基础。5.3当前我国机电一体化技术的主要发展领域机电一体化的应用范围正越来越广，几乎涉及无所不包的社会领域。现已有种类繁多的机电一体化产品与系统，例如锻压、铸造、轻工、纺织、冶金、印刷、通讯、办公、起重运输等所用的机械，机床，机器人量仪，量具、仪表，低压电器，焊接设备，电机传动装置电站控制系统信息装置，军事装备以及医疗器械家用电器等。5.4我国技术的发展趋势作为发展中国家，我国与发达国家相比工业技术水平存在一定差距，但有广阔的机电一体化应用空间。改革开放以来，特别是近年来，受国际金融危机影响，面临国际市场经济激烈竞争形势的挑战，国家和企业充分认识到机电一体化技术对我国经济发展的战略意义，机电一体化技术的研究、应用和产业化受到了前所未有的重视和发展。完成了我国机电一体化发展途径与对策研究，探讨我国机电一体化发展战略，提出了数控机床、工业自动化控制仪表等15个机电一体化优先发展领域和6项共性关键技术的研究方向和课题。我国已研制成功了一大批机电一体化科研成果，以数控技术为例，我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”和“九五”的20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业，到2010年我国机床的数控化率将达到16.5%19.27%。这些成果的取得为我国在制造业机电一体化的研究和应用方面积累了宝贵的经验，必将推动我国机电一体化技术取得更大的进步和发展。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。虽然目前国内机电一体化技术与日本、欧美等先进国家相比仍有一定差距，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，并取得了一定的成绩。5.4.1数控方面我国数控技术起步于1958年，在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达50%,配国产数控系统(普及型)也达到了10%。纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得了很好成绩。目前,已具有年产数控系统3000多套、主轴与进给装置5000多套的生产能力。近十年来,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m,精密级加工中心则从35m,提高到11.5m,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。5.4.2工业机器人方面我国1986年将机器人的研究开发列入国家科技计划,现已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统和软件编程技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人的关键元器件,并进入实用化阶段，开发出弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、注塑、冲压及能前后行走、爬墙、水下作业的多种机器人。目前，国内相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制备技术。现在，我国从事机器人研发的单位有200多家，专门从事机器人产业开发的企业有50家以上，中国市场上总共拥有近万台工业机器人，其中完全国产的工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右。5.4.3计算机集成制造系统方面我国经过多年的理论和技术准备,CIMS已经有了较快发展。目前,已在清华大学建成国家CIMS工程研究中心,在著名高校和研究单位建立了7个CIMS单元技术实验室和8个CIMS培训中心9。2000年,全国已有20多个省市、10多个行业、200多家不同规模和类型的企业通过实施CIMS应用示范工程,取得了巨大的经济效益。当前,CIMS的进一步试点推广应用已经扩展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域,正得到各行各业越来越多的关注和投入。5.5 机电一体化产品的发展趋势机电一体化产品是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，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产品的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化产品将朝着以下几个方向发展：5.5.1绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面,物质丰富,生活舒适;另一方面,资源减少,生态环境受到严重污染。于是,人们呼吁保护环境资源,回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。工业的发展使得资源减少，生态环境受到严重污染。绿色化成了时代的趋势，产品的绿色化更成了适应未来发展的一大特色。如果我们把机械产品和制造机械产品的机械装置统称为机械系统，则机电一体化技术产品的功能可归结为：提高机械系统的性能，完成传统机械系统不能完成的功能；提高机械系统的智能化程度，使人在更舒适的环境中工作；提高机械系统的可回收性；降低机械系统的原材料消耗；降低机械系统的能耗；降低机械系统对环境的污染，可以看出其中至少有3条是和环境保护有关的。因而，进入21世纪，机电一体化技术产品的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。5.5.2智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能系统是一个知识处理系统,它包括知识表示、知识利用和知识获取三个基本问题,其最终的目标是模拟人的问题求解、推理、学习。人工智能在机电一体化建设中的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是重要应用。“智能化”是对机器行为的描述,是在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法,模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。目前,专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法,是机电一体化产品(系统)实现智能化的4种主要技术，它们各自独立发展又彼此相互渗透。随着制造自动化程度的不断提高,将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动,并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。5.5.3网络化20世纪90年代,计算机技术的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育等人们日常生活都带来了巨大的变革，同样也给机电一体化技术带来了重大影响，例如通过网络对机电一体化设备进行远程控制。 各种网络将全球经济、生产连成一片,企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来,只要其功能独到,质量可靠,很快就会畅销全球。由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势,利用家庭网络(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computerintegratedappliancesystem,CIAS),使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。5.5.4微型化微型化兴起于20世纪80年代末,是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。近十余年来，微机电系统（MicroElectroMechanicSystem,MEMS）,作为机电一体化技术的新尖端分支而倍受重视,泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，发展难点在于微机械并不是简单地将大尺寸的机械按比例缩小，由于结构的微型化，在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位及驱动方式等方面都产生了一些特殊问题。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，因此在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。因此在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。5.5.5模块化机电一体化产品和技术可分为机械、电子和软件三大部分。模块化技术是这三者的共同技术。模块化技术可以减少产品的开发和生产成本，提高不同产品间的零部件通用化程度，提高产品的可装配性、可维修性和可扩展性等。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。总之，模块化设计与制造是机电一体化系统的基本方法和发展趋势。随着微处理器性能价格比的迅速提高和微机械电子（MEMS）技术的飞速发展，各种机电一体化模块将越来越多地出现在市场上。利用这些模块，可以迅速方便地设计和制造出各种新的机电一体化产品。第六章 机电一体化产品概念设计理论展望机电一体化产品概念设计理论与方法的研究无疑必将对产品设计师起到重要的指导作用。以欧洲国家为代表的机电一体化产品概念设计理论的研究,多以电子及控制理论为研究出发点,典型的软件成果为英国学者推出了Scheme2builder 虚拟开发平台。国内学者从现代机构学的角度出发,针对以运动功能为主功能的一大类机电一体化产品的特点,研究机电一体化产品概念设计理论与方法,取得了初步的研究成果。本文认为机电一体化系统的多学科性及复杂性决定了在概念设计理论研究的初期,不同学科背景的学者会从不同的角度进行研究,但研究的目标是一致的。随着研究的逐渐深入,不同研究成果的集成必将使机电一体化产品概念设计理论的可操作性和实用性更强,对机电一体化新产品的开发和创新起重要指导作用。关于机电一体化产品概念设计理论与方法,还有不少问题有待深入研究:如建立机电一体化产品概念设计的推理方法库; 按实现运动和动作进行广义执行机构的分类,建立驱动元件库、广义执行机构库,以有利于进行驱动元件、