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机电一体化论文摘要范文机电一体化论文摘要写 机电液一体化系统是一个多学科交叉、技术密度高的复杂系统,主要包括机械、液压、控制等子系统,其子系统间存在着相互作用、相互影响的耦合关系.机电液一体化系统涵盖多个学科内容,不仅包括传统的结构力学、流体力学、控制理论、人工智能等,也包括现代的人机工程学等.对于机电液一体化系统,如采用传统设计方法,运用各子系统或学科顺序设计方法进行设计,忽略了各子系统或学科之间的相互影响和耦合作用,使设计结果常常不是最优解,而且设计效率低、周期长,设计成本高.机电液一体化系统的设计具有明显的“多学科”特点,属于典型的多学科设计问题.随着现代结构力学、流体力学和控制学等理论的不断完善和计算机科学技术的迅速发展,人们能够采用更高精度的模型进行子系统或学科分析与设计,各子系统或学科设计均取得了长足的进步.因此,如何综合协调各个子系统进行多学科设计已成为机电液一体化系统设计的关键问题. 多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)是在复杂系统的设计过程中集成了不同学科的知识、分析与建模理论以及计算方法,采用有效的优化策略,充分体现了学科间的相互作用而产生的协同效应,获得整个系统的最优解.多学科设计优化是一种充分利用和考虑系统所涉及的多学科间的相互影响和耦合作用、使整个系统的综合性能达到最优的设计优化方法.多学科设计优化技术是利用合适的优化策略去组织和管理优化设计过程的基本思想,通过分解、协调等方法将整个系统分解为若干与当前工程设计组织形式相一致的子系统,以达到可以充分利用现有的各学科分析设计工具手段,在分布式计算机网络上利用各学科或子系统现有的知识与经验,对系统进行整体设计的目的,从而缩短系统设计周期,降低产品开发成本,有效提高产品竞争力. 由于多学科设计优化问题常常具有设计变量和约束条件的类型复杂,数量巨大,各部分、各子系统之间存在着互相耦合等特点,导致很难建立优化模型并且难以找到有效的优化算法.多学科设计优化存在两类耦合因素：一是多个领域都需要对其进行优化设计的变量,即系统变量或交叉变量；二是某个领域计算的结果作为另一个领域的输入,即相关变量或耦合变量.机电液一体化系统的设计涉及到机械、液压和控制等学科,包括了整体方案与结构参数的优化、系统性能的综合优化,难以解决设计全局和全过程的问题.机电液一体化系统的优化能否得到圆满解决,主要取决于能否建立合理的优化模型和选择适合于优化模型的有效优化算法. 因此,本文引入在航空领域迅速发展起来的解决复杂系统设计与优化的多学科设计优化方法,对机电液一体系统的优化设计方法进行了较全面的研究,探讨多学科优化方法在机电液一体化系统设计中应用的可行性和适用性.论文以机电液一体化系统设计优化模型与优化算法为核心,包括机电液一体化系统设计优化方法的分析、优化模型的建立与简化、寻优策略、联合仿真技术应用研究、集成优化平台的搭建、并联机器人系统优化等.论文的主要工作包括以下几个方面： 1、机电液一体化系统设计优化模型构建与简化 针对机电液一体化系统总体设计的特点,将机电液一体化系统划分为机械、液压和控制等3个相对独立的子系统.在子系统分析的基础上,建立了各子系统的数学分析模型,提取了设计参数,明确了各子系统的输入和输出参数以及它们之间的相互耦合关系,构建了机电液一体化系统的优化模型.对近似模型技术进行了研究,将二次响应面和kriging近似模型应用于机电液一体化系统的优化设计中.研究表明,在机电液一体化系统优化设计中,采用近似模型替代原有复杂的、高精度分析模型进行优化迭代计算,大大减少了优化计算量,有效提高了计算效率,解决了机电液一体化系统优化中的计算瓶颈问题,具有较强的工程实用性. 2、机电液一体化系统设计优化模型寻优策略与算法研究 对现有的优化方法和优化算法进行了分析研究,并应用不同优化方法、单优化算法以及不同优化算法组合对建立的机电液一体化系统优化模型进行优化分析.研究表明,传统优化算法优化时间短,对于单峰问题优化效果较好；对于多峰问题,智能优化算法优化效果较好,但优化时间较长.因此,选择全局探索+局部寻优的混合优化策略对机电液一体化系统优化模型进行优化,首先采用全局智能优化算法搜索确定最优值范围,再用局部传统优化算法获得最优解.通过实例验证,采用混合优化算法,快速高效,精度高,而且获得的是全局最优解. 3、基于联合仿真的机电液一体化系统集成优化平台的构建 提出了机电液一体化系统仿真优化一体化思想与实现方法,研究了CATIA、 ADAMS、ANSYS、MATLAB软件之间的接口,基于优化软件ISIGHT软件平台,集成了CATIA、ADAMS、ANSYS、MATLAB软件,搭建了机电液一体系统的仿真优化平台,有效地利用了CATIA软件的虚拟样机建模、AMESim软件的液压系统建模、ADAMS软件动力学仿真、ANSYS软件静力学分析和MATLAB软件控制仿真的功能以及ISIGHT软件的集成优化功能,实现了基于联合仿真的机电液一体化系统集成优化.通过实例验证,表明采用搭建的基于联合仿真的机电液一体化系统设计优化平台进行优化是可行的,结果是可靠的. 4、并联机器人系统的仿真优化 在搭建的仿真优化平台上对并联机器人进行联合仿真和集成优化研究.通过仿真优化验证了机电液一体化系统近似模型和优化算法的有效性,显著降低了整个系统设计优化模型优化的计算时间,大大提高了系统设计效率. 随着科学技术向生产力逐步转化,机电一体化产品的设计已经涉及到机械、电气和控制等众多领域.单领域、分散建模的设计方法已经很难满足产品综合设计的要求.通过对机电一体化技术与虚拟原型技术的深入研究并且将虚拟原型技术引入到机电一体化产品设计,得到基于虚拟原型的机电一体化设计技术,以满足机电产品多领域交互设计的需求. 本文基于SolidWorks和LabVIEW软件研究了虚拟原型机电一体化设计技术,以LabVIEW集成的相关模块为纽带将SolidWorks和LabVIEW紧密联系,构建基于SolidWorks-LabVIEW的机电一体化产品的综合设计环境. 其次,以直线一级倒立摆为例研究了机电一体化虚拟原型的数学建模、机械建模、电气建模、控制建模以及基于LabVIEW的控制算法的设计与仿真. 最后,研究了基于虚拟原型机电一体化的仿真设计方法,包括机械、电气和控制等领域的仿真设计以及在基础上的综合仿真设计.将原来以LabVIEW集成的NI SoftMotion for SolidWorks模块为桥梁的SolidWorks-LabVIEW联合设计方法进一步改进,使虚拟原型能够完成复杂系统的控制设计并且显著提高实时性和可视性. 实例仿真实验表明,基于虚拟原型机电一体化产品设计方法能够有效解决传统设计方法遇到复杂控制算法、实时性以及可视性等瓶颈问题,缩短研制周期,节约开发成本,为机电一体化产品设计提供了全新的技术. 探讨了机电一体化产品概念设计理论与方法对产品创新设计的重要性.分析了机电一体化产品概念设计理论的国内外研究现状与不足之处.国外学者以电子学及控制理论为研究出发点,建立了一些概念设计操作平台.国内学者以现代机构学为研究出发点,研究以运动执行功能为主功能的机电一体化产品概念设计,其设计理论与方法,更具有实用性,更有利于计算机辅助概念设计.最后指出了机电一体化产品概念设计理论与方法的发展方向. 机电一体化技术是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其它技术相融合构成的一门独立的交叉学科.机电一体化结合光学、通信技术、微细加工技术形成光机电一体化和微机电一体化的新分支.机电一体化产品迅猛发展,几乎遍及所有制造业领域.机电一体化技术在数控技术、工业机器人、计算机集成制造系统方面都取得了一定的成果.随着科学技术的发展,国内外机电一体化将朝着绿色化、智能化、网络化、微型化、模块化方向发展,各种技术相互融合的趋势也将越来越明显.以机械技术、微电子技术的有机结合为主体的机电一体化技术是机械工业发展的必然趋势,机电一体化技术的发展前景也将越来越广阔. 机电一体化是现代科学技术发展的必然结果.简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景,综述了国内外机电一体化技术的现状,列举了机电一体化在Li/MnO2扣式电池自动生产线上的一些成功应用的例子,并指出其最新发展趋势. 总结了国际上目前研究的几种可以实现自动向数学模型转化的机电一体化系统理想的物理模型建立的方法,即键合图方法、面向对象的方法、方块图方法、系统图方法和混合Petri网方法.分析研究了由Lancaster大学EDC(Engineering Design Center)中心的研究者们开发的计算机辅助机电一体化系统概念设计的建模与仿真软件Schemebuilder,研究了用键合图方法建模的仿真软件20-sim和使用面向对象方法建模的仿真软件Dymola,以及使用方块图建模的控制系统仿真软件Matlab和机械机构系统仿真软件Adams.最后总结了机电一体化建模与仿真的发展趋势,即机电相结合的机电一体化系统仿真软件为机电一体化系统理想的建模和仿真环境. 随着科技的发展,现在的机电一体化产品已经涉及到机械、电气和控制等众多领域,所以单领域、独立的设计方法已不能满足综合设计的需求.为此将虚拟原型技术引入机电一体化产品设计中,形成一种基于SolidWorks&,LabVIEW的虚拟原型机电一体化设计技术. 本文具体研究了基于SolidWorks&,LabVIEW的虚拟原型机电一体化设计技术,首先利用NI的SoftMotion模块将SolidWorks和LabVIEW紧密结合,构建基于SolidWorks-LabVIEW的机电一体化综合仿真设计环境. 其次,研究了机电一体化虚拟原型的建模方法,具体包括机械建模、电气建模和控制建模三个部分.此外以Elecworks-SolidWorks联合设计的基本方法为例简单研究了分块设计的方法. 再次,研究了基于机电一体化虚拟原型的仿真设计方法,包括机械、电气和控制等领域的仿真设计,在此基础上研究了综合仿真设计. 最后,研究了从虚拟原型向现实环境过渡的方法,利用NI CompactRIO平台对虚拟原型进行快速部署,进而可以直接指导产品的生产制造. 通过实例表明,基于虚拟原型的机电一体化产品设计方法能有效解决传统机电一体化产品设计遇到的问题,大大缩短产品的研制周期,为机电一体化产品设计方法提供了全新的技术途径. 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进行了系统、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一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,以及三个子系统的设计方法.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.提出了一种变换功能、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.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一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(UML,Unified Modeling Language)的类图来进行表达,为了描述对象(以及系统与环境)间的接口(通讯)行为,使交互可视化,应用消息序列图(MSC, Message Sequence Charts)来表达机电一体化系统逻辑行为.在此基础上,以CD播放机为实例,应用统一建模语言和消息序列图对机电一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)、激光影碟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. 机械工程与电子计算机、自动控制的协同集成,组成了种类多样的机电一体化(Mechatronics)产品或系统.这类产品在开发过程