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机电一体化系统方案生成及优选研究 摘要 系统方案的生成具有较高的创新层次。现行的机电一体化系统方案设计基本上 是依赖于设计者的经验，并没有形成科学的设计方法，因此，如何从依赖经验的设 计进化为遵循科学理论和方法的设计是产生创新方案的关键。 本文以实现工作机功能的机电一体化系统为研究对象，对机电一体化系统方案 创新设计理论与方法迸行了系统、深入的研究，主要就以下六个方面进行了研究： 1 构建了机电一体化系统功能结构 不同技术系统对“功能”这个术语的理解和描述在物理效应、物质能量，信息的 变换以及数据运算间的逻辑关系等方面差异很大。构建了机电一体化系统的功能结 构，提出、阐述了机电一体化系统的若干基本特性和诸特性间的关系，以及机电一 体化系统设计的若干原理，从而为进一步提出系统设计模型和方法奠定了基础。 2 阐述了机电一体化系统逻辑结构，提出了基于机电单元的机电一体化系统方 案设计过程模型及三子系统设计方法 认为机电一体化系统本质上是现代机械系统。从功能出发可将机电体化系统 划分为控制和执行两大功能模块。机电一体化系统具有单元级和系统级逻辑结构。 提出基于机电单元的机电一体化系统方案设计过程模型。以及三个予系统的设 计方法。用单元化设计思想控制功能分散和控制回路独立，来进行机电一体化 系统设计，选用适当的配套部件加以实现，是快速、高效、可靠地开发机电一体化 系统的有效途径。 3 提出了机电一体化系统方案生成推理进程模型及计算机辅助求解策略 基于变换功能的层次性和目的功能( 效应) 的多元性，建立了变换功能和目的 功能( 效应) 特征模型，提出了针对机电一体化系统创新方案生成的功能空间拓展 及推理规律。提出了种变换功能、技术、目的功能、作用原理解循环求解的计算 机辅助方案牛成进程模型，在此基础上提出了适用于计算机处理的方案生成与，或树 形式化表达方法，探讨了相应的求解算法。 4 提出并阐述了机电一体化系统方案优选的信息量原理 将公理设计的基本原理( 尤其是信息公理) 应用于机电一体化系统方案优选过 程，对广泛存在于设计过程中的不确定性进行了深刻阐释。 基于机电一体化系统功能、状态的定性、定量双重属性和时变本质，提出了基 于信息量的功能需求、设计参数、机电一体化率、控制效率等概念，以及机电一体 化系统方案优选的一系列原理：时域参数控制原理、信息量大优先原理、最大控制 效率原理，从而为有效改善机电一体化系统的性能、选择较优设计方案提供了新的 思路。 5 阐释了面向对象的机电体化系统方案表达方法 针对以往机电一体化设计文献过于强调系统物理结构和物理行为、忽视系统逻 辑结构和逻辑行为的现状，本文用面向对象思想对机电一体化系统的结构、行为和 原理方案解进行了阐释。 机电一体化系统的逻辑结构可以由面向对象的参考模型或基于统一建模语言 ( u m l ，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 的类图来进行表达；为了描述对象( 以及系 统与环境) 问的接口( 通讯) 行为，使交互可视化，应用消息序列图( m s c ，m e s s a g e s e q u e n c ec h a r t s ) 来表达机电一体化系统逻辑行为。在此基础上，以c d 播放机为实 例，应用统一建模语言和消息序列图对机电体化系统各主要子系统，组件的原理方 案解进行了全面的表达。 6 应用实例 深入研究了快速成型机( 激光分层实体制造系统、熔融挤压成型系统) 、激光影 磲机等典型机电一体化系统的方案设计及优选，对提出及拓展的各种理论及方法进 行了验证。 2 s c h e m eg e n e r a t i o na n do p t i m a l i t yo fm e c h a t r o n i cs y s t e m s a b s t r a c t t h eg e n e r a t i o no fs y s t e ms c h e m er e q u i r e sh i g hd e g r e eo fc r e a t i v i t y g e n e r a l l y s p e a k i n g , e x i s t i n gs c h e m eg e n e r a t i o n o fm e c h a t r u n i c s y s t e m sr e l i e sl a r g e l yo n d e s i g n e r se m p i r i c a le x p e r i e n c e ，w i t h o u td e v e l o p i n g i n t os c i e n t i f i c d e s i g n m e t h o d o l o g y t h e r e f o r e ，t h ek e yo fg e n e r a t i n gc r e a t i v es c h e m e si s t op r o g r e s sf r o m p r e s e n te m p i r i c i s m b a s e dd e s i g nt o a na p p r o a c hg u i d e db ys c i e n t i f i ct h e o r i e sa n d m e t h o d o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h em e c h a t r o n i cs y s t e mt h a tr e a l i z e st h ef u n c t i o no fw o r k i n g m a c h i n e ，u n f o l d s as y s t e m a t i ca n di n d e p t h i n v e s t i g a t i o n i n t ot h et h e o r ya n d m e t h o d o l o g yo fc r e a t i v es c h e m eg e n e r a t i o no fm e c h a t r o n i cs y s t e m s ，a n di sc o m p o s e d o ft h ef o l l o w i n gs e c t i o n s 1 ) c o n s t r u c i i n gl h ef u n c t i o ns t r u c t u r eo fm e c h a t r u h i es y s t e m d i v e r s et e c h n o l o g ys y s t e m sd i f f e rg r e a t l yi nt h e i ri n t e r p r e t a t i o na n dd e s c r i p t i o no ft h e t e r mf u n c t i o n c o n c e r n i n g p h y s i c a l e f f e c t ，m a t e r i a l e n e r g y i n f o r m a t i o n t r a n s f o r m a t i o n , a sw e l la s1 0 9 i c a lr e l a t i o n si ns t a t i s t i c a la r i t h m e t i c c h a p t e ro n e c o n s t r u c t st h ef u n c t i o ns t r u c t g r eo fm e c h a t r u h i es y s t e m ，p r o p o s e sa n de x p l i c a t e sb a s i c c h a r a c t e f i s t i e so fm e c h a t r o n i cs y s t e ma n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s , a n df o r m u l a t e sf i i n d a m e n t a lp r i n c i p l e si nm e c h a t r o n i cs y s t e md e s i g n s oa st ol a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rf m - t h e ra t t e m p t st op r o p o s ead e s i g nm o d e la n dm e t h o d o l o g yf o r m e c h a t r o n i cs y s t e m s 2 ) p r o p o s i n gl o g i c a ls t r u c t u r eo fm e c h a t r o n i cs y s t e m ，a n du p d a t i n gt h et r i - s u b s y s t e m d e s i g nm e t h o d am e c h a t r o n i cs y s t e mi se s s e n t i a l l yam e c h a n i c a ls y s t e mc h a r a c t e r i s t i co fm o d e m t e c h n o l o g y am e c h a t r o n i cs y s t e m ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ff u n c t i o n ，i sd i v i d e di n t o t h et w of u n c t i o n a lm o d u l e so fc o n t r o la n de x e c u t i o n m o r e o v e r , t h el o g i c a ls t r u c t u r e o fm e e h a t r o n i cs y s t e mi sm a n i f e s ta se l e m e n tl a y e ra n ds y s t e ml a y e r i c h a p t e rt w op r o p o s e st h em o d e lo fs c h e m ed e s i g np r o c e s so fm e c h a t r o n i cs y s t e m b a s e do nm e c h a t r o n i ce l e m e n t ，a n du p d a t e st h ed e s i g nm e t h o do ft r i s u b s y s t e m a s w i f t ，e f f i c i e n t ，r e l i a b l ea n de f f e c t i v ea p p r o a c ht om e c h a t r o n i cs y s t e md e s i g na p p l i e s t h ee l e m e n td e s i g nt h e o r y , i e ，w i t hd i s t r i b u t e dc o n t r o lf u n c t i o n sa n di n d e p e n d e n t c o n t r o ll o o p s ，t om e c h a t r o n i cs y s t e md e s i g n ，s oa st or e a l i z et h es c h e m et h r o u g h s e l e c t i v e l ye m p l o y i n ga p p r o p r i a t ec o m p o n e n t s 3 1 p r e s e n t i n gs c h e m eg e n e r a t i o nr e a s o n i n ga n dc o m p u t e r - a i d o ds o l v i n gs t r a t e g y i na c c o r d a n c ew i t ht h el a y e r e d n e s so ft r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o na n dt h em u l t i e l e m e n t n a t u r eo fp u r p o s ef u n c t i o n ( e f f e c t ) , w ec o n s t r u c tc h a r a c t e r i s t i c sm o d e l so f t r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o na n dp u r p o s ef u n c t i o n ( e f f e c t ) ，a n dp r o p o s ef u n c t i o ns p a c e 1 p r o l o n g a t i o no fc r e a t i v es c h e m eg e n e r a t i o no fm e c h a t r o n i cs y s t e ma sw e l ia st h e r e a s o n i n gt r a j e c t o r y f u r t h e r m o r e ，w ep r e s e n tac o m p u t e r - a i d e dp r o c e s sm o d e lo f s c h e m eg e n e r a t i o n ，i nw h i c ht r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o n ，t e c h n o l o g y , p u r p o s ef u n c t i o n a n dw o r k i n gp r i n c i p l er e a l i z ec i r c u l a rs o l v i n g w bt h e np r o c e e dt op u tf o r w a r dt h e f o r m a le x p r e s s i o no f a n d ，o r t r e eo fs c h e m eg e n e r a t i o nt ob ea p p l i e dt oc o m p u t e r p r o c e s s i n g , a n dp r o b ei n t 0t h ec o r r e s p o n d i n gs o l v i n ga r i t h m e t i c 4 ) e x p l i c a t i n gi n f o r m a t i o n - c o n t e n tb a s e do p t i m a l i l yo fm e c h a t r o n i cs y s t e ms c h e m e c h a p t e rf o u ra p p l i e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fa x i o md e s i g n ( i n f o r m a t i o na x i o mi n p a r t i c u l a t ) t ot h eo p t i m a l i t yp r o c e s so fm e c h a t r o n i cs y s t e ms c h e m e ，a n da n a l y z e s t h o r o u g h l yt h ej n d e t e r m i n a c i e su b i q u i t o u sj nt h ed e i g np r o c e s s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea t t r i b u t e sa n dt h et i m e v a r i a b l e n a t u r eo ft h ef u n c t i o na n ds t a t eo fm e c h a t r o n i cs y s t e m ，w ep r e s e n tas e to fc o n c e p t s ， s u c ha si n f o r m a t i o n c o n t e n tb a s e df i l n c t i o n d e s i g np a r a m e t e r , m e c h a t r o n i cr a t i oa n d c o n t r o le f i c i e n c y w ba l s op r o p o s eas e r i e so fp r i n c i p l e sf o ro p t i m a ls c h e m e g e n e r a t i o no fm e c h a t r o n i cs y s t e m ，s u c ha st i m e - d o m a i np a r a m e t e rc o n t r o lp r i n c i p l e ， m a x i m u mi n f o r m a t i o no p t i m a l i t yp r i n c i p l e ，a n dm a x i m u mc o n t r o le f f i c i e n c yp r i n c i p l e ， s oa st op r o f f e ran e wd e s i g nd i r e c t i o nt oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f m e c h a t r o n i cs y s t e m s 负e l u c i d a t i n gs c h e m er e p r e s e n t a t i o no fo b j e c t - o r i e n t e dm e c h a t r o n i es y s t e m i nr e s p o n s et ot h er e s e a r c hs t a t u s - q u ot h a to v e r - e m p h a s i z e sp h y s i c a ls t r u c t u r ea n d b e h a v i o rw h i l ei g n o r i n gl o g i c a ls t r u c t u r ea n db e h a v i o ro ft h es y s t e m ，w ea p p l y o b j e c t b a s e dt h i n k i n gt ot h es c h e m es o l v i n go fs t r u c t u r e ，b e h a v i o ra n dp r i n c i p l eo f m e e h a t r o n i cs y s t e m t o g i c a ls t r u c t u r eo fm e c h a t r o n i cs y s t e mc a l lb ee x p r e s s e da so b i e c i - o r i e n t e dr e f e r e n c e m o d e lo ru m l - b a s e dc l a s sd i a g r a m ( u m lu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) i no r d e rt o d e s c r i b et h ei n t e r f a c e ( c o m m u n i c a t i o n ) b e h a v i o ro fo b i e c t ( a sw e l la ss y s t e ma n d e n v i r o n m e n t ) a n dr e n d e ri n t e r a c t i o nv i s i b l e ，w ee m p l o ym s c ( m e s s a g es e q u e n c e c h a r t s ) t oe x p r e s st h el o g i c a lb e h a v i o ro fm e c h a t r o n i cs y s t e m f u r t h e r m o r e ，w ea p p l y u m la n dm s ct 0e x p r e s st h ep r i n c i p l es c h e m es o l v i n go fm e c h a t r o n i cs y s t e m 。 们i n s t a n t i a t i o n w ec o n d u c tat h o r o u g hi n v e s t i g a t i o ni n t ot h es c h e m ed e s i g na n do p t i m a l i t yo fs u c h m e c h a t r o n i cs y s t e m sa s r a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e m s ( i np a r t i c u l a r , s l i c i n gs o l i d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a n dm e l t e de x t r u s i o nm o l d i n gs y s t e m ) a n dc dp l a y e r , w h i c h s e r v e st ot e s t i f yt h et h e o r ya n dm e t h o d o l o g y p r o p o s e da n dd e v e l o p e di n t h i s d i s s e r t a t i o n 2 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 虢许；1 ) 日期：刎年f f 月厶日 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于? 不保密囤。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：许旁 指导教师签名：钚慧声 日期：卅年f 1 月z - 日 日期：h 。7 年月i 日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于国家自然科学基金资助项目。广义执行机构概念设计理论、方 法及应用研究”( 批准号5 0 2 7 5 0 9 2 ) 。 随着机械制造技术与其他高新技术的日益融合、集成，“机电一体化”已逐渐 成为现代机械系统的本质特征。相比于传统机械系统，机电一体化系统结构、信 息处理及控制方式等的改变导致了其功能、性质和设计方法的极大变化。面对国 际市场日益激烈的竞争以及对知识产权的高度重视，单纯靠吸收与仿制国外产品 将使企业失去市场竞争力。只有通过产品创新才能从根本上解决企业的生存与发 展问题。研究机电一体化系统的创新设计理论、方法及应用，是关系到我国能否 凭借自主知识产权产品跻身世界制造强国的关键。 在机电一体化系统创新设计过程中，概念设计阶段的设计方案创新是原创性 程度较高的创新。为了给设计决策奠定正确的基础，机电一体化系统( 产品) 研 发急需科学的设计理论和方法的指导。好的设计方法论有助于以最优的方式完成 系统开发工作。机电一体化系统方案创新设计作为概念设计的重要内容，其理论 与方法的研究已引起国际上的重视。 现行的机电一体化系统方案设计基本上是依赖于设计者的经验，并没有形成 科学的设计方法。因此在机电一体化系统方案的创新设计中，如何从依赖设计者 的经验设计，进化到遵循科学理论和方法的“理性”设计，是能否产生创新方案的 关键，也是本文研究工作的目标。 1 2 机电一体化内涵与机电一体化系统 1 2 1 机电一体化的内涵 本文给出如下定义：“机电一体化”是使机械制造技术与电子技术、信息技术 在部件、模块和系统层次上实现了功能交互和空间集成的学科( 技术) 。只有将 机电一体化视为独立的工程学科而不仅仅是传统学科的叠加组合，才能够充分挖 掘多学科合作共生的潜力。 任何技术系统( 产品) 都具有主功能和辅助功能，如何实现其功能成为判断 和定义各种技术系统的根本出发点。机电一体化系统本质上是现代机械系统，是 对传统机械系统的升级( 现代机械系统中不仅包括传统的机械零部件，还可能包 括流体、气动、热、声、化学等学科、技术领域的元器件) ，但是这种升级只是 在系统物理组成上的变化，在功能模块的逻辑构成上并没有新的变化。机电一体 化技术影响的只是功能到结构的求解过程和结果，而并未改变系统的功能和功能 关系。机电一体化系统的最终目的是实现可控的运动行为，因此其本质上是一个 用非机械手段实现并强化了控制功能的现代机械系统，这种控制功能在机械本体 的系统和单元层次上都可能被非机械手段渗透。 机电一体化系统的逻辑构成包括主控和执行两大功能模块。主控模块包括信 息处理及控制子系统和传感检测子系统：执行模块即执行子系统，由多个执行单 元耦合而成，每个执行单元又由致动器、控制器和传感器部件集成而成。 可以从不同的观点出发来考察机电一体化系统。例如，从机械工程的观点来 第一章绪论 看，机电一体化系统可被视为已有机械问题的新的解决方案：从控制工程的观点 来看，机电一体化系统可看作一种( 计算机) 可控的动态机械系统；从软件工程 的观点来看，机电一体化系统又是嵌入式的实时系统，可对系统的结构、行为和 数据进行逻辑建模、分析和模拟。 机电一体化系统的显著特点是，为了实现预期的机械变换过程，机械技术和 信息处理与控制技术( 主要是电子和软件技术) 需要紧密协同和集成，这种协同 和集成使得设计者在生成建设性的方案解方面拥有更大的自由度，更能满足多样 化的用户需求：机械技术能够生成物理结构和运动，信息处理和控制技术能够加 快功能执行的速度、便于引入和实现逻辑行为及控制，二者共同孕育出新颖独特 的机电一体化系统，并且最终系统的功能大于其各子系统( 部件) 的功能之和。 相比于构成它的单一技术系统，机电一体化系统( 产品) 具有较低的结构复杂性 和成本、更强的性能、采用其他途径难以实现的更多功能和柔性。不过，获取这 些利益的代价是机电一体化系统的跨学科性质导致的设计复杂性。 机电一体化系统的特性并不仅限于其跨学科性质。相对于机械工程和电子工 程学科，机电一体化系统的设计更多是基于可用的制造技术，而较少基于可实现 的物理规律和工程原理。这也是与传统的工程领域研究方法不一致之处。 深刻理解机电一体化的内涵对于提出新的系统设计方法是极其重要的。领会 机电一体化内涵的最便利方式就是，列出机电一体化系统与各单一技术系统，如 机械、电子、软件系统间的差异来进行对比，这是找到机电一体化系统创新方案 解的最重要前提。即，只有在我们完全熟悉机电一体化系统的性质和特征之后， 才有可能提出合理的机电一体化设计方法。 1 2 2 机电一体化系统与机械、电子、软件系统的差异 机电一体化系统与传统机械系统的差异 信息处理与控制技术( 主要是电子和软件技术) 在机电一体化系统中的应用， 使得机电一体化系统与传统机械系统存在着以下本质差异： 逻辑行为是机电一体化系统的重要特征，且通常较复杂。为获得具有预期 性能的系统，需要开发逻辑建模的方法。 相比传统机械系统，机电一体化系统要柔性化得多，更易于改变、易于适 应需求的变化。因此，为了提出创新的解，了解系统的使用场合极其必要。 电子和软件技术为机电一体化系统提供了新的功能和人机通讯方式。 相比传统机械系统，机电一体化系统的物理实现( 生产、制造) 相对简单， 软件的物理实现就更简单了。 机电一体化也带来了一些风险和缺陷，如软件中的错误、电磁干扰等。 综上所述，机电一体化系统的逻辑行为建模很重要，系统的生产、制造较为 简单。 机电一体化系统与传统电子软件系统的差异 机电一体化系统通常要完成若干机械变换过程，这使得机电一体化系统与传 统电子软件系统存在着以下本质差异： 机电一体化系统中的一些机械变换( 如运动) 过程无法完全由电子和软件 技术来完成。 对机械过程的控制是机电一体化系统设计中的重要问题，设计者需要了解 机械变换过程和控制原理。 2 上海交通大学博士学位论文 在电子软件和机械问存在着接口( 即传感器和致动器) ，接口是不同技术 的交汇点。因此，必须要确定接口的原理解，还要知道在系统真实使用环境中的 物理条件。 因为包含有机械零部件，机电一体化系统的制造问题变得重要。 环境因素如温度、振动、安全性等变得重要。 机械实体( 零部件) 会磨损失效，而软件则从来不会。 综上所述，对于机电一体化系统中机械零部件( 子系统) 及其运动和控制原 理的了解非常重要。相比于电子和软件系统，制造、物理条件和环境对于机械系 统来说更为重要。 总而言之，机电一体化的关键要素包括机械变换( 通常为机械运动) 、逻辑 行为、不同技术间的协同以及不同技术方案解间的折衷。因此，开发机电一体化 系统的挑战在于：视系统为整体，进行跨领域设计，理解用户域和问题域。 太多的文献讨论了如何实现机电一体化系统中的不同部分，它们考虑的大多 只是特定、局部的问题，如控制方法、计算机( p l c ) 在机械设备控制中的应用、 如何使电子与机械结合等。遗憾的是，探讨如何从最初的想法开始进行机电一体 化系统的设计，这样的文献却少得可怜，且很少有文献将机电一体化系统的逻辑 行为和物理行为区分开来。也就是说，整体性的研究方法还很缺乏。 很明显，现在亟需这样的机电一体化系统设计方法：它应能涵盖机电一体化 系统的所有方面，应能考虑到有竞争力的机电一体化产品所具有的本质的、决定 性的特征 演 化 建禽 萨嫦 机电一体化系统集成设计fj 1 f 潜 淼i 彰 系统方案 吐曼；兰 7 _ 非执行功能一 ( 非执行于 系统设计任务 图3 6 基于机电单元的机电一体化系统方案设计过程模型 f i g 3 - 6p r o c e s sm o d e lo fs c h e m ed e s i g nf o rm e c h a t r o n i cs y s t e m sb a s e d0 1 1m e 3 6 2 机电一体化系统集成设计 多个m e 耦合为执行子系统，然后通过软件集成，在系统主控制器的协调下 集成为机电一体化系统。 机电一体化系统集成是指：各m e 中的局部控制器通过接口与主控制器( 主 控制计算机) 相联，接受其控制，并交换数据。考虑各m e 问的相互影响和相互 第三章机电一体化系统逻辑结构和三子系统设计 耦合作用。主控制器协调各m e 中局部控制器的运行，从而使整个系统达到最优 化。机电一体化集成的核心是信息集成，而信息集成的重点是控制层面上的软件 集成。各子系统的原理方案通过计算机软件集成为整个机电一体化系统的原理方 案解。 机电一体化系统集成的基本过程分为功能集成、物理映射、信息集成三个阶 段。 在功能集成阶段，将整个机电一体化系统的总功能根据功能结构划分为基 本功能单元，然后在信息层面上由软件来实现集成。在此阶段中，控制系统通常 采用开放体系结构设计，软件采用结构化设计，而机械部分则尽量采用模块化、 标准化的部件。 在物理映射阶段，需设计、选购具体的物理模块来实现功能集成中的功能 单元要求。主要采用的方法有组合化设计、高性能电子元器件的选用、可编程逻 辑器件的使用等； 信息集成阶段指根据物理映射的结果，在机电单元( m e ) 组成的系统功能 结构图中根据信息的流向标出具体信息流，从而建立起在输入信息流与输出信息 流之间的信息流路径网络，从中研究分析机电一体化集成的方法。信息集成是一 个创新的过程，是否实现了最佳化、是否实现了最大程度的增值、是否能获得设 计上的成功，很大程度上决定予信息集成环节。机电一体化集成的内涵就是信息 集成所赋予的。 在实际实施中，通常从以下一些角度来考虑合理的信息集成：恰当地进行机 电结合及硬件软件结合：将信息处理功能从机械、电气中分离出来，由计算机实 现；采用分离驱动源的传动方式，等等。 总之，机电一体化系统集成是一个反复集成，螺旋上升的过程，在满足设计 要求的基本前提下，从系统整体的角度考虑，逐渐使机电一体化中的各种功能要 素达到最佳结合状态。 机电一体化系统集成的主要类型有： 通过将微处理器技术集成进简单的机电设备或机械结构，将系统功能合理 鲍重新分配到新的机械系统、电子控制和软件系统中，以充分发挥各自的优势。 例如通过在滚齿机中引进微处理器，使滚刀和齿坯的驱动系统相互独立，其范成 运动由微机控制来实现。 通过软件集成使新功能集成进现有的机电一体化系统中。如第二代多功能 快速原型制造系统实现了将分层实体成型( f d m ，f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 和 熔融挤出成型( l o m ，l a m i n a t e do b j e c tm o d e l i n g ) 功能集成，实现了优势互补； 通过网络技术，实现远距离机电一体化系统之间的集成。这对于远程控制 如诊断、监视、数据交换等有重大意义。 3 7 本章小结 依赖于能接受信息、通过自动控制实现某一单一功能的“机电单元( m e ) ”， 通过耦合( 协同) 和信息集成而创造出新的复杂功能的产品，即机电一体化系统。 基于此，本文提出了机电一体化系统的单元级和系统级逻辑结构，以及机电一体 化系统的单元化设计思想。 在机电一体化系统方案设计过程中，同时存在两条演化路线，一条是功能求 解路线，产生了机电一体化系统的执行载体方案，即基于执行单元的执行子系统； 上海交通大学博士学位论文 还有一条是功能逻辑关系演化路线，产生了机电一体化系统正常运行所必需的执 行协调关系。 根据机电一体化学科本身的规律，掌握好机电一体化系统的本质( 信息驱动 的现代机械系统) 和机电单元祸合与集成的规律，是机电一体化系统设计的核心。 第四章机电一体化系统方案生成推理及计算机辅助求解策略 第四章机电一体化系统方案生成推理及计算机辅助求解策略 4 1 引言 方案生成是产品设计进程中最富创新性的阶段，对提高产品性能、降低产品 成本有决定性的影响。而且，这也是机电体化系统与构成它的子系统差异最大 的设计阶段。 本章研究的重点在于变换功能、目的功能( 效应) 与作用原理解间的对应或 映射求解过程。功能本身的层次性和多元性影响因素能够提供巨大的概念解的变 异和拓展空间，挖掘这一空州就能为系统产品提供更多的创新机会。基于此， 本章提出了针对机电一体化系统创新方案生成的功能空问拓展及推理规律。 机电一体化系统方案生成过程中，从属功能的生成和求解往往伴随着主功能 的求解及其解的完善过程逐步得以实现。基于这一实际情况，本章提出了一种变 换功能、技术、目的功能、作用原理解循环交叉求解的计算机辅助方案生成进程 模型。在此基础上提出了适用于计算机处理的方案生成与或树形式化表达方法， 探讨了相应的求解算法。 4 2 变换功能特征模型 系统的变换功能表达了为满足用户基本需求必须实现的过程对象从输入到 输出的变换。过程对象可以是物料、能量、信号或( 和) 时间，其特征主要指过程 对象的成分、种类、状态和其它广义物理特征，一般都能用广义物理量表达。 在分析当前功能表达模型怛7 j 的基础上，提出如图禾1 所示的变换功能特征模 型。该功能特征包括过程对象性念变换特征和过程对象性念特征。 对象性态变换特征：对象性态变换特征包括量变特征和质变特征，其中量 变特征包括正相关、负相关和f 负相关三种；而质变特征则包括成分、种类等方 面的转换。定义定量变化关系特征如下：i l + ( y ，x ) 1 表示因变量y 与x 存在正相关 关系，【r ( y ，x ) 】表示因变量y 与x 存在负相关关系，【i + ( y ，x ) j 表示因变量y 与x 的 关系非单调。 过程对象性态特征：过程对象性态特征包括过程对象输入性态特征和过程 对象输出性态特征。 变挟功能特征模型 过程对象性态变换特征il 过程对象性态特征 l 量变f 舔 滩慷 输入输出 性态f | 性态 特征1 ) 特征 图4 - 1 交换功能特征模型 f i g 4 1c h a r a c t e r i s t i c sm o d e lo ft r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o n 以“摩擦阻力被减小”变换功能为例，其过程对象性态量变特征包括因变量 摩擦力f 、自变量摩擦系数i 、正压力n ，相应的关系特征为f 叫n ，其中定量 4 8 上海交通大学博士学位论文 变化关系特征为【r 假力】、【r 仉n ) 】。 过程对象的输入、输出流构成了方案设计的己知条件。此时可以把系统看作 个黑箱，暂不考虑其具体结构，只考察与外界对象之间的作用关系。 4 3 目的功能( 效应) 特征模型 任何技术系统的目的都是支持某一变换或技术过程。变换过程对象( 如原料、 能量、数据、生物学对象等) 所需的物理效应通过系统和操作者间的交互来进行 传递。 目的功能依据显现出的科学效应来表达功能。效应描述了实现变换功能的基 本机理，是作用原理解的本质抽象。本文提出如图4 2 所示的目的功能特征模型。 该功能特征包括效应生成者特征和效应生成方式特征。 效应生成者特征：效应可由技术系统或操作者生成，或者协同生成。在技 术系统中能够创造所需物理效应的主动要素是部件( 定性) 和原理参数( 定量) 。 部件的输入和输出( 能量，物料信号) 性态特征可以分为两种基本类型：动 态特征和静态特征。动态特征表达了输入量输出量的增大、减小和改变等量变特 征；而静态特征则表达了输入量输出量本身的特征。而作用原理解正是通过输 入输出性态的变换实现相应的功能。例如压电元件装置主要涉及了输入，输出量 本身的静态特征转换，即通过将压力变换为电压从而实现相应的功能；气泡减阻 装置主要涉及了输入，输出量的动态特征，即通过将流体运动粘度系数、流体密 度系数和流体成分等输入量的量变来实现摩擦阻力等输出量的量变。 原理参数特征分为自变量特征和因变量特征。 效应生成方式特征：直接生成是指效应生成者与过程对象有直接的物理接 触，外部传入是指效应生成者以“垂直因果链”( 见第二章) 的形式向技术系统传 递物理效应。 图4 - 2 目的功能特征模型 f i g 4 2c h a r a c t e r i s t i c sm o d e lo fp u r p o s ef u n c t i o n 4 4 机电一体化系统方案生成推理策略 机电体化系统方案生成推理进程由三阶段组成：第一阶段为基于变换功能 拓展的技术推理，第二阶段为基于技术的变换功能向目的功能的推理，第三阶段 为目的功能向作用原理的推理。 4 9 第四章机电一体化系统方案生成推理及计算机辅助求解雏咯 4 4 1 基于变换功能拓展的技术推理 如第二章所述，系统功能结构到底应采用变换功能表达( 由功能动词和过程 对象构成的被动句型) 还是目的功能表达( 由功能动词和过程对象构成的主动句 型) ，其根本之处在于需判断：是否系统( 部件) 自身就能够变换过程对象，还 是仅仅提供主要交换所需的效应，而此变换需通过其他方式在系统外实现。相应 地，如果是前一种情况，则系统方案生成推理进程的起点就是变换功能；反之， 推理进程的起点就是变换所需的效应( 目的功能) 。而效应由操作者、部件等在 较高功能结构层次上赋予系统。为简便起见，本文假定方案生成推理进程的起点 为变换功能，即不再考虑从原始效应( 原始目的功能) 至变换功能的推理。 本文将某一功能变换过程中各子过程的类型和执行顺序，以及过程对象和变 换所需效应间在时间、空间上的相互作用定义为“技术”。技术是变换发生的方 式，是作用原理中的核心知识。如要使铅笔变得锋利可执行磨削或刀削技术。变 换过程中的每一个子过程都需由相应的技术实现，因而变换功能域的方案解实际 上是一个技术结构。由操作者和技术系统构成的人机系统能够实现功能变换， 而实现交换的方式正是通过技术。例如，人在写信时，铅笔是一个技术系统，而 人完成用铅笔书写的技术。联系变换功能和目的功能的纽带正是对“技术”的选 择。 本文提出“基于变换功能拓展的技术推理”观点：将变换功能特征模型中功 能动词和过程对象的特性