机电一体化简述

1、机电一体化的涵义机电一体化的涵义 国际：国际： “机电一体化是指机械装置和电子设备适当结合而构成的一种机械产品机电一体化是指机械装置和电子设备适当结合而构成的一种机械产品或机电一体与机信一体的新趋势。或机电一体与机信一体的新趋势。” “机电一体化是机械技术中的机械学与电机电一体化是机械技术中的机械学与电子技术中的电子学组合起来的技术进步的总称。子技术中的电子学组合起来的技术进步的总称。”“机电一体化是机械学和电机电一体化是机械学和电子学有机结合起来，提供更加优越的一种技术。子学有机结合起来，提供更加优越的一种技术。” 国内：国内：“机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进

2、微机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。” 综上所述，机电一体化包括了两个方面的内容：机电一体的技术；综上所述，机电一体化包括了两个方面的内容：机电一体的技术；机电一体化产品。机电一体化产品。机电一体化的由来机电一体化的由来 机电一体化是随着生产技术的发展而逐渐形成的一门新兴的边缘学机电一体化是随着生产技术的发展而逐渐形成的一门新兴的边缘学科，其英文名科，其英文名“Mechatronics”，Mechanics词头和词头和Electr

3、onics的词尾而的词尾而创造出来的一个新的英文单词。其最早出现在创造出来的一个新的英文单词。其最早出现在1971年。年。 技术技术包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。其具体主要包含有：现、使用和发展的技术。其具体主要包含有： 机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、检测与传感技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等。检测与传感技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等。 产品产品 采用机电一体化技术，在机械产品基础

4、上创造出来的新一代机电采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造出来的新一代机电产品。该产品。该“产品产品”主要是机械系统（或部件）与微电子系统（或部件主要是机械系统（或部件）与微电子系统（或部件与软件）相互置换或有机结合而构成的新的与软件）相互置换或有机结合而构成的新的“系统系统”，且赋予其新的，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。功能和性能的新一代产品。机电一体化的实质机电一体化的实质 利用系统工程的观点来分析和研究机电一体化产品和系统，综合运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分之间的合理匹配和外部的整体效果最佳。 机械技术机械技术（机械学、

5、（机械学、机构学）机构学）机电一体化技术领域机电一体化技术领域（机械、微电子、信（机械、微电子、信息技术的融合）息技术的融合）微电子技术（电微电子技术（电子学、半导体技子学、半导体技术、术、IC、LSI、VLSI）机电一体化技术领域机电一体化技术领域机电一体化的发展机电一体化的发展机电一体化产品功能构成及基本结构要素机电一体化产品功能构成及基本结构要素1、机械产品结构组成、机械产品结构组成传统观点：原动机、传动机构、执行机构。传统观点：原动机、传动机构、执行机构。现代观点：主机、驱动部分、检测显示部分、控制部分现代观点：主机、驱动部分、检测显示部分、控制部分2、机械产品的功能构成、机械产品的功

6、能构成传统观点：传统观点：主功能主功能实现目的功能所必须具备的功能。实现目的功能所必须具备的功能。动力功能动力功能实现能量转换所需要的功能。实现能量转换所需要的功能。构造功能构造功能实现各功能部件保持规定的位置关系的功能。实现各功能部件保持规定的位置关系的功能。l现代观点：主机、驱动部分、检测显示部分及控制部分组成。现代观点：主机、驱动部分、检测显示部分及控制部分组成。l机械产品的功能构成：机械产品的功能构成：l主功能主功能实现目的功能所必须具备的功能。实现目的功能所必须具备的功能。l动力功能动力功能实现能量转换所需要的功能。实现能量转换所需要的功能。l构造功能构造功能实现各功能部件保持规定的

7、位置关系的功能。实现各功能部件保持规定的位置关系的功能。l计测功能计测功能利用检测传感技术及装置将机械设备或系统在工作过利用检测传感技术及装置将机械设备或系统在工作过程中的关键参数显示、记录或输入到控制系统中。程中的关键参数显示、记录或输入到控制系统中。l控制功能控制功能利用控制装置使完成其它四种功能的部件协调工作。利用控制装置使完成其它四种功能的部件协调工作。 以上五种功能称为机电一体化产品的以上五种功能称为机电一体化产品的内部功能内部功能（功（功能构成），其内部功能都由相应的能构成），其内部功能都由相应的功能部件功能部件（或结构要（或结构要素）来实现，由内部功能实现素）来实现，由内部功能实

8、现目的功能目的功能。目的功能目的功能内部功能内部功能功能部件功能部件功功能能实实现现图图 机电一体化系统（产机电一体化系统（产品）由机械结构、电子品）由机械结构、电子信息处理系统（计算信息处理系统（计算机）、动力系统（动力机）、动力系统（动力源）、传感检测系统源）、传感检测系统（传感器）、执行元件（传感器）、执行元件系统（如电机）等系统（如电机）等5个子个子系统组成。系统组成。 通过传感器直接检通过传感器直接检测目标运动并进行反馈测目标运动并进行反馈控制的系统称为全闭环控制的系统称为全闭环系统，但只检测某一部系统，但只检测某一部位（如伺服电动机）运位（如伺服电动机）运动并反馈称为半闭环系动并反

9、馈称为半闭环系统。统。系统（变换、系统（变换、传递、储存）传递、储存）控制控制物质物质能量能量信息信息工业三工业三大要素大要素物质物质能量能量信息信息特定形式特定形式产品目的功能图产品目的功能图机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要机电一体化系统是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能（目的素组成的有机整体，具有满足人们使用要求的功能（目的功功能）。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能）。根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息（即工业三大要素）进行某种处理，输出所需能量和信息（即工业三大要素）进行某种处理，输出所需要

10、的物质、能量和信息。要的物质、能量和信息。因此，系统必须具有以下三大因此，系统必须具有以下三大“目的功能目的功能”： 变换变换（加工、处理）功能；（加工、处理）功能； 传递（移动、输送）功能；传递（移动、输送）功能； 储存（保持、积蓄、记录）功能。下图为系统目的功能图。储存（保持、积蓄、记录）功能。下图为系统目的功能图。以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、以物料搬运、加工为主，输入物质（原料、毛坯等）、能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令能量（电能、液能、气能等）和信息（操作及控制指令等）。等）。 经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的经过加工处理，主要输出改变

11、了位置和形态的物质的系统（或产品），称为加工机。例如：各种机床（切削、系统（或产品），称为加工机。例如：各种机床（切削、锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等）、交通运锻压、铸造、电加工、焊接设备、高频淬火等）、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等。轻工机械等。系统（变换、系统（变换、传递、储存）传递、储存）控制控制物质物质能量能量信息信息工业三工业三大要素大要素物质物质能量能量信息信息特定形式特定形式产品目的功能图产品目的功能图以能量转换为主，输入能量（或物质）和信息，输出不以能量转换为主，输入能量（或物质

12、）和信息，输出不同能量（或物质）的系统（或产品），称为动力机。其中同能量（或物质）的系统（或产品），称为动力机。其中输出机械能的为原动机，例如电动机、水轮机、内燃机等。输出机械能的为原动机，例如电动机、水轮机、内燃机等。以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息以信息处理为主，输入信息和能量，主要输出某种信息（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），称（如数据、图像、文字、声音等）的系统（或产品），称为信息机。例如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各为信息机。例如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械等。种办公机械等。 系统（变换、系统（变换、传递、储存）传递、储存）控制控

13、制物质物质能量能量信息信息工业三工业三大要素大要素物质物质能量能量信息信息特定形式特定形式产品目的功能图产品目的功能图 不管哪类系统（或产品），其系统内部必须具备五不管哪类系统（或产品），其系统内部必须具备五种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功种内部功能，即主功能、动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。能、构造功能。 其中其中“主功能主功能”是实现系统是实现系统“目的功能目的功能”直接必需直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。变换、传递和存储。“动力功能动力功能”是向系统提供动力、是向系统提供动力

14、、让系统得以运转的功能；让系统得以运转的功能；“检测功能和控制功能检测功能和控制功能”的作的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施使系统正常运转，实施“目的功能目的功能”。 而而“构造功能构造功能”则是使构成系统的子系统及元、部则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能：件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能：从系统的输入输出来看，除有主功能的输入输出之从系统的输入输出来看，除有主功能的输入输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入输出。此外，外，还需要有动力输入和控制

15、信息的输入输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出（如还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出（如废弃物等）。例如汽车的废弃物等）。例如汽车的废气和噪音对环境的影响，从废气和噪音对环境的影响，从系统设计时就应该考虑。系统设计时就应该考虑。计测计测操作操作构造构造动力动力控制控制机电一体化产品五大功能机电一体化产品五大功能传感器传感器执行件执行件机构机构动力源动力源计算机计算机机电一体化产品功能部件机电一体化产品功能部件机电一体化产品的功能部件又称为结构要素机电一体化产品的功能部件又称为结构要素例例1 人体五大要素及功能人体五大要素及功能计测计测动作动作构造构造运作运作控制控

16、制人体五大功能人体五大功能感官感官手足手足骨骼骨骼内脏内脏头脑头脑人体五大要素人体五大要素食食物物外界信息外界信息热、振动热、振动热、振动、切屑热、振动、切屑数控机床的内部功能构成数控机床的内部功能构成位置检测位置检测切削加工切削加工（加工机构）（加工机构）电电 源源控制器控制器CNC程序程序毛坯（物质）毛坯（物质）工件（物质）工件（物质）外部电源外部电源纸带纸带人人（信息）（信息）操作操作机机械械结结构构图样信息图样信息主功能主功能(目的功能目的功能)切削加工切削加工动力功能动力功能电能通过电机转换成机械能电能通过电机转换成机械能构造功能构造功能机床结构、机床本体机床结构、机床本体计测功能计

17、测功能实时检测机床内部和外部信息实时检测机床内部和外部信息控制功能控制功能实施控制实施控制机电一体化产品的组成要素机电一体化产品的组成要素机械本体机械本体动力单元动力单元检测与传感装置检测与传感装置控制与信息处理装置控制与信息处理装置执行机构执行机构驱动单元驱动单元接口接口 在机械本体（构造功能）的支持下，由检在机械本体（构造功能）的支持下，由检测传感装置（计测功能）检测出产品的运行状测传感装置（计测功能）检测出产品的运行状态及环境变化，将信息反馈给控制及信息处理态及环境变化，将信息反馈给控制及信息处理装置（控制功能），控制及信息处理装置对各装置（控制功能），控制及信息处理装置对各种信息进行处

18、理，并按要求控制动力源（动力种信息进行处理，并按要求控制动力源（动力功能）驱动执行机构（主功能）进行工作。功能）驱动执行机构（主功能）进行工作。 在结构上，各组成要素通过各种接口及相在结构上，各组成要素通过各种接口及相关软件有机结构在一起，构成一个内部匹配、关软件有机结构在一起，构成一个内部匹配、外部效能最佳的完整产品。外部效能最佳的完整产品。机电一体化产品机电一体化产品功能功能尺寸尺寸大小大小微机电一体化产品微机电一体化产品机电一体化产品机电一体化产品功能附加型功能附加型功能替代型功能替代型机电融合型机电融合型l功能附加型产品功能附加型产品 在原有机械产品基础上，采用微电子技术使产品功在原有

19、机械产品基础上，采用微电子技术使产品功能增加和加强，性能提高。经济型数控机床、电子秤、能增加和加强，性能提高。经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等。数显量具、全自动洗衣机等。l功能替代型产品功能替代型产品 采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或主功能，使产品简化，性能提高，能、信息处理功能或主功能，使产品简化，性能提高，柔性提高。电子缝纫机、自动照相机采用微电子装置取柔性提高。电子缝纫机、自动照相机采用微电子装置取代了原有的机械装置；电子石英钟、线切割加工机床采代了原有的机械装置；电子石英钟、线切割加工机床采用微电

20、子技术取代了原来的机械主功能。用微电子技术取代了原来的机械主功能。l机电融合型产品机电融合型产品 根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门根据产品的功能和性能要求及技术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理功能。传真机、复印机、摄相机、和信息处理功能。传真机、复印机、摄相机、CNCCNC机床机床等。等。一、机电一体化产品附加值与技术构成的关系一、机电一体化产品附加值与技术构成的关系机械元器件机械元器件+标准电子电器硬件标准电子电器硬件+专用硬件专用硬件+软件软件发展历程发展历程机械元器件为主，机械元器件为主，

21、1948年出现电子元器件年出现电子元器件机械元器件机械元器件+电子元器件，电子元器件，1974年电子微处年电子微处理开始应用理开始应用机械元器件机械元器件+标准电子电器硬件标准电子电器硬件+软件，软件，1987年专用集成电路开始应用年专用集成电路开始应用由图知：在当代机电一体化产品中，单纯的机械技术由图知：在当代机电一体化产品中，单纯的机械技术的附加值越来越少，而微电子技术的附加值越来越高，的附加值越来越少，而微电子技术的附加值越来越高，因此其经济效益也相应增高。因此其经济效益也相应增高。1、机电一体化设计、机电一体化设计 机电一体化设计是按机电一体化思想，原理和方法进行的机电一体机电一体化设

22、计是按机电一体化思想，原理和方法进行的机电一体化设计，它是一项复杂的系统工程，需要综合应用各项共性关键技术才化设计，它是一项复杂的系统工程，需要综合应用各项共性关键技术才能完成。能完成。 机电一体化设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能机电一体化设计突出体现在两个方面：一方面，当产品的某一功能单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子工业及其它多种技术单靠某一种技术无法实现时，必须进行机械与电子工业及其它多种技术有机结合的一体化设计。另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行有机结合的一体化设计。另一方面，当产品某一功能的实现有多种可行的技术方案时，也必须应用机电一体化技术对各种技术

23、方案进行分析和的技术方案时，也必须应用机电一体化技术对各种技术方案进行分析和评价，在充分考虑同其它功能单元的联接与匹配的条件下，选择最优的评价，在充分考虑同其它功能单元的联接与匹配的条件下，选择最优的技术方案。因此，机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、技术方案。因此，机电一体化设计必须充分考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性。互补性及可比性。1、机电一体化设计、机电一体化设计开发性设计开发性设计 是创造性设计，它是在没有任何样板可供参照的情况是创造性设计，它是在没有任何样板可供参照的情况下，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计原理为满下，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计

24、原理为满足市场需求所进行的设计。最初的录像机、摄像机、电视足市场需求所进行的设计。最初的录像机、摄像机、电视机的设计就属于开发性设计。机的设计就属于开发性设计。 适应性设计适应性设计 它是在原有产品总的方案原理基本不变的情况下，对产品的某些它是在原有产品总的方案原理基本不变的情况下，对产品的某些局部加以改进或变动，局部加以改进或变动，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以增加功能、提高性以增加功能、提高性能和质量或降低成本为目的的设计。能和质量或降低成本为目的的设计。

25、以使产品的性能和质量增加某些以使产品的性能和质量增加某些附加价值。例如：电子式照相机采用电子快门、自动曝光代替手动调附加价值。例如：电子式照相机采用电子快门、自动曝光代替手动调整，使其小型化、智能化；汽车的电子式汽油喷射装置代替原来的机整，使其小型化、智能化；汽车的电子式汽油喷射装置代替原来的机械控制汽油喷射装置，电子式缝纫机使用微机控制就属于适应性设计。械控制汽油喷射装置，电子式缝纫机使用微机控制就属于适应性设计。变异性设计变异性设计 是在设计方案和功能结构不变情况下，通过改变尺寸、速度、力或是在设计方案和功能结构不变情况下，通过改变尺寸、速度、力或功率等参数，以满足市场对产品规格方面的需求

26、所进行的系列化设计。例功率等参数，以满足市场对产品规格方面的需求所进行的系列化设计。例如，由于传递扭矩或速比发生变换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计，如，由于传递扭矩或速比发生变换而重新设计传动系统和结构尺寸的设计，就属于变异性设计。就属于变异性设计。开发性设计开发性设计 要求设计者具有扎实的基础理论、丰富的想象力和敏锐要求设计者具有扎实的基础理论、丰富的想象力和敏锐的市场洞察力。的市场洞察力。适应性设计适应性设计 要求设计者对原有产品及相关的市场需求、变化和技术要求设计者对原有产品及相关的市场需求、变化和技术进步要有充分的了解和掌握。进步要有充分的了解和掌握。变异性设计变异性设计 要求设计

27、者注意防止因参数变化可能对产品性能产生要求设计者注意防止因参数变化可能对产品性能产生的影响。的影响。对设计者的要求对设计者的要求 进行机电一体化产品设计时，应尽量以计算机为工具，充分利用计进行机电一体化产品设计时，应尽量以计算机为工具，充分利用计算机辅助设计、仿真分析、模拟设计、优化设计、动态分析设计、可算机辅助设计、仿真分析、模拟设计、优化设计、动态分析设计、可靠性设计等现代化设计方法，以提高产品的效率和质量。靠性设计等现代化设计方法，以提高产品的效率和质量。 机电一体化设计同样也要遵循产品的一般性设计原则，即在保证机电一体化设计同样也要遵循产品的一般性设计原则，即在保证产品目的功能、性能和

28、使用寿命的前提下，尽量降低成本。这意味着，产品目的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。这意味着，机电一体化设计并非盲目追求机电一体化设计并非盲目追求”高、精、尖高、精、尖”, ,而是在充分分析用户要而是在充分分析用户要求的基础上，努力以最新的技术手段，最廉价的材料或元器件、最简求的基础上，努力以最新的技术手段，最廉价的材料或元器件、最简单的结构、最低能耗，向用户提供最满意的产品。单的结构、最低能耗，向用户提供最满意的产品。 处理好产品功能与成本及宜人性的关系。处理好产品功能与成本及宜人性的关系。 机电一体化工程是指应用机电一体化技术机电一体化工程是指应用机电一体化技术进行产品开发的整个

29、过程体系，机电一体化工进行产品开发的整个过程体系，机电一体化工程包括市场调研、产品构思、方案设计、详细程包括市场调研、产品构思、方案设计、详细设计、质量规划与控制、制造工艺规范、样机设计、质量规划与控制、制造工艺规范、样机试制、正式生产、用户意见反馈、修改及完善试制、正式生产、用户意见反馈、修改及完善等各个阶段。等各个阶段。三、机电一体化系统设计与现代设计方法三、机电一体化系统设计与现代设计方法设计步骤设计步骤 机电一体化系统（产品）的种类不同，其设计方法也不同。机电一体化系统（产品）的种类不同，其设计方法也不同。现代设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统设计现代设计方法与用经验公式

30、、图表和手册为设计依据的传统设计方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统（产品）方法不同，它是以计算机为辅助手段进行机电一体化系统（产品）设计的有效方法。设计的有效方法。 技术预测技术预测市场需求市场需求信息分析信息分析科学类比科学类比系统设计系统设计创创新设计新设计选择具体的现代设计方法（相似设计法、模拟设计法、选择具体的现代设计方法（相似设计法、模拟设计法、有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法）有限元设计法、可靠性设计法、动态分析设计法、优化设计法） 机电一体化设计质量的综合评价。机电一体化设计质量的综合评价。 上述步骤的顺序不是绝对的，只是一个大致的设计路线。

31、但上述步骤的顺序不是绝对的，只是一个大致的设计路线。但现代设计方法对传统设计中的某些精华必须予以承认，在各个设现代设计方法对传统设计中的某些精华必须予以承认，在各个设计步骤中，应考虑传统设计的一般原则，如技术经济分析及价值计步骤中，应考虑传统设计的一般原则，如技术经济分析及价值分析、造型设计、市场需求、类比原则、冗余原则、自动原则分析、造型设计、市场需求、类比原则、冗余原则、自动原则（能自动完成目的功能并具有自诊断、自动补偿、自动保护功能（能自动完成目的功能并具有自诊断、自动补偿、自动保护功能等）、经验原则（考虑以往经验），以及模块原则（积木式、标等）、经验原则（考虑以往经验），以及模块原则（

32、积木式、标准化设计）等。准化设计）等。现代设计方法现代设计方法计算机辅助设计与并行工程计算机辅助设计与并行工程 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD CAD ）是设计机电一体化产品（系统）是设计机电一体化产品（系统）的有力工具。用来设计一般机械产品的的有力工具。用来设计一般机械产品的CADCAD的研究成果，包括的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可计算机硬件和软件，以及图像仪和绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化产品（系统）的设计，需要补充的不过是以用于机电一体化产品（系统）的设计，需要补充的不过是有关机电一体化系统（产品）设计和制造的数据、计算方法有关机电一

33、体化系统（产品）设计和制造的数据、计算方法和特殊表达的形式而已。应用和特殊表达的形式而已。应用CADCAD进行一般机电一体化系统进行一般机电一体化系统（产品）设计时，都要涉及机械技术、微电子技术和信息技（产品）设计时，都要涉及机械技术、微电子技术和信息技术的有机结合问题，从这种意义上来说，术的有机结合问题，从这种意义上来说，CADCAD本身也是机电一本身也是机电一体化技术的基本内容之一。体化技术的基本内容之一。 并行工程（并行工程（CE CE 一一Concurrent Engineering Concurrent Engineering ）是把产品（系统）的）是把产品（系统）的设计、制造及其相

34、关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合（并行）协调的一种工作模式。种工作模式。 这种工作模式力图使开发者们从一这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全寿命周期（从概念开始就考虑到产品全寿命周期（从概念形成到产品（系统）报废）内的所有因形成到产品（系统）报废）内的所有因素。并行工程的目标是提高产品（系统）素。并行工程的目标是提高产品（系统）的生命全过程（包括设计、工艺、制造、的生命全过程（包括设计、工艺、制造、服务）中的全面质量，降低产品（系统）服务）中的全面质量，降低产品（系统）全寿命周期内（包括产品设计、制造、全寿命周期内（包括产

35、品设计、制造、销售、客户应用、售后服务直至产品报销售、客户应用、售后服务直至产品报废处理等）的成本，缩短产品（系统）废处理等）的成本，缩短产品（系统）研制开发的周期（包括减少设计反复，研制开发的周期（包括减少设计反复，缩短设计、生产准备、制造及发送等的缩短设计、生产准备、制造及发送等的时间）。并行工程与串行工程的差异就时间）。并行工程与串行工程的差异就在于在产品的设计阶段就要按并行、交在于在产品的设计阶段就要按并行、交互、协调的工作模式进行产品（系统）互、协调的工作模式进行产品（系统）设计的设计的. . 就是说，在设计过程中对产品（系统）寿命周期内的各个阶段的要就是说，在设计过程中对产品（系统

36、）寿命周期内的各个阶段的要求要尽可能地同时进行交互式的协调。串行工程与并行工程工作模式框求要尽可能地同时进行交互式的协调。串行工程与并行工程工作模式框图如下图图如下图 ( a ( a ）和（）和（b b ）所示。）所示。 虚拟产品设计虚拟产品设计 虚拟产品是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚虚拟产品是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像。虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计拟环境中的映像。虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是在基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三算机辅助设计，是在基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计环境

37、中，设计者不仅能够直接在三维空间中通维计算机辅助设计环境中，设计者不仅能够直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的产品（系统）模型，以支持模和装配建模，并且最终生成精确的产品（系统）模型，以支持详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用的需要。从而满足工程设计和应用的需要。4 4 绿色设计绿色设计 绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。所谓绿绿色设计是从并行工程思想发展而出

38、现的一个新概念。所谓绿色设计，就是在新产品（系统）的开发阶段，就考虑其整个生命周色设计，就是在新产品（系统）的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。全和人类健康等所产生的副作用。 绿色产品设计将产品（系统）寿命周期内各个阶段（设计、制绿色产品设计将产品（系统）寿命周期内各个阶段（设计、制造、使用、回收处理等）看成一个有机整体，在保证产品良好性能、造、使用、回收处理等）看成一个有机整体，在保证产品良好性能、质量及成本等要求的情况下，还充分考虑到产品（系统）的维护

39、资质量及成本等要求的情况下，还充分考虑到产品（系统）的维护资源及能源的回收利用以及对环境的影响等问题。这与传统产品设计源及能源的回收利用以及对环境的影响等问题。这与传统产品设计主要考虑前者要求而对产品维护及产品废弃对环境的影响考虑很少、主要考虑前者要求而对产品维护及产品废弃对环境的影响考虑很少、甚至根本就不予考虑有着大区别。甚至根本就不予考虑有着大区别。 下图为传统产品设计（下图为传统产品设计（a a ）与绿色产品设计（）与绿色产品设计（b b ）之比较。绿色）之比较。绿色产品设计含有一系列的具体的技术，如全寿命周期评估技术、面向环产品设计含有一系列的具体的技术，如全寿命周期评估技术、面向环境

40、的设计技术、面向回收的设计技术、面向维修的设计技术和面向拆境的设计技术、面向回收的设计技术、面向维修的设计技术和面向拆卸处理的设计技术等。卸处理的设计技术等。 快速响应设计快速响应设计 快速响应设计是实现快速响应工程的重要一环。快速响应工程快速响应设计是实现快速响应工程的重要一环。快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新产品、以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。实产品、以保证企业在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。实现快速响应设计的关键是有效开发和利用各种产品（系统）信息资现快速响应设计的

41、关键是有效开发和利用各种产品（系统）信息资源。人们利用迅猛发展的计算机技术、信息技术和通讯技术所提供源。人们利用迅猛发展的计算机技术、信息技术和通讯技术所提供的对信息资源的高度存储、传播及加工的能力，主要采取三项基本的对信息资源的高度存储、传播及加工的能力，主要采取三项基本策略，以达到对产品（系统）设计需求的快速响应。策略，以达到对产品（系统）设计需求的快速响应。 这三项策略是：这三项策略是： 利用产品信息资源进行创新设计或变异性设计；利用产品信息资源进行创新设计或变异性设计； 虚拟设计虚拟设计利用数字化技术加快设计过程；利用数字化技术加快设计过程； 远程协同、分布设计。概括讲，这些策略就是信

42、息的资源化、远程协同、分布设计。概括讲，这些策略就是信息的资源化、产品（系统）的数字化、设计的网络化。产品（系统）的数字化、设计的网络化。 机电一体化产品（系统）的设计，通常可分为新颖机电一体化产品（系统）的设计，通常可分为新颖性创新设计和适应性变异性设计两大类：创新设计性创新设计和适应性变异性设计两大类：创新设计也属于前面所讲的开发性设计。也属于前面所讲的开发性设计。 无论是创新设计还是变异性设计，均体现了设计人无论是创新设计还是变异性设计，均体现了设计人员的创造性思维。快速响应设计就是充分利用已有的信员的创造性思维。快速响应设计就是充分利用已有的信息资源和最新的数字化、网络化工具，用最快的

43、速度进息资源和最新的数字化、网络化工具，用最快的速度进行创新性和变异性设计的机电一体化产品（系统）的设行创新性和变异性设计的机电一体化产品（系统）的设计方法。计方法。 5 5 反求设计反求设计 反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。反求反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品（系统）进行剖析、重构、再创造的设计。产品（系统）进行剖析、重构、再创造的设计。 如某种产品（系统），仅知其外在的功能特性

44、而没如某种产品（系统），仅知其外在的功能特性而没有其设计图纸及相关详细设计资料即其内部构成为一有其设计图纸及相关详细设计资料即其内部构成为一“暗箱暗箱”，在某种情况下需要进行具体的反向推理来设，在某种情况下需要进行具体的反向推理来设计具有同等外在功能特性的产品（系统）时，运用反求计具有同等外在功能特性的产品（系统）时，运用反求设计方法进行设计极为合适。从某种意义上来说，反求设计方法进行设计极为合适。从某种意义上来说，反求设计就是设计者根据现有机电一体化产品（系统）的外设计就是设计者根据现有机电一体化产品（系统）的外在功能特性，利用现代设计理论和方法，设计能实现该在功能特性，利用现代设计理论和方

45、法，设计能实现该外在功能特性要求的内部子系统并构成整个机电一体化外在功能特性要求的内部子系统并构成整个机电一体化系统（产品）的设计。系统（产品）的设计。l高精度高精度l快速响应快速响应 指机械系统在接收到控制系统的指令后，能在尽可能指机械系统在接收到控制系统的指令后，能在尽可能短的时间里完成所要求的动作。（惯性小）短的时间里完成所要求的动作。（惯性小）l良好的稳定性良好的稳定性 此外还要求机械系统具有较大刚度、良好的可靠此外还要求机械系统具有较大刚度、良好的可靠性和重量轻、体积小、寿命长。性和重量轻、体积小、寿命长。 为达到上述要求，应采取的措施为达到上述要求，应采取的措施1 1、采用低摩擦阻

46、力的传动部件和导向支承部件。如采用滚珠、采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。如采用滚珠丝杠副，滚动导向支承、动（静）压导向支承等。丝杠副，滚动导向支承、动（静）压导向支承等。2 2、缩短传动链，提高传动与支承刚度。如用加预紧的方法提、缩短传动链，提高传动与支承刚度。如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；采用大扭矩、高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动与支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结