机电一体化系统功能原理.doc

机电一体化系统功能原理 摘要：建立了机电一体化系统功能原理解的接口特征模型提出了基于接口特征匹配的机电一体化系统功能原理求解典型进程、机电单元功能原理求解与接口匹配并行策略开发了一个支持电脑刺绣机、多功能缝纫机等机电产品功能原理求解的计算机辅助系统进行了实例验证 关键词：接口匹配；机电一体化系统；功能原理求解 机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统其构成要素或子系统之间的接口极为重要从某种意义上说机电一体化系统设计归根结底就是接口设计1概念设计是产品设计进程中最富创新性的阶段之一原理方案设计则是概念设计的核心对提高产品性能、降低产品成本有决定性的影响2近年来国内外研制了一些能够实现特定功能的功能原理解的设计知识目录或知识库探索了单一功能原理解的计算机表达及智能搜索策略研制了能对单一功能求解的试验系统口5但对多学科领域集成的机电一体化系统概念设计阶段的功能原理求解尤其是基于接口特征匹配的机电一体化系统功能原理求解的研究却很少见到报道本文着重探讨了基于接口特征匹配的机电一体化系统功能原理求解策略和实现方法 1功能原理解的接口特征模型 机电一体化系统由许多子系统或元件构成把能够实现单一功能(功能单元)的子系统或元件称为机电系统中的机电单元各机电单元之间必须能够顺利进行物质、能量和信息的传递与交换为此各单元相接处必须具备一定的联系条件即接口大部分机电一体化产品的总功能是通过多个相异和(或)相同分功能或子功能的协同作用来实现的称之为系统功能与各机电单元功能原理求解相比机电系统功能原理求解除了需要研究每个机电接口特征单元原理解的独立的功能可行性之外还需要研究各个单元原理解作为整体的有机组成部分相联接时接口的适配性为解决该问题本文提出了机电一体化系统功能原理解的接口特征模型(见图1)作用原理接口特征功能动词、功能类别、厂作用对象、关联对象特征特征特征特征输入对象特征输出对象特征作用环境特征输入物料、输入能力、输入信息、输出物料、输出能量、输出信息接口特征接口特征接口特征接口特征接口特征接口特征箍纂)人(茬萎)人(差蓥)人(差茬)人(茬鍪)人(茬霾鍪Y华Y待特J特I特征八征八征其、动、运他I力I动特J特l特征八征八征图1机电一体化系统功能原理解的接口特征模型接口特征模型定义了机电一体化系统功能原理解在功能、效应、作用原理等不同层面上的接口约束主要用于从原理解知识库中搜索可行解是进行系统级功能原理求解的核心知识 2功能原理的求解策略 21功能原理求解典型进程机电一体化系统功能原理求解的核心问题是检验系统中各单元功能解与其相关联的其他单元功能解的接口的适配性机电系统功能求解过程可以分为2个分过程： 具体化、结构化分过程解决机电单元功能解的可行性问题即通过功能一效应一作用原理映射过程生成作用原理解(即实现给定功能的物理结构)；综合化、集成化和系统化分过程解决机电单元功能解集成时的接口适配性问题 22功能原理求解与接口匹配策略机电一体化系统功能原理求解的前提和基础是机电单元功能原理的独立求解按相关性次序分层次地进行相关部分单元功能解的接口适配性检验及时淘汰在前一层次已经不适配的系统解以减少下一层次的接口适配性检验工作设计学分析表明机电一体化系统的总功能一般都由目的功能(通常为运动执行功能)、驱动功能、传动功能、传感检测功能、控制功能和辅助功能单元组成嘲如图2所示其中目的功能的解是机电一体化系统功能原理解的核心因此由初选的一个目的功能解出发先配之以可行的驱动功能解接着考察在运动执行功能解与驱动功能解之间选配传动功能解的必要性并在通常必要的情况下寻找其输入接口与驱动功能解适配、输出接口与运动执行功能解适配的传动功能解在此基础上再依次选配合适的传感检测功能解、控制功能解和辅助功能解这是一种效率较高也比较可行的匹配策略 23功能原理解接口特征匹配的实现方法机电单元功能求解过程是从功能至效应最终至原理解的具体化和结构化过程在系统级功能原理求解过程中所谓单元功能解的接口特征实际上包含有功能接口特征、效应接口特征和原理接口特征(见图1)这三者之间不是并列的关系后者是前者的具体化和结构化是前者的物化和实现因而在内涵上存在着嵌套的关系原理解接口特征在内涵上的分层嵌套性质体现了接口信息从粗略到详细的层层相扣的特点提供了按功能接口、效应接口和原理解接口分层先后进行适配性检验的可能功能接口特征和效应接口特征所包含的信息量相对较少不必再对其划分层次但作用原理接口特征包含的信息量很大有必要再对其细分层次从图1可以看出作用原理接口特征包括输入输出物料接口、输入输出能量接口、输入输出信息接口、作用环境接口7个分特征它们大致可以被划分为作用对象层次和关联对象层次作用对象是指直接参与功能实现构成功能的输入和输出的对象作用对象还可以细分为主要作用对象和非主要作用对象2个层次主要作用对象就是通过运动执行功能实现转换的对象关联对象是指不直接参与功能实现而是通过作用对象间接与原理解产生关系的对象这里主要指作用环境基于以上对作用原理接口特征的层次划分作用原理接口特征层面上的逐层次匹配策略为：先进行主要作用对象接口特征匹配再进行非主要作用对象接口特征匹配最后进行关联对象接口特征匹配由于关联对象接口特征所包含的接口信息比较简单故只讨论作用对象接口特征匹配的有关问题作用对象接口特征包括能量接口特征、物料接口特征、信息接口特征3类能量接口特征可以被划分为3个层次：效应层描述与效应直接相关的接口特征；作用原理层对效应层物理量或者对象加以更加详细描述的其他接口特征；物理实现层描述该原理解的结构、形状、尺寸等物理层面的具体接口特征同样物料接口特征、信息接口特征也可以划分为效应层、作用原理层、物理实现层3个层次基于以上对作用对象接口特征的层次划分作用对象