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东北大学硕士学位论文摘要 汽车智能刹车系统的概念设计方法研究 摘要 企业如果想在激烈的竞争中占领市场，就必须具备快速创新产品的设计能力， 而一件创新产品的实际意义是靠用户的满意度来衡量的。对于制造业来说，拥有 快速有效的创新设计方法是至关重要的。经过学者长期的研究发现，在产品的整 个设计过程中，设计的前期工作的重要性占了 整个产品开发过程的6 0 % -7 0 % 。 设 计的前期工作主要是分析用户需求及产品设计要求，并根据要求确定设计方案。 因此， 更多的设计者逐渐把工作重点放在了设计的前期，即概念设计。 概念设计 是一种全新的设计方法，它从用户的需求出发， 对产品的功能进行抽象化分析， 并运用各学科的知识进行功能向行为映射，从而得出最好的概念产品设计方案。 本文首先对概念设计的发展现状做了 简单介绍，然后针对现代产品的设计特 点，对机电一体化概念设计方法进行了分析研究，总结概括出了一套机电一体化 产品的概念设计方法，并将其应用于汽车防抱死刹车系统的创新设计中。 汽车防抱死制动系统 ( a b s )发展到今天已经是比较完善，要想得到这个研 究领域的创新就必须运用更加有效的设计方法。本文采用全新的机电一体化概念 设计方法，对整个汽车制动系统进行了重新设计，最终得出理想的设计方案。 本文在设计过程中，根据汽车运行特性对制动系统进行了功能分析，并通过 借鉴现有的研究成果和本人的改进设计，对功能元进行原理求解，在评价得到若 干方案后， 运用m a t l a b仿真比 较得出 最优方案。 本文在改进设计中， 尝试采用 了户 一 、 自 寻 优控制方法，并在制动系统中增加了制动压力反馈， 通过轮速与制动 压力双环路控制，达到控制滑移率变化的作用。本文经过概念设计得到的制动系 统设计方案，不仅缩短了制动距离和制动时间，而且降低了制动油压，提高了安 全性，更重要的是能够识别不同路面的变化，自 动给出最合适的刹车力矩， 起到了 智能化的作用，因此又可称为智能刹车系统 ( i b s ) . 概念设计是不断发展和完善的，随着各类学科的进步，概念设计的内容也会 得到不断地扩大和丰富。 关键词:概念设计、机电一体化、智能刹车系统、功能分析、评价、仿真 1 1 东北大学博士学位论文 abs tract c o n c e p t u a l d e s i g n a p p r o a c h o f a n i n t e l l i g e n t b r a k i n g s y s t e m ab s t r a c t i f a c o m p a n y i s g o i n g t o o c c u p y t h e m a r k e t i n s e r i o u s c o m p e t i t i o n , h e m u s t h a v e e ff e c t i v e l y c r e a t i v e d e s i g n c a p a b i l i t y . t h e s i g n i f i c a n t o f a n e w p r o d u c t s h o u l d b e m e a s u r e b y c u s t o m e r s . s o , t o m a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y , h a v i n g e ff e c t iv e d e s i g n m e t h o d i s i m p o r t a n t . a l o n g t i m e p a s t , s c h o la r s f i n d o u t t h a t t h e p r o d u c t f o r m e r d e s i g n i s i m p o rt a n t , a n d i t c a n d e c i d e t h e c o s t o f 6 0 %一7 0 %. t h e f o r m e r d e s i g n w o r k m a i n l y i s o f a n a l y z in g t h e r e q u e s t o f c u s t o m e r s a n d p r o d u c t , a n d d r a w i n g u p d e s i g n s c h e m e . t h e r e f o r e , m o r e d e s i g n e r s f o c u s o n t h e f o r m e r d e s i g n - - c o n c e p t u a l d e s i g n . c o n c e p t u a l d e s i g n i s a n e w d e s i g n m e t h o d . t h e m e t h o d m a i n l y a n a ly s e s r e q u e s t o f c u s t o m e r s a b s t r a c t l y , a n d c h a n g e t h e p r o d u c t f u n c t i o n t o b e h a v i o r c a r r i e r , t h e n d r a w u p a c o n c e p t u a l p r o d u c t s c h e m e t h i s d i s s e rt a t i o n i n t r o d u c e s t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f c o n c e p t u a l d e s i g n f i r s t l y , a n d s t u d i e s t h e m e c h a t r o n i c c o n c e p t u a l d e s i g n m e t h o d a c c o r d i n g t o t h e c u r r e n t p r o d u c t c h a r a c t e r i s t i c . a n d t h e n w o r k o u t a m e t h o d o f a m e c h a t r o n i c p r o d u c t c o n c e p t u a l d e s i g n . t h i s d i s s e rt a t i o n u s e s t h e m e t h o d i n d e s i g n o f a u t o m o b i le a n t i - l o c k b r a k in g s y s t e m . a n d t h e r e s u l t i s p e r f e c t . a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m i s c o n s i d e r e d p e r f e c t l y b y g e n e r a l p u b l i c . i f d e s i g n e r w a n t s t o i m p r o v e t h e s y s t e m , h e s h o u l d s t u d y m o r e e ff e c t i v e m e t h o d . t h e b r a k in g s y s t e m i s d e s i g n e d a g a i n w i th t h e n e w m e c h a t r o n i c c o n c e p t u a l d e s i g n m e t h o d i n t h i s d i s s e rt a t i o n . t h e r e s u l t i s o f d r a w i n g u p p e r f e c t s c h e m e . d u r i n g t h e d e s i g n p r o c e s s , t h e r e a r e l o t s o f w o r k i n g i n c l u d e o f a n a l y s i s o f v e h i c l e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c , l o o k i n g f o r a l o t o f a rt i c l e s , e v a l u a t i n g a n d s i m u l a t i n g s c h e m e w it h ma t l a b , a n d s o o n . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , t h e u 一 s s e l f - o p t i m i z i n g c o n t r o l m e t h o d i s a d o p t e d . s i n c e a d d i n g t o t h e p r e s s u r e s e n s o r , t h e s l ip c a n b e c o n t r o l t h r o u g h d o u b l e f e e d b a c k . t h e n e w b r a k i n g s y s t e m , w h i c h i s d e s i g n a g a i n t h r o u g h m e c h a t r o n i c c o n c e p t u a l d e s i g n , h a v e m a n y b e tt e r c h a r a c t e r i s t i c s u c h a s s h o rt e n i n g b r a k i n g d i s t a n c e a n d b r a k in g t i m e , d e c r e a s i n g o i l p r e s s u r e a n d m a k e t h e s y s t e m m o r e s a f e . a n d w h a t t h e i i i 东 北大学博士学 位论文 abs tract m o r e i m p o rt a n t i s t h a t t h e s y s t e m c a n g i v e t h e p r o p e r b r a k i n g t o r q u e a c c o r d i n g t o v a r i o u s r o a d s u r f a c e s . t h e r e f o r e , t h e s y s t e m i s a l s o c a l l e d i n t e l l i g e n t b r a k i n g s y s t e m . c o n c e p t u a l d e s i g n i s i m p r o v i n g c o n s t a n t l y . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e , h i s c o n t e n t w i l l b e g r a d u a l l y e n r i c h a n d a m p l i f y . k e y w o r d s : c o n c e p t u a l d e s i g n , m e c h a t r o n i c s , i n t e l l i g e n t b r a k i n g s y s t e m , f u n c t i o n a n a l y s i s , e v a l u a t e , s i m u l a t i o n i v 独仓 1 f t 声明 本人声明所呈交的学位论文是在杨英和宋桂秋导师的指导下完成 的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 畔 日期: 2 w g s . 2 . z $ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 签字日期: 0- 时s , 2 导师签名: 签字日期: 夕帅 5、 22 16 东 北大学 硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1引言 汽车的制动系统直接关系到行车安全，一个良好的制动系统不仅能够提高 主动安全性，而且还能给乘客带来良 好的舒适性。多年来许多学者致力于汽车 防抱死刹车系统 ( a n t i - l o c k b r a k i n g s y s t e m)的研究，使a b s 从起初作为汽车 可选择的附加设备发展到后来成为大部分汽车的基本设备，己经逐渐普及化， 并且发展得比较完善了。 然而，无论产品发展到什么阶段，它总是与用户的需求紧密相连的。用户 需求的不断变化必将导致产品的不断更新换代，因此，产品的创新及创新的速 度成为市场竟争的焦点。 文献【 1 中指出， 一种基于机电一体化概念的对于整个 伟 11 动系统各部件的重新设计能够导致这个领域的重要提高。汽车防抱死刹车系 统是典型的机电一体化系统，为了得到在此领域的创新本课题采用了一种全新 的设计理念一概念设计( c o n c e p t u a l d e s i g n ) ， 运用机电一体化概念设计思想和设 计流程来完成该系统的设计，从而得到产品的创新。 1 . 2产品的创新设计现状 1 . 2 . 1现代产品设计技术 产品的设计理论是产品创新的核心与基础。为了提高新产品的开发设计能 力，人们在这方面做了大量的研究。例如借助现代计算机技术和信息技术的产 品数据管理系统 ( p d m)和计算机辅助设计技术 ( c a d ) 、利用现代设计过程 管理技术的质量工程配置( q f d ) 等设计方法。 文献【 2 1 中指出从产品设计的角 度而言， p d m 中对用户需求的考虑不多，不能算是完全意义上的产品设计; c a d着眼于解决具体问题， 如辅助工程制图和有关分析计算， 对产品设计的总 体问题和用户需求问题未进行考虑; 尽管q f d擅长于将顾客需求信息转化为设 计需求，其局限性在于它只是提供了一种定性分析的方法，只给出了产品开发 设计的指导性原则，在现实中难以实际应用，且难以与信息技术结合，可操作 性不强。 东北大学 硕士学位论文 1 . 2 . 2概念设计 第一章 绪论 为了更好地提高企业创新设计的能力， 人们不断地把研究重点放在了如何 去定义和把握用户需求和如何分析用户需求上面， 即产品设计的前期工作过程， 也 是 人 们 统称为 的 概念设 计 13 1 . m . f r e n c h 在1 9 7 4 年 编著的( c o n c e p t u a l d e s i g n f o r e n g i n e e r s 书中 对概念设计作了 如下描述 : “ 概念设 计就是确定设计 任务 和用简图形式表达的广义解。概念设计对设计师有很高的要求，要求对产品各 种性能有明显的改善。在这一阶段需要将工程科学、专业知识、加工方法及商 业知识等各方面知识融合在一起，从而做出最重要的决策。 ” p a l h 和 b e i t z 在 1 9 8 4 年的 专著 e n g i n e e r i n g d e s i g n ) 中 认为: “ 在确定任务之后， 通过抽象化 拟订功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出 求 解方案， 这一部分设计工作叫 做概念设 计。 ” 1 5 1 1 . 2 . 2 . 1概念设计的内涵 由于概念设计的内涵十分广泛和深刻，不能将它等同于方案设计。概念设 计是根据产品生命周期的各个阶段的要求，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进行实 现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个 应用发散思维等进行创新设计的过程，是一个求解实现功能的、满足各种技术 和经济指标的、可能存在各种方案并最终确定综合最优方案的过程16 1 。 在概念 设计的过程中，要求设计人员掌握现代设计方法、先进制造技术、专业理论、 商用运作等方面的知识。 可以把概念设计理解为是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序 的、 可组织的、 有目标的一系列活动， 它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、 由抽象到具体、不断进化与展开的推理与决策的过程。概念产品是产品总体特 征、性能、结构、尺寸形状的描述和实现。概念产品是用以评估、验证产品对 目 标市场的适应性和符合产品需求说明书的满意度，也是用以制定、实施产品 后续开发过程即生产、销售、服务等计划的技术基础。概念产品不是直接用于 生产、营销、服务等的最终产品，它是制造企业开拓市场、赢得竞争的工具。 根据市场及用户的需要，通过总体性能、结构、尺寸形状和系统技术特征参数 来表达产品的经济性、市场可竞争性、可生产性和可维护性等。 1 . 2 . 2 . 2概念设计的特征 东北大学硕士学 位论文 第一章 绪论 概念设计所包含的内容十分丰富，它具有以下几个特征: ( 1 )创新性 创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价 格低廉的富有竟争力的产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构跃进、结 构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能结构的修改、整体设计理念的 更新等高层次创新活动都属于概念设计的范畴。产品创新的核心在于构思创新 产品的概念。产品的概念发展与产品的设计是产品创新中具有决定性作用的阶 段，从分析市场开始发展概念产品是产品概念设计的主要任务与内容。 ( ? )多样性 概念设计的多样性主要体现在设计步骤的多样化和设计结果的多样化。不 同功能的定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方 法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。 ( 3 )层次性 概念设计的层次性体现在两个方面。一方面，概念设计分别作用于功能层 和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用 于功能层上，结构修改和结构变异则作用于结构层，由映射关系将两层连接起 来。另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是 将功能从一个层次向下一个层次推进。 功能的层次性也就决定了结构的层次性， 不同层次的功能对应不同层次的结构。 例如汽车的功能是“ 代步” ， 而汽车的子 功能之一 “ 控制行进方向”是由方向盘来完成的。 概念设计应包括以下主要内容: 功能创新: 功能分析和功能结构图设计; 工作原理解的搜索和确定; 功能载体方案构思和决策。 概念设计是产品设计的先导， 又是产品构型设计的前提， 概念设计搞好了， 产品设计才有可能达到高水平。目前，计算机辅助设计己经深入发展并得到广 泛应用，概念设计应该可以在计算机辅助智能化设计和专家系统技术的基础上 得到充分发展1 7 1 1 . 2 . 2 . 3概念设计的作用 为了能够迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，产品快速设计就成为企业实 一 3- 东 业大学 硕士学位论文 现对市场的快速响应和产品创新的重要环节 第一章 绪论 设计是决定竞争力的最重要阶段，而产品的概念设计则是产品设计过程最 重要、最复杂，最活跃、最具创造性的设计阶段。从产品创新的角度看，概念 设计过程本质上就是一个产品的创新过程，这一阶段的工作高度地体现了设计 的艺术性、创造性、综合性以及设计者的经验，一旦概念设计被确定，产品设 计的6 0 % - 7 0 % 也就被确定了。 产品概念设计与其它开发阶段相比所消耗的开发 资源较少，是产品开发的低成本端，但却决定了产品全生命周期的绝大部分成 本 。 1 . 3本文主要研究的内容及重要意义 1 . 3 . 1本文主要研究的内容 由于现代科学技术水平的巨大提高，极大地推动了不同学科的相互交叉与 渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在传统的机械工程领域，由于微电 子技术与计算机技术的高速发展及其向机械工程领域的渗透，形成了具有涵盖 多学科技术特点的机电一体化技术 ( me c h a t r o n i c s ) ，这使得机械工业的技术结 构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系都发生了巨大变化。 由于机电一体化系统包含了多个学科的内容，致使整个系统的结构纷繁复 杂，这也导致了系统的设计方法复杂多样，比如模块化设计、柔性化设计、优 化设计等等。但正是由于机电一体化产品设计的复杂性，决定了单独应用这些 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。 本文主要研究将机电一体化技术与概念设计相结合的设计方法，建立机电 一体化产品的概念设计理论体系， 并针对目前汽车防抱死制动系统的技术现状， 将机电一体化概念设计方法应用在汽车刹车系统的设计上，力图得到产品的创 新，使刹车系统的运行更加安全与舒适。 1 . 3 . 2本文研究的重要意义 当前各工业、制造业的首要任务就是设计研究出能够满足用户需要的新产 品，并以最快的速度占领市场。企业要想在这样激烈的市场竞争中立于不败之 地，必须能够快速响应市场需求，提供用户满意的新产品。本文研究的机电一 东 业大学 硕士学位论文 现对市场的快速响应和产品创新的重要环节 第一章 绪论 设计是决定竞争力的最重要阶段，而产品的概念设计则是产品设计过程最 重要、最复杂，最活跃、最具创造性的设计阶段。从产品创新的角度看，概念 设计过程本质上就是一个产品的创新过程，这一阶段的工作高度地体现了设计 的艺术性、创造性、综合性以及设计者的经验，一旦概念设计被确定，产品设 计的6 0 % - 7 0 % 也就被确定了。 产品概念设计与其它开发阶段相比所消耗的开发 资源较少，是产品开发的低成本端，但却决定了产品全生命周期的绝大部分成 本 。 1 . 3本文主要研究的内容及重要意义 1 . 3 . 1本文主要研究的内容 由于现代科学技术水平的巨大提高，极大地推动了不同学科的相互交叉与 渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在传统的机械工程领域，由于微电 子技术与计算机技术的高速发展及其向机械工程领域的渗透，形成了具有涵盖 多学科技术特点的机电一体化技术 ( me c h a t r o n i c s ) ，这使得机械工业的技术结 构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系都发生了巨大变化。 由于机电一体化系统包含了多个学科的内容，致使整个系统的结构纷繁复 杂，这也导致了系统的设计方法复杂多样，比如模块化设计、柔性化设计、优 化设计等等。但正是由于机电一体化产品设计的复杂性，决定了单独应用这些 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。 本文主要研究将机电一体化技术与概念设计相结合的设计方法，建立机电 一体化产品的概念设计理论体系， 并针对目前汽车防抱死制动系统的技术现状， 将机电一体化概念设计方法应用在汽车刹车系统的设计上，力图得到产品的创 新，使刹车系统的运行更加安全与舒适。 1 . 3 . 2本文研究的重要意义 当前各工业、制造业的首要任务就是设计研究出能够满足用户需要的新产 品，并以最快的速度占领市场。企业要想在这样激烈的市场竞争中立于不败之 地，必须能够快速响应市场需求，提供用户满意的新产品。本文研究的机电一 东 业大学 硕士学位论文 现对市场的快速响应和产品创新的重要环节 第一章 绪论 设计是决定竞争力的最重要阶段，而产品的概念设计则是产品设计过程最 重要、最复杂，最活跃、最具创造性的设计阶段。从产品创新的角度看，概念 设计过程本质上就是一个产品的创新过程，这一阶段的工作高度地体现了设计 的艺术性、创造性、综合性以及设计者的经验，一旦概念设计被确定，产品设 计的6 0 % - 7 0 % 也就被确定了。 产品概念设计与其它开发阶段相比所消耗的开发 资源较少，是产品开发的低成本端，但却决定了产品全生命周期的绝大部分成 本 。 1 . 3本文主要研究的内容及重要意义 1 . 3 . 1本文主要研究的内容 由于现代科学技术水平的巨大提高，极大地推动了不同学科的相互交叉与 渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在传统的机械工程领域，由于微电 子技术与计算机技术的高速发展及其向机械工程领域的渗透，形成了具有涵盖 多学科技术特点的机电一体化技术 ( me c h a t r o n i c s ) ，这使得机械工业的技术结 构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系都发生了巨大变化。 由于机电一体化系统包含了多个学科的内容，致使整个系统的结构纷繁复 杂，这也导致了系统的设计方法复杂多样，比如模块化设计、柔性化设计、优 化设计等等。但正是由于机电一体化产品设计的复杂性，决定了单独应用这些 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。 本文主要研究将机电一体化技术与概念设计相结合的设计方法，建立机电 一体化产品的概念设计理论体系， 并针对目前汽车防抱死制动系统的技术现状， 将机电一体化概念设计方法应用在汽车刹车系统的设计上，力图得到产品的创 新，使刹车系统的运行更加安全与舒适。 1 . 3 . 2本文研究的重要意义 当前各工业、制造业的首要任务就是设计研究出能够满足用户需要的新产 品，并以最快的速度占领市场。企业要想在这样激烈的市场竞争中立于不败之 地，必须能够快速响应市场需求，提供用户满意的新产品。本文研究的机电一 批解耐 杯 论 一一 一 一 一一 上 主 竺 it - 体化概念设计方法符合现代科学技术的发展趋势，并且可以成为汽车工业产品 设计的有效方法。论文中将机电一体化概念设计法应用在汽车制动系统的设计 上，为企业在汽车制动系统的创新设计提供了很好的设计意见。 1 . 4本章小结 本章前部分主要介绍了论文的研究背景和现代设计方法的发展现状，并对 概念设计的内涵进行了论述，为新的科学发展时期的产品设计提出新的建议。 本章的后部分介绍了论文研究的主要内容，指出由于概念设计具有创新性、多 样性和层次性的特点，将其运用于汽车防抱死制动系统的重新设计，必能得到 良好的创新设计。 批解耐 杯 论 一一 一 一 一一 上 主 竺 it - 体化概念设计方法符合现代科学技术的发展趋势，并且可以成为汽车工业产品 设计的有效方法。论文中将机电一体化概念设计法应用在汽车制动系统的设计 上，为企业在汽车制动系统的创新设计提供了很好的设计意见。 1 . 4本章小结 本章前部分主要介绍了论文的研究背景和现代设计方法的发展现状，并对 概念设计的内涵进行了论述，为新的科学发展时期的产品设计提出新的建议。 本章的后部分介绍了论文研究的主要内容，指出由于概念设计具有创新性、多 样性和层次性的特点，将其运用于汽车防抱死制动系统的重新设计，必能得到 良好的创新设计。 东 北大 学硕士学位论文 第二章 机电一体化概念设计的方法研究 第二章 机电一体化概念设计的方法研究 2 . 1机电一体化技术的基本知识 随着人类工业技术水平的不断提高， 传统的机械设计方法由于其具有单学 科内的局限性而逐渐被淘汰，取而代之的是具有旺盛的生命力的能够贯穿多个 学科的机电一体化技术。 机电一体化 ( me c h a t r o n i c s ) 概念在2 0 世纪7 0 年代由 日 本学者首先使用 8 1 ， 其可以 简要地概括为机械工程与电 子工程相结合的技术， 以及应用这些技术的机械电子装置。有的科学工作者将其定义为一种完整的可 控机械系统的设计技术。 国际机器和机械装置理论联合会i f t m m ( i n t e r n a t i o n a l f e d e r a t i o n f o r t h e t h e o r y o f m a c h i n e s a n d m e c h a n i s m )将机电一体化 ( me c h a t r o n i c s ) 定义为机械学、 控制技术和信息技术在产品生产过程设计中的协 同组合9 1 。无论以何种方式定义，机电一体化技术发展的最终目 标都是为了 满 足工业的需要，因此它必须综合机械制造技术、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，从而实现产品设计的智 能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化。 2 . 1 . 1机电一体化系统的组成 机电一体化是一门新兴的交叉学科，它是以机械工程学、电子工程学为支 柱，并综合了控制工程和信息工程等多门学科。由于计算机技术的迅猛发展， 机电一体化技术的应用使得工业产品更加趋向于微型化、柔性化，速度更快， 精度更高，更具可靠性。 一个完整的机电一体化系统应该是一个可控的机械执行装置，一般来说其 结构是由 机械系统 ( 机构) 、 电子信息处理系统( 计算机) 、 动力系统 ( 动力源) 、 传感检测系统 ( 传感器) 、 执行元件系统 ( 如电动机) 等五个部分组成 1 0 。 下 面以电动机驱动工作台运动的简单机电一体化系统为例，来说明各系统的功能 作用。 东 北大 学硕士学位论文 第二章 机电一体化概念设计的方法研究 第二章 机电一体化概念设计的方法研究 2 . 1机电一体化技术的基本知识 随着人类工业技术水平的不断提高， 传统的机械设计方法由于其具有单学 科内的局限性而逐渐被淘汰，取而代之的是具有旺盛的生命力的能够贯穿多个 学科的机电一体化技术。 机电一体化 ( me c h a t r o n i c s ) 概念在2 0 世纪7 0 年代由 日 本学者首先使用 8 1 ， 其可以 简要地概括为机械工程与电 子工程相结合的技术， 以及应用这些技术的机械电子装置。有的科学工作者将其定义为一种完整的可 控机械系统的设计技术。 国际机器和机械装置理论联合会i f t m m ( i n t e r n a t i o n a l f e d e r a t i o n f o r t h e t h e o r y o f m a c h i n e s a n d m e c h a n i s m )将机电一体化 ( me c h a t r o n i c s ) 定义为机械学、 控制技术和信息技术在产品生产过程设计中的协 同组合9 1 。无论以何种方式定义，机电一体化技术发展的最终目 标都是为了 满 足工业的需要，因此它必须综合机械制造技术、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，从而实现产品设计的智 能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化。 2 . 1 . 1机电一体化系统的组成 机电一体化是一门新兴的交叉学科，它是以机械工程学、电子工程学为支 柱，并综合了控制工程和信息工程等多门学科。由于计算机技术的迅猛发展， 机电一体化技术的应用使得工业产品更加趋向于微型化、柔性化，速度更快， 精度更高，更具可靠性。 一个完整的机电一体化系统应该是一个可控的机械执行装置，一般来说其 结构是由 机械系统 ( 机构) 、 电子信息处理系统( 计算机) 、 动力系统 ( 动力源) 、 传感检测系统 ( 传感器) 、 执行元件系统 ( 如电动机) 等五个部分组成 1 0 。 下 面以电动机驱动工作台运动的简单机电一体化系统为例，来说明各系统的功能 作用。 东 北大学硕士学位论文 第二章 机电一体化概念设计的方法研究 传1rm 工作台 执行元件 电动机 q wg _ 1 - 信 息 处 1m统( 计 算 初 ) 丁 一 刊 动 力 源 图 2 . 1机电一体化系统基本构成 f i g . 2 . 1 t h e s t r u c t u r e o f m e c h t r o n i c s y s t e m 图 2 . 1 为通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的全闭环系统。通 过系统分析可以总结出机电一体化系统的五大要素及其功能如下表: 表2 . 1机电一体化系统构成要素及其功能 t a b l e 2 . 1 t h e e l e m e n t s a n d f u n c t i o n o f m e c h a t r o n i c s y s t e m 机电一体化系统要素 功能 控制器 ( 计算机) 控制信息存储、处理、传送 检测传感器 计测 ( 信息收集与变换) 执行元件驱动 ( 操作) 动力源提供动力 ( 能量) 机构 构造 2 . 1 . 2机电一体化相关技术 机电一体化技术包括硬件技术和软件技术两大方面。硬件通常包括机械本 体、传感器、接口单元、信息处理单元、驱动单元等部分。而软件则由各种不 同功能的模块或标准化模块组成! ” ! 。 ( 1 ) 机械技术 除了传统的机械技术外，还有精密加工技术、结构优化设计方法、动态设 计法、虚拟设计法等;研究开发新型复合材料，以使机械结构减轻重量，减小 一 7- 东 北大学硕士学位论文 第二章 机电一体化概念设计的方法研究 传irm 工作台 执行元件 电动机 q wg _ 1 - 信 息 处 1m统( 计 算 初 ) 丁 一 刊 动 力 源 图 2 . 1机电一体化系统基本构成 f i g . 2 . 1 t h e s t r u c t u r e o f m e c h t r o n i c s y s t e m 图 2 . 1 为通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的全闭环系统。通 过系统分析可以总结出机电一体化系统的五大要素及其功能如下表: 表2 . 1机电一体化系统构成要素及其功能 t a b l e 2 . 1 t h e e l e m e n t s a n d f u n c t i o n o f m e c h a t r o n i c s y s t e m 机电一体化系统要素 功能 控制器 ( 计算机) 控制信息存储、处理、传送 检测传感器 计测 ( 信息收集与变换) 执行元件驱动 ( 操作) 动力源提供动力 ( 能量) 机构 构造 2 . 1 . 2机电一体化相关技术 机电一体化技术包括硬件技术和软件技术两大方面。硬件通常包括机械本 体、传感器、接口单元、信息处理单元、驱动单元等部分。而软件则由各种不 同功能的模块或标准化模块组成! ” ! 。 ( 1 ) 机械技术 除了传统的机械技术外，还有精密加工技术、结构优化设计方法、动态设 计法、虚拟设计法等;研究开发新型复合材料，以使机械结构减轻重量，减小 一 7- 东 北大学 硕士学 位论文第二章 机电一体化概念设计的方法研究 体积，改善在控制方面的快速响应特性;研究高精度导轨、高精度滚轴丝杠、 具有高精度的齿轮和轴承，以提高关键零部件的精度和可靠性:通过使零部件 标准化、系列化、模块化来提高其设计、制造和维修水平。 ( 2 ) 传感器技术 在机电一体化技术中，传感器的作用是把被测量转变成电信号。其主要包 括三个功能部件:敏感元件、传感元件和测量元件。下图为传感器的结构原理 图: 00 犷 w w n i, - = ,l 1f mq t 1+ im. = ! 输出 信号 图2 . 2传感器的结构原理图 f i g . 2 之t h e s t r u c t u r e o f s e n s o r 现代工程技术要求传感器能快速、精确地获得信息，并能经受住各种严酷 环境的考验。 与以计算机为中心的控制技术相比， 传感器技术的发展显得缓慢， 远跟不上要求。不少机电一体化装置不能达到满意的效果或根本无法设计的关 键原因在于没有合适的传感器。科技领域的发展史反复证明，伴随着一种新型 传感器的出现，与此相关的技术领域就会产生新的突破。 传感器的种类很多，按照原理分有电阻式、电感式、磁电式、压电式、光 电式、热电式、气电式等传感器，按照用途分有位置、压力、流量、温度、湿 度、气味、声音、亮度等传感器。 ( 3 )信息处理技术 信息处理技术是指利用电子计算机及其外部设备对信息进行输入、转换、 运算、存储和输出等技术，这里所说的计算机包括工控机、单片机和可编程控 制器等。 ( 4 )自 动控制技术 自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运 行。 机电一体化系统中自 动控制技术主要包括位置控制、 速度控制、 最优控制、 模糊控制、自 适应控制等 2 。 ( 5 )接口技术 在机电一体化系统中，最重要的是系统和各要素之间的接口。接口的功能 一8 东 北大学 硕士学 位论文第 二章 机电一 体化概念 设计的方法 研究 主要有三个方面: 变换功能: 在两个需要进行信息联络的环节中，由于信号的模式不同 ( 数字量与模拟量、串行码与并行码、 连续脉冲与序列脉冲等等) ， 无法直接实 现信息或能量的交流。可通过接口完成信息或能量的统一。 放大功能: 在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大后才能使 其达到能量的匹配。 传递功能:变换和放大后的信号在环节间能可靠、 快速、 准确地交换， 必须遵循一套规范。接口电路就具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按 规定模式进行传递。 接口大致可分为通用接口和专业接口。通用接口指一些规范化了的接口， 如a / d , d / a变换器，串行、并行通信口等，专业接口 特指一些比较复杂的种 类繁多的被控对象与控制器之间的接口。 ( 6 )伺服驱动技术 伺服驱动技术主要是指与执行机构相关的一些技术问题。伺服驱动的方式 主要有电动、气动和液压等各种类型。液压和气动主要包括泵、阀、油 ( 气) 缸、液压 ( 气动)马达及其附属液 ( 气)压元器件等;电动驱动主要包括交流 伺服电机、直流伺服电机和步进电机等。 ( 7 )系统总体技术 系统总体技术是一种从全局角度和系统目 标出发，用系统的观点和方法， 将系统分解成若干个相互有联系的功能单元， 找出能完成各个功能的技术方案， 并将其进行分析、评价和优化的综合应用技术。系统总体技术的内容涉及许多 方面，如接口技术、模块化设计技术、整体优化技术、软件开发技术、微机应 用技术和成套设备自动化技术。 2 . 1 . 3机电一体化设计步骤 机电一体化产品的设计步骤大致可分为以下三个阶段: 2 . 1 . 3 . 1市场调查 开发一种新型的机电一体化产品首先要对市场进行调查研究，运用科学的 方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的有关资料，通过定性的 经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预测，为企 业的产品设计提供依据。 东 北大学 硕士学 位论文第 二章 机电一 体化概念 设计的方法 研究 主要有三个方面: 变换功能: 在两个需要进行信息联络的环节中，由于信号的模式不同 ( 数字量与模拟量、串行码与并行码、 连续脉冲与序列脉冲等等) ， 无法直接实 现信息或能量的交流。可通过接口完成信息或能量的统一。 放大功能: 在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大后才能使 其达到能量的匹配。 传递功能:变换和放大后的信号在环节间能可靠、 快速、 准确地交换， 必须遵循一套规范。接口电路就具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按 规定模式进行传递。 接口大致可分为通用接口和专业接口。通用接口指一些规范化了的接口， 如a / d , d / a变换器，串行、并行通信口等，专业接口 特指一些比较复杂的种 类繁多的被控对象与控制器之间的接口。 ( 6 )伺服驱动技术 伺服驱动技术主要是指与执行机构相关的一些技术问题。伺服驱动的方式 主要有电动、气动和液压等各种类型。液压和气动主要包括泵、阀、油 ( 气) 缸、液压 ( 气动)马达及其附属液 ( 气)压元器件等;电动驱动主要包括交流 伺服电机、直流伺服电机和步进电机等。 ( 7 )系统总体技术 系统总体技术是一种从全局角度和系统目 标出发，用系统的观点和方法， 将系统分解成若干个相互有联系的功能单元， 找出能完成各个功能的技术方案， 并将其进行分析、评价和优化的综合应用技术。系统总体技术的内容涉及许多 方面，如接口技术、模块化设计技术、整体优化技术、软件开发技术、微机应 用技术和成套设备自动化技术。 2 . 1 . 3机电一体化设计步骤 机电一体化产品的设计步骤大致可分为以下三个阶段: 2 . 1 . 3 . 1市场调查 开发一种新型的机电一体化产品首先要对市场进行调查研究，运用科学的 方法，系统地、全面地收集有关市场需求和经销方面的有关资料，通过定性的 经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件做出预测，为企 业的产品设计提供依据。 东 北大学 硕士学 位论文第二章 机电一体化概念设计的方法 研究 2 . 1 . 3 . 2初步设计 ( 方案设计) 初步设计的主要任务是建立产品的功能模型，提出总体方案、投资预算， 拟订实施计划等。其主要工作内容包括: ( 1