（机械设计及理论专业论文）复杂宝石加工专用装备方案设计技术及其应用研究.pdf

摘要 现代化生产与科技的飞速发展，对机电装备的功能需求日趋复杂，因此对于复 杂机电系统方案设计技术的研究与探索，成为学术界和工业界的研究重点。本文针 对复杂宝石加工专用装备的方案设计进行了深入的研究，提出了基于语义特征的复 杂宝石加工专用装备功能方案求解技术、基于可拓逻辑的复杂宝石加工专用装备结 构方案变型技术、基于机电分析的复杂宝石加工专用装备传动系统控制方案耦合技 术。并且，将其成功应用于装备的设计和开发过程之中。 第l 章，概述了机电一体化技术的发展，介绍了复杂机电系统的定义和特点，阐 述了本课题的研究背景及其意义，综述了复杂机电系统设计与开发的国内外研究现 状及今后的发展趋势，说明了复杂宝石加工专用装备方案设计技术的提出，并给出 了论文的主要研究内容及总体结构框架。 第2 章，提出了基于语义特征的复杂宝石加工专用装备功能方案求解技术。从 方案设计开始，就以功能语义作为设计者表达创新思维的工具，通过对设计语义及 其关联信息的形式化描述，构建复杂宝石j j n - v 专用装备的功能语义结构树，并对其 进行功能分析得到装备的功能元，抽象关联为语义特征，构建了复杂宝石加工专用 装备的功能模型，给出了产品的功能结构映射体系，最后详细阐述了复杂宝石加工 专用装备功能求解的详细流程j 第3 章，提出了基于可拓逻辑的复杂宝石加工专用装备结构方案变型技术。针 对传统产品信息模型存在的不足，将可拓理论引入到复杂宝石加工专用装备信息建 模中，构建了复杂宝石加工专用装备概念结构形式化表达的可拓复合元模型，定义 了支持产品创新设计的衍生、变异、扩缩、重组等5 类变型运算操作，详细介绍了 复杂宝石加工专用装备概念结构变型设计的算法和过程。 第4 章，提出了基于机电分析的复杂宝石加工专用装备传动系统控制方案耦合 技术。在分析复杂宝石加工专用装备机电耦合特点的基础上，设计了电流环、速度 环和位置环三闭环高精度控制方案，通过构建各个子系统的耦合控制数学模型，并 对其进行耦合关联，建立复杂精密传动系统的机电耦合数学模型，最后对复杂宝石 加工专用装备精密传动系统的性能进行了仿真分析，验证了上述理论的正确性和有 效性。 第5 章，将前面章节的技术应用于实际的复杂宝石加工专用装备的设计和开发 过程中。在功能方案求解阶段，应用功能语义对装备的功能进行分解得到装备的功 能语义结构树，通过语义特征的功构映射获得实现复杂宝石加工专用装备功能元的 机构，进行机构重组建立了装备的设计方案并择优选取。在结构方案变型设计阶段， 应用文中的5 类变型操作方法，对装备中的复杂零件进行变型设计，直到满足设计 的需求为止。最后，给出了复杂宝石加工专用装备精密传动控制系统的方案、原理、 功能和详细结构，同时也介绍了系统的软硬件设计。 i 第6 章，总结了本课题的研究成果，并展望了今后的研究方向。 关键词：复杂宝石加工专用装备，方案设计，语义特征，设计意图，可拓逻辑，变 型设计，精密传动系统，耦合设计，三闭环控制系统。 i i a b s t r a c t t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sf o rm e c h a t r o n i c a le q u i p m e n ta r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r ec o m p l e xw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mp r o d u c t i o na n dt e c h n o l o g y , i th a s b e c o m et h ef o c u so fr e s e a r c hf o rt 1 1 ea c a d e m i aa n di n d u s t r y a i m i n ga tt h es c h e m ed e s i g n t e c h n o l o g yo fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n t ，t h i sp a p e rc o n d u c t e d a ni n d e p t hs t u d y , i n c l u d i n gt h ef u n c t i o n a ls c h e m es o l v i n gt e c h n o l o g yo fc o m p l e x d i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tb a s e do nf u n c t i o n a ls e m a n t i cu n i t ，t h e s t r u c t u r a ls c h e m ev a r i a t i o nt e c h n o l o g ym e t h o do fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n g s p e c i a le q u i p m e n tb a s e do ne x t e n s i b l el o g i ct h e o r ya n dt h ec o n t r o ls c h e m ec o u p l i n g t e c h n o l o g yo fh i g h - p r e c i s i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n g s p e c i a le q u i p m e n tb a s e do nm e c h a t r o n i c a la n a l y s i s m o r e o v e r ，t h e s et e c h n o l o g i e sh a v e b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lp r o d u c td e s i g na n dd e v e l o pp r o c e s so fc o m p l e x d i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n t i nt h ef i r s tc h a p t e r t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fm e c h a t r o n i c a lt e c h n o l o g yw a s o u t l i n e d a n da l s ot h ed e f i n i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xm e c h a t r o n i c a ls y s t e mw a s i n t r o d u c e d t h e n ，t h ec u r r e n ts t u d ys t a t u sa th o m ea n da b r o a da n dt h er e s e a r c ht r e n do f c o m p l e xm e c h a t r o n i c a ls y s t e mw e r es u m m a r i z e d i na d d i t i o n ，t h ei n t r o d u c t i o no fs c h e m e d e s i g nt e c h n o l o g yo ft h ec o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tw a s e x p l a i n e d a n dt h ep r i m a r yr e s e a r c hc o n t e n t sa n d t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e rw e r eg i v e n i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ef u n c t i o n a ls c h e m es o l v i n gt e c h n o l o g yo fc o m p l e x d i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tb a s e do nf u n c t i o n a ls e m a n t i c u n i tw a s p r e s e n t e d f r o mt h eb e g i n n i n go fs c h e m ed e s i g n ，t h es e m a n t i cf e a t u r ew a su s e da st h e t o o lt oe x p r e s st h ed e s i g n e r si n n o v a t i v ei d e a a n dt h ef o r m a ld e s c r i p t i o no fd e s i g n s e m a n t i ca n di t sr e l a t i v e i n f o r m a t i o nw a si m p l e m e n t e d t h ef u n c t i o n a ls e m a n t i c s t r u c t u r a lt r e eo fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tw a se s t a b l i s h e d t h e n i tw a sd e c o m p o s e dt og e tt h ef u n c t i o n a lu n i t so ft h ee q u i p m e n ta n d t h ef u n c t i o n a l s e m a n t i cu n i tw a sc o n s t r u c t e d ，i na d d i t i o n ，t h ef u n c t i o n lm o d e lo ft h ec o m p l e xd i a m o n d m a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tw a sc o n s t r u c t e da n dt h ef u n c t i o n s t r u c t u r em a p p i n g s v s t e r nw a sg i v e n i nt h ee n d ，t h ed e t a i l e df f m c t i o ns o l v i n gp r o c e d u r e so fd i a m o n d m a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tw a s n a r r a t e d mm et h i r dc h a p t e r ，t h es t r u c t u r a ls c h e m ev a r i a t i o nt e c h n o l o g yo fc o m p l e xd i a m o n d m a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tb a s e do ne x t e n s i b l el o g i ct h e o r yw a sp r e s e n t e d a f t e r a n a l y z i n gt h ei n a d e q u a t i e so ft h et r a d i t i o n a lp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ，t h ee x t e n s i b l e t h e o r yw a si n t r o d u c e di n t ot h ei n f o r m a t i o nm o d e l i n go fc o m p l e x d i a m o n dm a n u f a c t u r i n g s p e c i a le q u i p m e n t t h ee x t e n s i b l ec o m p o s i t em o d e l w h i c h i su s e dt of o r m a l l ye x p r e s st h e i i i m e c h a n i c a lp a r t si se s t a b l i s h e d f i v ek i n d so fv a r i a n t o p e r a t i o n sw h i c hs u p p o r tt h e p r o d u c ti n n o v a t i v ed e s i g na r ep r e s e n t e d ，a n da l s ov a r i a n td e s i g na l g o r i t h ma n d p r o c e d u r e so fc o n c e p t u a ls t r u t u r e s v a r i a n td e s i g na r eg i v e n i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h ec o n t r o ls c h e m ec o u p l i n gt e c h n o l o g yo fh i g h p r e c i s i o n t r a n s m i s s i o ns y s t e mo fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tb a s e do n m e c h a t r o n i c a la n a l y s i sw a sp r e s e n t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i c a l c o u p l i n go fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n tw e r ea n a l y z e d ，a n dt h e t h r e ec l o s e d l o o ph i g h p r e c i s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e mw i t hc u r r e n tl o o p ，s p e e dl o o pa n d p o s i t o nl o o pw a sd e s i g n e d t h ec o u p l i n gc o n t r o lm a t h e m a t i o c a lm o d e l so fe a c h s u b s y s t e mw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e nt h e yw e r ec o m b i n e dt og e n e r a t et h ew h o l e c o u p l i n gc o n t r o lm a t h e m a t i o c a lm o d e lo ft h eh i g h p r e c i s i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo f c o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n t a tl a s t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e h i g h p r e c i s i o nt r a n s m i s s i q ns y s t e mo fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a l e q u i p m e n tw a ss i m u l a t e dt ov e i l f yt h er i g h t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h ea b o v em e t h o d i nt h ef i f t h c h a p t e r ，t h e a b o v et e c h n o l o g i e sw e r e a p p l i e dt o t h e p r a c t i c a l d e v e l o p m e n tp r o c e s so fc o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n t t h e f u n c t i o no ft h ee q u i p m e n tw a sd e c o m p o s e dw i t ht h ef u n c t i o n a ls e m a n t i c s ，a n dt h e f u n c t i o n a ls e m e n t i c a ls t r u c t u r a lt r e ew a sa c h i e v e d a n dt h em e c h a n i s m sw h i c hc a n s a t i s f y e a c hs u b f u n c t i o nw e r eg o tf r o mt h ef u n c t i o n s t r u c t u r em a p p i n g t h e n ，t h e s em e c h a n i s m s w e r er e o r g a n i z e dt og e tt h ep o s s i b l es c h e m e s ，a n dt h eo p t i m a lo n ea r es e l e c t e d i nt h e d e t a i l e dd e s i g ns t a g e ，w i t ht h ef i v ep a i ro fv a r i a n to p e r a t i o n sm e n t i o n e di nt h ep r e v i o u s c h a p t e r ，t h ec o m p l e xp a r ti nt h ee q u i p m e n ta r ev a r i a n t l yd e s i g n e d ，u n t i lt h es t r u c t u r eo f t h ep a r ts a t i s f i e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t a n di nt h ee n d ，t h es c h e m e ，f u n c t i o na n d d e t a i l e ds t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mo ft h eh i g h - p r e c i s i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fc o m p l e x d i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n ta r eg i v e n i nt h em e a n w h i l e ，t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee q u i p m e n tw e r ei n t r o d u c e d i nt h es i x t hc h a p t e r , t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i ss u b j e c tw e r es u m m a r i z e d ，a n dt h e f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o na r ee x p e c t e d k e yw o r d s ：c o m p l e xd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gs p e c i a le q u i p m e n t ，s c h e m ed e s i g n ， s e m a n t i c f e a t u r e ，d e s i g ni n t e n t s ，e x t e n s i b l el o g i c ，v a r i a n td e s i g n ，p r e c i s i o n t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c o u p l i n gd e s i g n ，t h r e ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m i v 学号2 q 鱼衄垒2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鋈盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 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：蠲撼 签字日期： 汐p8 年月f 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘芏有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授 权堑兰三盘堂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，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 鄙赫、 签字日期：0 汐驴g 年占月，3 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 冯私翻t 签字日期：夕彩多年彩月岁日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 第1 章绪论 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程 领域的技术革命与改造。在机械工程领域，微电子技术、传感技术、计算机技术和 智能控制技术的迅速发展，及其与机械工业的紧密结合，使机械工业的技术结构、 产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了发生了革命性的变化，传统机 械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等复杂机电系统 新阶段迈进。 自1 9 7 1 年日本学者首次提出机电一体化( m e c h a t r o n i c s ) 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2 1 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a i 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。 机电一体化技术己成为一门新兴的交叉学科技术，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。 这些技术的更新，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。机电一体化技术在2 1 世纪机械产品的设计 和开发中将发挥重要的作用。机电一体化装备是机电体化技术的载体和体现者， 通过机电一体化装备来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平。尤其是二十 一世纪以来，随着我国经济和科技水平的飞跃发展，对机电装备的功能需求日趋复 杂，为了满足国民生产、国防建设、经济发展等领域的需求，现代复杂机电系统的 创新设计、自主研发、精密生产制造、智能控制和系统集成等关键技术的研究成为 学术界和工业界的研究重点。 所谓现代复杂机电系统，就是由机械、电子、液压、气动、光电等多物理过程、 多单元技术集成于机械载体而形成整体功能的复杂装备。比如高速列车、精密加工 中心、微机电系统和智能机器人等都属于典型的现代复杂机电系统。他们具有如下 的一些共性特征l ij ： 1 ) 复杂机电系统是由来自多个不同学科的多种技术集成的多功能机电装备。 2 ) 系统功能极其复杂，可以分解为多个子功能，各子功能分别由相应的子系 统实现，而且各子系统之间通过耦合构成结构复杂的有机整体。 3 ) 系统具有动态性和开放性。在系统内部以及系统与外部环境之间，通过动 态耦合和控制协同进行能量、物质与信息流的传递、交互及转换，实现多 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 个复杂的物理过程并形成系统的基本功能。 4 ) 控制系统要求复杂，能够保证协调统一地控制各个子系统，而且要综合考 虑各个子系统间的耦合关系，达到控制精度、速度、稳定性的最优化。 而且，随着全球经济和各领域科学技术的进一步发展，人们对于现代复杂机电 系统的需求也不断挑战各种极限。比如，它的功能需求不断挑战技术极限，它的工 作条件不断挑战物理极限，它的系统控制不断挑战精密化和智能化极限。这些强大 而复杂的多功能需求和多目标任务必然导致系统总体结构的复杂物理构建和子结 构的多层次化，各子结构间、多物理场和多工作流程间的强耦合作用以及同时处理 物质流、能量流和信息流的困难。在系统内部以及系统与外部环境之间，能量、信 息和物质流的传递、交互、转换、系统监测与控制等环节的同步与协同，以及在生 命系统与人造系统共存的情况下人的因素的介入，其复杂程度是可想而知的。正是 由于现代复杂机电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，系统设计问题较传统的机械设计问题更为复杂， 以往的产品设计方法已经不能满足越来越复杂的设计需求。现代复杂机电系统的先 进性和设计问题的复杂性深刻地启示着我们，必须发展新的高精度、高功效的、与 当代复杂机电系统发展相适应的设计技术，来促进现代高性能复杂机电系统的创新 设计。 复杂机电系统的创新设计这一基础性的研究，将对国家的发展和科学的发展具 有非常重要的指导意义。我国当前制造业的现代化和国防工业的自主发展，都需要 大量高技术水平、高功能需求的装备。而且，对于复杂机电系统的研究，有助于克 服以往传统学科划分的局限性，为机械学科在交叉融合中寻求自身发展提供了良好 的契机，也为从事机械科学研究的专家学者提供了一种研究方法，即在深化理解和 认识复杂机电系统创新过程中去发现科学与社会的发展对机械科学各个方向提出 的需要。具体说来，它具有如下的重大意义【2 1 ： 1 ) 贯通基础研究和国家重大发展目标，使机械科学基础研究在学科发展的前 沿引导重大技术的发展。 2 ) 探索以机械为主要载体的多物理过程的相容性规律，为复杂机电系统的发 展提供概念设计的科学依据。 3 ) 以复杂机电系统功能形成为核心，研究与发展机械科学技术与其他科学技 术的关联和转换规律，为复杂机电系统的发展提供有关系统集成效应的科 学规律。 4 ) 从系统的、全局的和集成的视角研究国内外先进技术与装备的创新规律， 拓宽、扩展集成创新的知识结构与逻辑。 5 ) 为新一代重大装备的创新发展提供前瞻性、全局性的科学理论与方法。 2 - 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 复杂机电系统的研究现状与发展趋势 1 2 1 复杂机电系统的国外研究现状 第二次世界大战以后，对于复杂机电系统的研究受到了越来越多的关注与重 视。对于复杂机电系统的科学探索，国外首先掀起了研究的热潮，针对复杂机电系 统的出版了大量专著，包括对机电系统理论基础、模块化单元技术及机电系统设计 方法等内容的介绍。 英国政府自2 0 世界末开始，就以各种政策鼓励和支持发展并推广设计新技术， 剑桥大学早在1 9 9 0 年起就定期组织和召开以“机械电子学一一智能机器设计”为 主题的学术会议： 美国的d a r p a 战略研究计划和i h p t e t 计划所涉研究内容实际上也都是围绕 新一代复杂机电系统而展开的，包括对于处理器、传感器、信息技术和人机系统的 研究等； 美国橡树岭国家实验室就复杂机电系统的研究与开发做了大量的研究，运用信 息和计算机技术和微电子技术，进行了新型机械电子产品的研究与开发； m i t 的d a r b e l o f f 实验室的主要任务也是从事跨学科领域的研究，其目的就是 促进信息科学与技术和传统机械学科的交叉与融合，从而创造、产生出新的技术和 各种不同的智能机器系统； 德国杜伊斯堡大学也成立了相应的研究机构，主要从事诸如现代大型数控机床 和智能机器人等复杂机电系统的研究； 同时，欧洲的一些国家，例如瑞士、荷兰、芬兰等国，对于复杂机电系统的基 础与应用研究，也投入了相当的精力，通过设立各种资助项目和基金来支持其研究； 日本对复杂机电系统的系统设计研究起步相对晚一些，但是他们的发展紧随其 后，而且密切结合应用，因此花费代价似乎不高，收效却比较显著，在个别方向也 有国际影响较大的成果。 1 2 2 复杂机电系统的国内研究现状 对于复杂机电系统的研究也受到了国内学者越来越多的关注与重视。1 9 9 9 年， 在北京香山以“复杂性科学”为题召开了第1 1 2 次科学会议，以促进复杂系统研究 工作的开展【3 】。从2 0 世纪9 0 年代开始，我国在复杂机电系统方面针对大型轧制装 备、大型旋转机械、大型工程机械、混合动力系统、数控机床、m e m s 系统和机器 人等多方面的展开了广泛的研究。 钟掘院士f 4 5 】在针对复杂机电系统的多物理过程、多系统之间的耦合问题，提 出了针对复杂机电系统的建模、解耦、机械与控制系统设计、信息流获取与处理、 耦合并行设计理论和并行优化的一整套理论与方法； 谭建荣院士【6 】，提出的数值与几何相结合的复杂装备多部件关联、多层次配置 与多参数分析计算设计技术，从设计上提高了复杂装备产品的整体性能，在国产重 3 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 要装备设计中成功应用； 冯培恩教授 7 ，8 】在国家自然科学基金重点项目中，对机电产品创新设计的理论、 方法、技术极其应用进行了深入的研究，提出了机电产品的概念设计、创新设计、 广义优化等诸多理论与方法； 何正嘉教授【9 j ，在对大型复杂机电系统早期故障智能预示的理论与技术方面投 入了大量的精力，提出了复杂机电系统故障诊断、机械系统信号处理、状态监测与 故障诊断、机械动态分析与动态设计的一系列方法与技术； 汪劲松教授【1 0 】，从4 r ( r e d u c e 减量化、r e m a n u f a c t u r e 再制造、r e u s e 再使用、 r e c y c l e 再利用) 的角度，研究相关绿色设计技术，对机电产品绿色设计理论及方法与 生命周期分析进行了探索与研究； 邹慧君教授【l l 1 2 , 13 1 ，研究了机电一体化系统的概念设计。通过对机电一体化系 统的组成的新认识和它的概念设计特点的分析，提出了基于功能一行为一结构模型 的机电一体化系统概念设计过程模型。它将有助于推动由思维模型向计算模型的转 换，实现计算机辅助概念设计的目标： 檀润华等【1 4 】提出了机电一体化产品控制系统概念设计的一种方法。首先建立机 电一体化产品用户需求模型，然后通过分析产品的功能结构图中的信号流，提出控 制系统多种控制方案，最后利用目标评价树的方法来选取最佳的控制方案，并且将 该理论成功的应用于实际产品的控制系统的开发之中。 1 2 3 复杂机电系统的发展趋势 人类社会进入2 1 世纪，随着科学技术的进一步发展，人类对于各个领域的研 究也不断深入，各个学科之间的知识和技术耦合也不断增加，同时，人们对于复杂 机电系统的需求也越来越高，这样就进一步推动了复杂机电系统的发展，将其推向 极端化、智能化、精密化的高端方向发展。总体说来，复杂机电系统的发展趋势可 以概括为【lj ： 1 ) 系统功能需求进一步极端化，对于单元技术，集成设计制造方法与技术的 要求也越更严格和准确。 2 ) 系统的结构需求复杂化，针对这种趋势，系统结构将沿着模块化和简约化 两个方向发展。 3 ) 高科技的纳米传感器、智能作动器的应用将使复杂机电系统的信息感知能 力得到极大的改善，系统的智能化程度将产生巨大的飞跃。 4 ) 微处理器技术、计算机技术和信息通信技术的发展将继续促进系统信息处 理能力、计算能力和数字化水平的进步提高。 5 ) 随着非线性动力分析方法和手段的不断完善，人们对于复杂机电系统客观 规律的认识和复杂性奇异行为的理解将进一步加深，并为新系统的构建提 供方法论的指导。 6 ) 系统复杂性与系统的可靠性、精确性和稳定性之间的矛盾将逐步地得到克 4 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 服。 7 ) 其他领域所取得的进步将不断地向复杂机电系统提供新的集成技术、使能 工具和发展空间，从而不断创造出功能更为强大、结构更加复杂、性能更 加优越的复杂机电系统。 1 3 复杂宝石加工专用装备方案设计技术的提出 1 3 1 现有一般产品的方案设计技术不足 现有的一般产品的方案设计技术不足如下： 1 ) 设计意图的高层次表达问题 如何将高层次的语义知识融入到产品方案设计过程，力图以更适合设计者表达 习惯的语义形式来简洁地表示设计师的设计意图，研究一种能表达从抽象到精确、 由定向到发散的人机协同信息演化过程的方法，使设计者可以更直观自然地在高层 次的语义层表达设计意图；是支持产品方案设计的、新一代复杂机电系统信息建模 技术的主流方向。由于当今产品信息模型的局限性，目前复杂机电系统计算机辅助 设计尚无法用高层次的工程术语表达设计者的设计意图。 从线框模型、实体模型到特征模型的进步，体现了c a d 技术对设计过程越来 越多的支持，在某种程度上改善了设计人员在概念设计阶段进行抽象性、概括性思 维的表达方式，但这种支持到目前为止，仍然十分有限，缺乏完整性和灵活性。虽 然人们通过特征造型、参数化设计等方法，试图在设计初期阶段，用“概念”而不 是直接用“点”、“线”、“面 、“体”来进行设计，然而，由于问题的复杂性，现有 的辅助设计方法和辅助设计系统在支持产品方案设计方面，与实际设计过程尚有不 少差距。 现有的产品模型都集中在产品的几何、拓扑、特征信息的表达上，侧重于零件 的细节设计，对产品的详细设计阶段提供完善的支持，而对于产品设计信息、设计 决策过程、功能、设计意图的捕获与表达则显得力不从心。在产品建模过程中，只 注重零件信息的详细描述而忽略了上游的其它设计过程，实际上无法实现产品信息 的完整描述。而且，现有的产品模型无法用高层次的工程术语表达设计者的设计意 图，设计人员只能凭经验，采用低层次的图元，如线条和体素作为操作对象，设计 一开始就必须从机构细节做起，无暇专注于更高层次的富有创造性的设计活动，不 仅不符合设计者思维特性，而且显得力不从心，忽略了设计者设计意图的表达。同 时，由于传统交互设计方式是一种比较确定的信息输入手段，设计者创新思维中的 设计概念只能以确定化的形式传递给计算机，既增加了不必要的设计交互，又丢失 了大量以模糊形式存在的设计意图。从设计问题提出到概念模型的建立是设计者的 创新思维由发散趋向于收敛的过程，对这一不完全确定设计问题或相当模糊设计要 求的过程，需要用一种更抽象、更上层的概念才能简洁、有效地表示概念模型及其 相互关系。 气 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 2 ) 产品的结构变型设计与设计知识重用问题 在产品的方案设计过程中，现行c a d 方法都只局限在零部件的变大小、不变 结构的参数设计层次上，而对于产品结构变型设计的支持则显得力不从心。因此， 限制了设计者的创造性思维，不能有效支持产品设计活动的创新性和设计方案的多 样性，无法满足客户多样化的个性需求。而且，现有的辅助设计方法和辅助设计系 统对零件变结构设计和设计知识重用的支持仍很局限。传统的计算机辅助设计系统 是以几何特征作为过程主导，难以表达高层次的设计知识和设计过程，与设计实际 的过程不一致。 虽然c a d 技术的进步，体现了计算机辅助设计技术对设计过程越来越多的支 持，但这种支持仍然非常有限。在产品设计过程中，传统的计算机辅助设计方法， 以零件的几何特征作为操作对象，设计的重点只局限于特定结构零件特征的几何参 数上，而不适用于产品拓扑结构发生变异的设计。同时，现有的计算机辅助设计系 统是以设计结果为主导的，对于设计知识的重用只局限在零件和装配部件等宏观层 次上，而无法实现微观的零件结构级的设计重用，致使在产品的设计开发过程中， 丢失了大量的蕴涵着丰富设计知识的过程信息，因而对于面向过程设计的设计知识 重用的支持方面也显得非常狭隘。所以，研究与探索一种能够支持复杂机电系统零 部件设计过程中支持零件变型设计和面向设计过程知识重用的设计方法，就显得格 外重要。 3 ) 精密传动系统的控制耦合设计问题 在传统的机电系统控制方案设计中，所采用的是分支组装式的单学科串行设计 模式，设计者只单纯地将整个产品分为机械和电气两个不相干的部分来对待，首先 根据系统的设计功能需求设计整个机电系统的机械系统，然后再去完成电气控制系 统的设计。在传统分离串行设计模式下，各个设计任务之间相互独立，没有关联， 这种设计方法使得复杂机电系统的设计顾此失彼，反复修改迭代，设计周期长，而 且设计出的装备随着工作条件的强化或对产品性能的要求提高，表现出许多性能方 面的缺陷。而且使得装备中潜伏着许多不良工况，造成这些装备无法满足设计和生 产的需求。 现代机电系统是一个复杂的系统，其动力学方程中一般都存在着机电参数的相 互作用和刚弹参数的相互作用，有的还存在着流固参数的相互作用以及热弹参数的 相互作用，即存在着机电耦合、刚弹耦合、流固耦合、热弹耦合。其典型特征是非 线性、不确定性、时变性和强耦合。其一个显著的特点是不能由外部描述完全确定 系统内部的运动和结构性质，另一个特点是其内部的关联性。系统内部各变量之间， 各输入量与输出量之间相互影响，改变某个输入量会引起部分或全部输出量发生变 化。正是由于这种形式复杂多样的耦合现象的出现，因此，如何去了解、发现和探 索这些耦合作用的现象和规律就成为设计和开发复杂机电系统过程中研究的重点 内容。 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 复杂宝石加工专用装备方案设计的主要思想 复杂宝石加工专用装备是一个典型的复杂机电系统，整个系统有机械、电气、 气动、光电和通讯等来自多个不同领域的单元组成。这种高级的复杂宝石加工专用 装备要求分度准确、主轴稳定、磨面可靠、使用灵活，整机高度牢固耐用，加工过 程自动化程度高，产品质量高，环保性好。完全可以说，复杂宝石加工专用装备是 一个功能方案要求复杂、苛刻，结构方案要求可靠、灵活，控制方案要求精密、智 能的复杂机电装备。因此，复杂宝石加工专用装备的方案设计与一般系统的设计不 一样，应该从其通用性、耐用性、环境性、可靠性、经济性的观点进行综合分析， 使产品充分发挥机电系统的综合优势。 针对复杂宝石加工专用装备功能方案、结构方案和控制方案三方面的复杂性特 点，在分析了一般产品方案设计的不足的基础上，提出了复杂宝石加工专用装备的 方案设计技术。 首先，针对计算机辅助概念设计中设计意图的高层次表达问题，将产品语义学 引入到产品的功能方案建模当中，以高层次的功能语义信息来表达装备方案设计过 程中富含着产品设计师创造性思维的设计意图。同时，也将设计者从低层次的几何 交互中解脱出来，设计师操作和思考的对象不再是几何约束关系，而是具有语义意 义的特征和特征之间的工程约束，有利于保证设计者创新思维的连续性和拓展设计 者创新思维的深度和广度。 其次，针对方案设计中的结构变型和面向设计过程的设计知识重用问题，将可 拓理论引入到复杂宝石加工专用装备信息建模过程中，建立了概念结构形式化表达 的可拓复合元模型。定义了支持产品创新设计的概念结构变型运算方法，可以有效 地解决了现有c a d 系统的存在的上述缺点，能够在高级的知识层次上表达产品的 结构方案信息和设计历史信息，为产品结构的创新设计提供了有效的辅助手段，为 计算机辅助创新设计提供了一条新途径。 再者，针对精密传动系统的控制方案耦合问题，提出了基于机电分析的复杂宝 石加工专用装备精密传动系统控制方案耦合设计技术。为实现复杂宝石加工专用装 备的控制方案性能最优，在设计其精密传动系统时，充分考虑机电参数的相互作用 和耦合关系。不仅在设计机械系统时选择与控制系统的电器参数相匹配的机械系统 参数，使得机电功能的融合可以简约结构、简化系统，减少系统的非确定性发生的 影响因素，提高系统的功效。而且在设计控制系统时，根据机械系统的固有结构参 数选择和