机电一体化在工程机械上概念设计理论研究

1、机电一体化在工程机械上概念设计理论研究、应用与发展现状与展望 内容摘要：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，阐述了工程机械机电一体化的目的和主要内容，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在工程机械上的应用，及其产品概念设计理论与方法的发展方向。 关键词：机电一体化 工程机械 概念设计 应用与发展 电子技术包括计算机

2、技术、集成电路技术、数字电路技术以及通迅技术。电子技术和传感器技术与机械相结合，实现机械的自动控制、自动监测和处理，即机电一体化技术。传感器是机电一体化的“媒体”、感觉器官；以微机为核心的电子技术是机电一体化的中枢、大脑，它接受传感器送人的各种信息，进行处理后送至执行部分执行大脑的命令。 机电一体化技术先在汽车上应用，然后在工程机械上推广，主要是为了节约能源、降低排气污染，满足日益严格的环保法规要求，首先从汽油机的点火系着手，用电子技术控制汽油机的空燃比。德国博世(BoSch)公司、美国的GM公司、Ford公司及日本电装公司等先后推出各种电子控制汽油喷射系统和无分电器电子控制点火系统。随后在其

3、它系统都采用机一体化技术，其效益日益显著并日趋完善。现在机电一体化水平的高低，已成为衡量工程机械性能的重要指标之一。1工程机械机电一体化的目的和内容 随着社会的发展，人们对工程机械提出了愈来愈高的要求，如高性能、低能耗、洁净排气、安全舒适、可靠耐用、操纵轻便等。希望实现节能化、自动化、智能化。为此，必须在工程机械上采用电子技术和传感器技术，即机电一体化技术。1.1工程机械机电一体化的目的I .1 .1节约能源、净化排气、提高效率 充分有效地发挥柴油机(工程机械大都采用柴油机)的输出功率，使柴油尽量完全燃烧、净化排气。为使柴油机的输出功率减少能量损失，采用电子技术，根据负荷条件自动调节柴油机的油

4、门；冷却建筑初树风扇的转速可随温度的变化自动控制，以实现节能；电子节能液压泵系统减小能耗;电子控制自动变速，提高工程机械的动力性、经济性和效率。1 .1.2提高操纵性能 机电一体化技术用于工程机械，使过去纯机械式操纵系统难以实现的精细操纵自动化，而且使既复杂又需高度熟练操纵的或人工操纵的作业简单化；实现无人驾驶和远距离操纵，即使在人们难以进人的海底和危险场所也能进行作业。如水下推土机、海底机器人、挖掘机和掘进机的自动挖掘、无人驾驶卡车等。I .1.3提高安全性 为使工程机械安全运行，用传感器检测机械各部位的状态，通过微机判断，声音报警。当出现危及人身和设备重大事故时，立即报警并自动熄火停车。例

5、如，为了防止起重机的倾翻，通过微机对传感器输人的信息进行运算处理，一旦有危险立即发出警报，显示其状态使超负荷防止装置起作用。在坡地作业的机械上装设带倾斜仪的防倾翻装置。电子控制防抱制动系统(Antilock Brake System，简称ABS )，可防止制动时车轮打滑和车轮抱死，以提高行驶的安全性。电子控制安全气囊防护系统(Airbag Restraint System，简称ARS)，防止冲撞损伤驾驶员。I .I . -1提高可靠性 为使机械经常处于无故障状态，提高运转率，可设置各种类型的传感器，通过电子监装置，以判断柴油机、变速器、驱动桥、转向系统、制动系统、行驶系统和液压系统等工作情况，

6、进行故障预测，判断潜在故障部位，提前进行维修保养。专题综述I .l.实现运行的合理化管理 机电一体化技术的应用，可自动记录工作状况、运行时间、燃料与润滑油消耗量、柴油机转速、转矩、车速、牵引力、底盘各总成的使用情况等。通过这些自动记录信息，可以来分析施工方法、作业方法及运行管理方法，决定机械的修理、保养、更新的合理周期，并可以计算机械的使用费用，进行成本核算。1.1.6提高乘坐舒适性，减轻驾驶员的劳动 机械上配置的空调、电视、收音机、音响、电信、照明等也是机电一体化的开发内容1.2工程机械机电一体化的内容 机电一体化技术在工程机械上的应用，主要有以下几个方面的内容： （1）整机电子控制:电液操

7、纵、仿型控制、远距离控制、无线电摇控等； （2）柴油机电子控制:燃料喷射、发动机工况和电泵的检测与控制、冷却系统和润滑系统的检测与保护等； （3）底盘各总成的电子控制:变速器、ABS系统、动力转向、悬架等； （4）工作装置部分的电子控制:工作装置、力矩限制器、测平系统等； （5）其它辅助部分的电子控制:空调、电信、照明、各种报警装置等。2工程机械机电一体化的实例2.1柴油机部分 柴油机机电一体化技术的研究与应用比汽油滞后10多年。然而，随着电子技术特别是微机技术的迅速发展，促进柴油机机电一体化技术的研究与应用。目前，世界制造柴油机和工程机械的各大公司在改善柴油机燃烧过程降低油耗和减少其排放方面

8、，推出燃油喷射电子控制系统。实践表明，燃油喷射系统的关键参数是喷油量和喷油时刻。该系统采用机电一化技术，可以提高喷油压力、降低油耗、优化喷油定时、降低噪声、减少Nox、HC并可控制喷油速率。 柴油机电子控制喷油系统由传感器部分、电子控制部分(ECU Electronic Control Unit的简称)和执行器部分组成，如图1所示。 传感器部分各类传感器感知、采集的各种被测量(如物理量、化学量、位移量等)按一定规律转换成3h可用输出信号(一般为电量)输人给ECU。如油门踏板位置传感器、曲轴转传感器、冷却水温传感器、燃油温度传感器、进入压力传感器等。 图1 柴油机电子控制喷油系统组成示意图 电子

9、控制部分(ECU)由输入回路、输出回路、A/ D转换器、微型计算机(微机)及电源电路、备用电路等组成。微处理器是ECU的核心部件。在一块大规模集成电路芯片上集成了中央处理器CPU、存储器(RAM/ROM/EPROM/EEPROM)、1/O接口电路、定时器/计时器、串行/并行通讯接口、A/D和D/A等各个功能器件，从而构成了一个完整的单片微型处理器，简称单片机。单片机具有体积小、功能强、可靠和价格低等特点。其内部的存储器容量和1/0接口功能在不断增加。目前在ECU中所使用的微处理器多数是8位和16位的，甚至32位的。随着电子技术和传感器技术的迅速发展，ECU将由单机控制向集中控制方向迅速发展。

10、执行器部分，柴油机电子控制喷油系统的执行器执行ECU经过运算处理的信息。目前，柴油机电子控制喷油系统执行器按工作原理可分为电磁式、液压式;按操纵力的产生分单向操纵力(螺线管)和双向操纵力(动圈式线性螺线管和步进电机)式执行器；按操纵力的方向分为直线力矩和旋转力矩式执行器；按运动状态分为开关式和连续动作式执行器。国外许多大公司竞相推出多种柴油机电子控制喷油系统。柴油机电子控制喷油系统，按控制部件分为电子控制喷油泵和电子控制喷油器两种；按控制方式分为位置控制系统和时间控制系统两大类。电子位置控制系统的特点是不仅保留了传统的泵一管一嘴系统，而且还保留了原泵中齿条、柱塞套、柱塞上的斜槽等控制油量的结构

11、，另外增加了少量的构件如滑套等。位置控制系统可分为直列泵位置控制系统和分配泵位置控制系统。直列泵式又可分为改变凸轮相位式(为日本Zexel公司的COPECT系统)和控制滑套式(为日本Zexel公司的TICS系统)，分配式也可分为控制柱塞径向行程式(如英国Luca、公司的EPIC系统)和控制滑套位置式。图2即为德国博世(BoSch)公司的电控喷单体泵)，油系统图。日本电装公司(Nippondenso)的ECD -V1电控喷油系统也属于这类系统。该系统采用线性电磁铁，通过杠杆来控制滑套位置，从而实1.调节杆传感器 2.电磁油最调节执行机构 3.电磁断 4.分配转子5.喷油定时电磁调节阀6.调节杆图

12、2德国博世(R()sch)公司电控喷油系统现油量该系统采用线性电磁铁，通过杠杆来控制滑套位置，从而实现油量控制。系统中设置有传感器来反馈滑套位置。电子时间控制系统是用高速电磁阀直接控制高压燃油的导通。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的螺旋槽、套筒上的油孔及提前器等机构已全部取消。一般采用电磁阀关闭时开始喷油，电磁阀打开时喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。时间控制系统可分为分配泵式(如日本Zexel公司的Model - 1系统、日本电装公司的ECQ- V3系统、美国Stanadyne公司的DS系统是在分配泵转子尾部的进油通道上设置电磁阀)；单体泵式(德国博

13、世公司的ECP 13单体泵)，如图3所示；共轨式（又分为高压式、蓄压式和液压式）和电子泵嘴式四种类型。 图3 EUP13电控单体泵电子泵嘴系统主要由燃料供给系统、机械驱动系统及电子控制系统三个基本部分组成。电子泵嘴的结构如图4所示，它是在原机械式泵喷嘴的基础上，取消了柱塞上的螺旋槽筒上的油孔。它由喷油器壳体、柱塞、高速电磁阀(提升阀、电磁铁、电磁线圈)等组成。采用电磁线圈控制提升阀从而实现喷油定时和计量功能。提升阀关闭，燃油压力升高并开始喷油；提升阀开启，喷油停止。提升阀的关闭延续时间确定喷油量。图4 电子泵喷嘴的结构示意图图5为电子泵喷嘴的工原理示意图。电子泵喷嘴控制系统的功能就是对电子泵喷

14、嘴系统进行高精度和实时控图5 电子泵喷嘴的工原理示意图制，如1所示，ECU从操纵者及各种传感器输人的信息，通过精确运算处理将执行信息输出至高电磁阀，以控制燃油喷射量和喷油定时。2.2电子控制静液压传动履带式装载机日本小松公司推出D66S型履带式装载机全部采用静液压传动系统，并且采用电子控制系统对机械的启动、转向、制动、行驶、停止等各项动作进行控制。D66S型履带式装载机静液压传动系统的组成如图6所示。柴油机的动力通过传动轴输人至转矩分流装置(即分动箱)，通过分流装置传至变量油泵十变量马达的左右静压传动机构，后者的输出功率通过最终减速器传递给驱动链轮，最后驱动履带。在该系统中装置电子比例控制阀作

15、为控制变量+变量马达容量的执行机构，构成电子一一液压控制系统。1.蓄电池 2.电子控制器 3.驾驶室 4.静液压系统油箱 5.伺服油泵 6.供油油泵 7.摆线油泵8.9.工作装置串联泵 10.供油安全阀 11.制动阀 12.分动箱 13.传动轴14.变量油泵+变量马达(右侧) 15.变量油泵+变量马达(左侧) 16.制动器 17.链轮 18.履带 19.终传动 20.柴油机 21.减振连接装置 22.油门调速器 23.转速传感器图6传动系统图电子液压控制系统如图7所示，它由传感器部分、电子控制部分(ECU)和执行器部分组成。各传感器用于采集(感知)各部位的信息，电子控制部分(ECU)对传感器输

16、入的信息进行运算处理，输出给执行器部分。该系统的执行器部分由各种电磁阀组成，ECU向电磁阀发出各指令，电磁阀根据指令控制变量油泵和变量马达的容量，从而自动实现装载机的转向、制动、行驶、作业，使装载机根据不同的工况自动进入最佳运行和作业状态，减轻了驾驶员的劳动强度。1.电子控制器(内装微处理机) 2.蓄电池 3.前进后退速度控制手柄传感器 4.油门调整器控制传感器 5.制动传感器 6.转向传感器 7.供油压力开关 8.柴油机转速传感器 9.去制动器控制阀 10.去马达电磁阀 11.去前进用油泵电磁阀 12.去后退用油泵电磁阀 13.去平衡阀图7电子控制系统3工程机械机电一体化的发展趋势 目前，日

17、本和欧美各国十分重视工程机械机电一体化技术的研究和应用，并开发了适用于各类工程机械使用的机电一体化系统。今后，机电一体化技术的发展趋势如下:3.1工程机械电子技术 工程机械电子技术主要包括硬件和软件两部分内容。硬件包括微机及其接口，目前在工程机械上大多采用的是8位、16位的单片机，并向32位发展。接口电路、放大电路、功率元件等大多采用具有高抗干扰性能的IC芯片、可控硅和大功率三极管等。软件主要是以汇编语言(自汇编、交叉汇编、宏汇编)及其它高级语言(如BASIC语言、FOR-TRAM语言和C语言等)编制的各种数据采集、计算判断、报警、程序控制、优化控制、监控和自诊断等程序。在电子控制方面，将由单

18、机控制一个项目向集中控制(多个项目)发展。用于工程机械的微机体积必将显著减小，增加功能，提高可靠性与质量，这是工程机械电子技术发展的总趋势。3.2传感器技术 目前，工程机械用传感器随传感器技术迅速发展而发展很快，传感器种类越来越多，采集信息的范围越来越广，精度不断提高，抗干扰性增强，寿命不断增加，成本逐渐降低，并将向集成化、多功能化和智能化方向发展。3.3电子控制理论 随着电子技术(特别是微机技术)和传感器技术在工程机械上的应用，将使控制理论应用于工程机械的各种控制系统并迅速发展。控制理论是编制和优化控制软件的理论基础，是目前汽车与工程机械电子技术中的重点和难点。目前在国外广泛采用最优控制方法

19、，也有采用自适度、模糊控制方法。 电一体化产品概念设计的实质。德国Heinz Nixdorf大学的Jurgen Gausemeier,MartinFlath,Stefan M¨ohringer13等人于2001年构建了机电一体化系统开发的V型模型,指出在概念设计的早期阶段,需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识,给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法,即用半规则式说明语言进行功能原理建模。将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中。在法国PSA所进行的ESPRIT/OLMECO(Open Li-brary for Models of Mechatr

20、onics Components机电一体化组成元件的模型的开放库)研究项目,取得了阶段性成功。该项目的核心是一个包含了机电一体化系统中各个学科的模型所组成的模型库。他们把机电一体化的基本功能元件,或者一些已在实践中得到应用的系统作为基本单元存入模型库。这个模型库能够为工程设计人员提供正确、有效的、可重用的模型单元。在机电一体化设计中可随时从库中调用这些基本元件或系统,从而提高了设计效率和准确性,并且在一定程度上降低了设计的难度。该项目虽然取得了一定的进展,但就模型库而言,其存储的是以前得到的、被实践检验的机电一体化产品的组成元件模型,仅对机电一体化数据库的存储和查找进行产品的概念设计,与智能化

21、概念设计还存在相当的距离,其设计方案缺乏创新性。并且由于缺少机电一体化概念设计理论的支持,该系统并不理想。虽然美国Analogy公司声称其开发的Saber软件是支持机电一体化系统设计的智能化概念设计软件,但其实质至多是一个机电一体化仿真软件。它只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能,而不具备产生方案的功能。就其建模功能来讲,也基本上集中在信息系统或控制系统领域,目前还没有看到其能够用于机械装置的建模仿真的例子。由于该软件是由电子系统设计软件发展而来,对于机电一体化系统有先天不足之嫌。自1990年成立以来,英国Lancaster大学的工程设计中心在机电一体化系统概念设计方面作了大

22、量的研究。由于机电一体化产品是涉及到各学科的综合技术的应用,他们采用键合图(Bond Graph)作为仿真技术的底层,通过能量守衡定律在各能量子系统之间搭起一座桥梁,采用方框图作为信息处理系统的底层表达方式。用面向功能模块的混合建模(包括键合图理论、方框图和高层次的功能模块表达)方式,构建了机电一体化产品设计的Schemebuilder虚拟开发平台15,16。通过系统模拟平台进行模拟、仿真、检验,从而在设计的早期就能够验证、改善系统的性能。但该软件的设计偏重于控制部分,但对执行机构部分却不够深入,目前处于实验室水平。4.2国内研究现状目前,国内一些研究单位,如浙江大学17、华中科技大学18等单

23、位,在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究,但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究。本课题组上海交通大学,从1996年开始,对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入的研究,并取得了初步的研究成果。文献1从现代机构的角度出发,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统,称为“三子系统论”,并由此建立机电一体化系统概念设计的框架体系,有利于机电一体化产品的创新设计。文献4以实现运动功能为主功能的一大类机电一体化产品(如电脑型多功能缝纫机等)为研究对象,对机电一体化产品概念设计的核心问题广义执行机构子系统的概念设计进行了系统研

24、究,提出了由总功能进行基本工艺动作过程的构思;由基本工艺动作过程,实现动作分解,得到独立的执行动作;确定各执行动作的创新机构及其机构系统的组合的框架模型,即归纳为:Process(工艺)Action(动作)Mechanism(机构)的PAM功能求解模型。该模型能将概念设计与机构及其系统设计很好地结合起来,更具有可操作性,更易于实现创新设计,更利于计算机辅助概念设计的实现。由于机电一体化系统是一个复杂的动态系统,只有在了解了其动态性能的基础上才能进行恰当的评价,因此机电一体化产品的建模与仿真问题显得更为重要。概念设计阶段仿真的目的是检验系统是否能够完成给定的功能,以及实现功能所附带的约束条件。文

25、献5通过分析比较目前通用的各种建模技术(如键合图、方框图、信号流图、原理图等)及各种仿真软件的优缺点,采用Simulink仿真软件构造了一个面向功能模块建模方法的,表达机电一体化产品中广义执行机构的概念设计的系统仿真平台。这一平台的构建,为机电一体化产品概念设计的整体仿真平台的建立奠定了基础。针对机电一体化产品概念设计阶段评价指标及重要度不确定、信息模糊、不完整的特点,在模糊理论的基础上,文献26提出了一个三层模糊优序评价模型;模糊预序评价模型、模糊半优序评价模型、模糊全序评价模型。该模型为概念设计的评价提供了一个较为合理的依据,并以汽车自动喇叭的概念设计为例,进行了应用研究。上述研究,为机电

26、一体化产品概念设计及其计算机化的研究奠定了理论基础。5结束语机电一体化产品概念设计理论与方法的研究无疑必将对产品设计师起到重要的指导作用。以欧洲国家为代表的机电一体化产品概念设计理论的研究,多以电子及控制理论为研究出发点,典型的软件成果为英国学者推出了Scheme-builder虚拟开发平台。国内学者从现代机构学的角度出发,针对以运动功能为主功能的一大类机电一体化产品的特点,研究机电一体化产品概念设计理论与方法,取得了初步的研究成果。本文认为机电一体化系统的多学科性及复杂性决定了在概念设计理论研究的初期,不同学科背景的学者会从不同的角度进行研究,但研究的目标是一致的。随着研究的逐渐深入,不同研

27、究成果的集成必将使机电一体化产品概念设计理论的可操作性和实用性更强,对机电一体化新产品的开发和创新起重要指导作用。关于机电一体化产品概念设计理论与方法,还有不少问题有待深入研究:如建立机电一体化产品概念设计的推理方法库;按实现运动和动作进行广义执行机构的分类,建立驱动元件库、广义执行机构库,以有利于进行驱动元件、传12机械设计与研究第19卷mechatronics/definitions,html可以得到几十种关于机电一体化系统的定义。本文从机代机构学的角度,认为机电一体化系统的最本质的特征是一种机械,但又不同于一般的机械,它是在机构的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术,并与软件

28、有机结合而成的一种特殊的机械系统。从功能上讲,是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。机电一体化系统是一个完整的系统,强调各种技术的协调和集成,各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积。机电一体化系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术,机电一体化系统的执行机构扩展到了广义执行机构,即包括驱动元件和执行机构子系统。机电一体化具有跨学科性、集成性、融合性、复杂性。机电一体化系统的最终目的是实现可控的运动行为。它是充分利用电子计算机的信息处理和控制功能、利用可控驱动元件特性的现代机械系统。关于机电一体化系统的设计理论研

29、究方面,首先反映在机电一体化系统的组成结构的划分上。目前比较典型的机电一体化系统的组成结构的划分有三种:德国Drmstadt大学的Rolf Isermann提出的五块论,认为机电一体化产品是由控制功能、动力功能、构造功能、传感检测功能和操作功能五大功能模块组成。丹麦理工大学的Jacob Burr等人提出的三环论,认为机电一体化产品分为机械、电子、软件三大功能模块,挪威科技大学的Bassam A.Hussein提出的两个子系统论,将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。以上三种结构组成的划分,更多地立足于电或控制的角度,没有突出机械主体部分,也没有很好地解决机电一体化系统概念设计的模

30、糊性、复杂性和多面性,因此不利于产品的系统设计,尤其是概念设计。文献1从概念设计的需要出发,从完成工艺动作过程这一总功能要求出发,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统三个子系统,称为“三子系统论”。三个子系统分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及控制。这种划分有利于对机电一体化系统按功能进行分解,分别寻求各自的功能载体,通过集成优化来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案。三子系统中的广义执行机构子系统,突出了机电一体化系统中的机械主体地位,又体现了这种机构的可控性特点。这一概念的提出,有利于设计师应用系统设计的原理和方法进行机电一体化产品的创新

31、设计。目前,对传感检测子系统和控制子系统的研究较多,理论上也较成熟,而对直接完成工艺动作功能的广义执行机构子系统的研究却不够深入,目前处于迅速发展阶段。3机电一体化产品概念设计的涵义产品的概念设计是实现产品创新的关键。因此,对产品的概念设计理论与方法的研究,得到了国内外学者的极大关注,并成为近年来学术研究的热点。人们逐渐认识到概念设计是产品设计最重要、最复杂、也是最富有创造性的阶段,是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的过程。特别是近几年来,随着计算机图形学、虚拟现实、敏捷设计、多媒体等技术的发展和CAD/CAM应用的深入,产品概念设计的研究也有了新的进展。文献2在French

32、及Pahl and Beitz研究工作的基础上,根据机电一体化产品及其广义执行机构的特点,将产品的设计过程分为:产品规划、概念设计、详细设计和改进设计四个阶段,并给出概念设计比较全面的定义:“概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求,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。”概念设计可划分为功能设计、原理设计、方案设计及初步结构设计四个阶段。其中功能设计是概念设计的前期工作,即根据市场需求和机器功用进行设计思想和设计理念的构想,规划产品的总体框架。这一部分工作,属于“形象思维”,创新的火花往往

33、在这一阶段产生,这一阶段需更多地借助于设计人员的创新思维能力、知识与经验的发挥;原理设计是概念设计的难点,也是最能体现机电一体化产品交叉学科特点的阶段,即如何选择不同学科领域的工作原理方案来更好地满足产品的功能需求。这需要通晓各相关学科领域的专家,借助各类知识库的建立与运用是解决这一难题的有效途径;概念设计的后期工作是方案设计,确定机电一体化产品的方案,相对于前期工作而言,更多地属于“逻辑思维”。随着计算机技术、AI技术及其相关软件的发展,以及现代机构学自身的发展,使方案设计的计算机化成为可能。4机电一体化产品概念设计的国内外研究现状机电一体化产品概念设计目前尚处于起步阶段,它涉及到多种学科领

34、域知识的交叉与融合,具有复杂性、创新性、多目标性、多解性、层次性、不良结构性及反复迭代性。4.1国外研究现状机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲。主要研究机构有:德国Darmstadt大学,英国Lancaster大学工程设计中心,荷兰Twente大学,比利时Leuven大学,挪威科技大学,丹麦技术大学和芬兰VTT研究中心等。另外,在美国,与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在MIT大学,Carnegie Mellon大学,Michigan大学和Standford大学。在日本,东京大学的Yoshikawa和Tomiyama两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设计。德国

35、Darmstadt大学的R.Iserrmann,H.J.Herpel,M.Held,M.Glesner12等人,对机电一体化产品设计进行了较深入的研究。他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上。提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型,并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次。从他们的观点来看,机电一体化的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的。而控制系统设计是机电一体化的主体。因此在他们的设计中,较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性,也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题。该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主

36、的机11第3期李瑞琴等:机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望收稿日期:2002-12-23动及执行机构以及两者集成的选择。按被测物理量建立传感器类型、特点知识库,以便于选择传感器;建立信息处理方法库和控制方法库,以便选择硬件、编制软件对可控机构子系统进行有效的控制。建立机电一体化产品概念设计不同阶段的评价体系,特别是概念设计早期功能原理阶段的评价体系。总之,关于机电一体化产品概念设计的理论与方法的研究,目前处于初期的发展阶段,要使该理论完善、成熟,并达到最终的实用化,还需做大量的研究工作。参考文献:1邹慧君,廖武,郭为忠,王石刚.机电一体化系统概念设计的基本原理J.机械设计与研究,19

37、99,(3):1417.2亢金月.机电一体化系统设计理论与方法的研究D.上海:上海交通大学,1996.3邹慧君,汪利,王石刚.机械产品概念设计及其方法综述J.机械设计与研究,1998,(2):48.4田志斌.现代机械运动系统概念设计理论与应用研究D.上海:上海交通大学,2001.5廖武.广义执行机构的概念设计理论及实现的研究D.上海:上海交通大学,2001.6张建民.机电一体化系统设计M.北京:北京理工大学出版社,1996.7亢金月,邹慧君,蔡逆水.机电一体化系统集成与融合J.机械与电子,1996,(4):1720.8田志斌,邹慧君,蔡逆水,计算机辅助机电一体化产品概念设计J.机械与电子,20

38、01,(2):5153.9邹慧君,李瑞琴.电机驱动型广义机构概念设计知识库的建立方法和应用J.机械设计与研究,2001,(1):14.10田志斌,邹慧君,郭为忠.机电耦合广义执行机构的研究J.机械设计与研究,2000增刊:3739.11田志斌,邹慧君,王石刚.基于功能进化过程模型的机电产品设计目标表达J.机械研究与应用,2000,13(2):2224.12Rolf Isermann.Modeling and Design methodology for Mecha-tronic systemJ.IEEE/ASME,Transactions on mechatronics,1966,1(1):1

39、628.13J¨urgen Gausemeier,Martin Flath,Stefan M¨ohringer.ConceptualDesign of Mechatronics Systems Supported by Semi-formalSpecificationA.IEEE/ASME International Conference on Ad-vanced Intelligent Mechatronics Proceedings 8-12 July 2001ComoC.Italy:888892.14J¨urgen Gausemeier,Martin Fla

40、th,Stefan M¨ohringer.Modelingand evalution of Principle Solutions of Mechatronic Systems,Ex-emplified by Type Pressure Control in Automotive SystemsA.International Conference on Engineering Design ICED 01 Glas-gowC.2001.15Porter I D.Schemebuilder MechatronicsA.Proceedings of En-gineering design

41、 ConferenceC.1998.16Dr.John Counsell,Ian Porter,David Dawson,Marcus Duffy.Schemebuilder Computer Aided Conceptual Design,Scheme-puter aided knowledge based design of mechatronicssystems.(http:www.lancs.ac.uk).17孙守迁,包恩伟,潘云鹤.基于组合原理的概念创新设计J.计算机辅助设计与图形学学报,1999,11(3):262265.18黄国萍,周济,余俊,陈定方.基于特征的汽车车身几何建模与

42、车身内布置概念设计系统的研究J.交通与计算机,1996,(3):711.19J Burr.A Theoretical Approach to Mechatronics DesignD.In-stitute for Engineering Design,Technical University of Den-mark,1990.20Breunese A P T.Automated Support in Mechatronic SystemsModelingD.University of Twente,Enschede,The Nether-lands,1996.21Coelingh,H.J.,T

43、.J.A.de Vries and J.van Amerongen,Auto-mated Conceptual Design of Controllers for Mechatronic SystemA.Lancaster International Workshop on Engineering DesignCACD'97C.Lancaster,U.K.,1997.22Oelen,W.,Modeling asa Tool for Design of Mechatronic SystemD.University of Twente,Enschede,The Netherlands,1995.23R M walters,D A Bradley,A P Dorey.A Conceptual Study for aComputer-based Tool to support Electronics Design in aMechatronic EnvironmentJ.Microprocessors and Microsys-tems,2000,(24):5161.24Robert B Stone,Kristin L Wood.Develop