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机电一体化工程技术与设计【摘要】机电一体化是机械与电子有机组合的一门新兴学科。更广义的可以说是以机电为主体的多种新技术的融合,是料学技术发展的必然趋势。本文从概念论述入手,阐述了机电一体化学科体系的构成与各层次的关来。在此基础上对机电一体化的设计方法作了初步探计。 【关键词】机电产品;一体化设计;计算机辅助技术 机电一体化技术是建立在机械技术、微电子技术、计算机信息技术、自动控制技术、传感技术、电子技术和伺服驱动技术等现代高新技术群体基础上的一种高新技术。它突出的特点是将机械产品中融入了过去所没有的新技术,将电子元件信息处理及自动控制功能整合到机械设备中,因此得到了一种在过去依靠单一技术无法实现的效果。 一、机电一体化工程 机电一体化设计要突出以下特点。在设计产品时,只依赖一种技术无法实现的情况下,要进行电子与机械技术有机的结合开展设计,在设计产品中实现了机电一体化时要对技术方案开展评估,在电子元件与机械设备匹配的情况下,选择最优的技术方案。 机电产品的性能必须通过机电配合才能实现这两种技术相互联系、相互补充。只依靠电子元件或者泪L械装置无法完成,要考虑机械装置和电子元件控制,即软、硬件相互结合,才能实现多种技术共存。另外,在设计产品的同时要考虑产品成本、可靠性、精度、市场需求情况等要求。 机电一体化的设计通常要经过开发设计阶段和适应性设计阶段等。开发设计是在没有任何参照的情况下开发设计产品,并满足性能要求,设计人员要有丰富的想象力和扎实的理论基础及市场经验。适应性设计阶段,对原有的产品设计,进行修改,完善功能和局部改进,使开发设计产品的性能、功能有所提高。另外,通过改变外型尺寸、速度、精度等参数来增加产品性能比,来满足用户的需要。在进行机电一体化设计时要充分利用计算机技术,如用Auto cad程序设计及借助计算,分析、模拟、优化等设计方案,来提高产品设计的效率及精度。在设计时要充分考虑产品的用途、性能、成本等因素,要设计出经济实用、可靠、技术新、消耗少的产品来满足市场需求。 二、机电一体化设计探讨 机电由于专业上的差异,因此在设计方法上有很大的不同。传统的机械设计往往是在前人的经验基础上,着重于形象思维。因而较多的工作是在图纸的设计上,并力求在图纸设计阶段不断论证完善。而电路设计建立在实验的基础上,组成线路的元器件比较规格化、标准化、并且在一个电路板上换几个元器件比较容易。决不象机械改变其中的零部件周期长、浪费大。因此机电设计有一定的灵活性,电设计更注重的是逻辑思维。 由于机电之间的差异,所以在现代科技迅猛发展的今天,特别是机电一体化产品的研制,传统的方法是很难适应的。因此讨论机电一体化设计方法有一定的现实意义。 1、相似物理模型 电子学、机械学都是建立在物理学的基础上,而纵观自然科学的发展过程两者之间有血缘关系。早期的力学研究推动了电路理论研究,电子学的许多概念都残留有机械学的痕迹。如MKB机械振动系统可以模拟成为LCR电路系统。此外旋转运动系统、热传导系统、液压系统等基本上也都能摸拟成LCR电路系统、其状态方程一致。所以对于机电一体化模型,我们可以据此相似原理把一个电系统或一个机系统均抽象成一个物理系统处理,这对实体系统的分析非常简便。再用状态变量法抽象出数学模型即状态变量方程。然后再借助于计算机分析、计算、处理或直接控制。 2、系统寻优原则 机电一体化的核心是如何融为一体因此机电一体化设计应从整体上研究,其总体指标、功能应力求以最简单的手法实现复杂的功能。亦即要从系统角度优化使机电有机结合到恰到好处。作为一门学科,二个单一技术有时也许是很平常的,但多种这样的技术的融合,往往会导致惊人的结果。如美国阿波罗登月计划,没有一项突破性技术,却是一项卓越的成功的系统工程。所以系统总体设计之初,总的功能指标的实现途径、保证方法的寻优是机电一体化设计的关键。机电一体化系统设计应把 3、相似简图分析法 无论是电路设计还是机械设计其主要表达形式都是工程图纸。分析两者之间的异同,显然电路注重功能分析,机械更注重结构分析。电路主要原理上亦即逻辑上能走通.参数的修改调整方便灵活。尤其是集成电路的发展更加明显。而机械是在形象思维的基础上大量结构的组合,修改比较麻烦。显然电路的这种两单符号的表达与功能分析法是比较有利的。其原因是其标准化工作好。如元器件都有一定的规范。尤其集成电路的发展使电路浓缩,使电路模块化,更利于设计与分析。而机械除了紧固件及其中某些液压与气动元件外,大都只是设计上的标准化。即便是其中的液压与气动元件也没形成系列化。因此笔者认为研究机电一体化设计方法有必要在逐渐促使机械部件标堆化的基础上创立一种类似电路元器件或液气元件的相似简图。这样便能简洁明了的表达机电一体化系统方案,易分析,修改,便于优化设计。 三、结束语 机电一体化技术和产品将是今后技术装备中十分重要的部分,微电子技术的突飞猛进带来了不少奇迹,但是这一新技术潜在的最大成就,将是机械技术与微电子技术的融合。从总体水平上看,我国机电产品设计、制造、测试水平与先进工业国家相比还有相当大的差距。尤其是产品的设计工作已成为整个生产体系中的薄弱环节,远远不能适应产品结构的改变、产品更新换代的周期缩短以及产品竞争加剧的趋势,许多技术密集型的机电产品难参与国际竞争。国外专家们曾预言,到了八十年代中期以后,若企业仍不在计算机辅助技术系统领域投资,则到了九十年代以后其产品将会完全丧失竞争能力。所以,我们必须充分利用对外开放的有利条件