【文章內(nèi)容簡介】 目前比較典型的機電一體化系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)的劃分有三種: ①德國Drmstadt大學(xué)的Rolf Isermann 提出的五塊論,認(rèn)為機電一體化產(chǎn)品是由控制功能、動力功能、構(gòu)造功能、傳感檢測功能和操作功能五大功能模塊組成。②丹麥理工大學(xué)的Jacob Burr 等人提出的三環(huán)論,認(rèn)為機電一體化產(chǎn)品分為機械、電子、軟件三大功能模塊, ③挪威科技大學(xué)的Bassam A. Hussein 提出的兩個子系統(tǒng)論,將機電一體化系統(tǒng)劃分為物理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)?！　∫陨先N結(jié)構(gòu)組成的劃分,更多地立足于電或控制的角度,沒有突出機械主體部分,也沒有很好地解決機電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計的模糊性、復(fù)雜性和多面性,因此不利于產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計,尤其是概念設(shè)計。從概念設(shè)計的需要出發(fā),從完成工藝動作過程這一總功能要求出發(fā),將機電一體化系統(tǒng)劃分為廣義執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)、傳感檢測子系統(tǒng)、信息處理及控制子系統(tǒng)三個子系統(tǒng),稱為“三子系統(tǒng)論”。三個子系統(tǒng)分別完成機械運動和動作、信息檢測、信息處理及控制。這種劃分有利于對機電一體化系統(tǒng)按功能進(jìn)行分解,分別尋求各自的功能載體,通過集成優(yōu)化來得到機電一體化系統(tǒng)的概念設(shè)計的若干方案。三子系統(tǒng)中的廣義執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng),突出了機電一體化系統(tǒng)中的機械主體地位,又體現(xiàn)了這種機構(gòu)的可控性特點。這一概念的提出,有利于設(shè)計師應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的原理和方法進(jìn)行機電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。目前,對傳感檢測子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的研究較多,理論上也較成熟,而對直接完成工藝動作功能的廣義執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)的研究卻不夠深入,目前處于迅速發(fā)展階段。 建立機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計理論與方法的意義設(shè)計方法對于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計具有重要的作用。蘇聯(lián)學(xué)者阿切爾康的巨著《機械零件設(shè)計》指導(dǎo)了幾代人的設(shè)計工作,使機械設(shè)計理論化、規(guī)范化。美國學(xué)者鐵木辛科的巨著《材料力學(xué)》也影響了幾代人,奠定了強度設(shè)計的基礎(chǔ)。設(shè)計理論對于設(shè)計的指導(dǎo)作用已為世人所公認(rèn)。最優(yōu)化原理、智能化原理、柔性化原理、網(wǎng)絡(luò)化原理、可靠性原理等是從系統(tǒng)的觀點和運籌學(xué)的角度,針對某項具體指標(biāo)完成產(chǎn)品局部設(shè)計環(huán)節(jié)的設(shè)計理論和方法。由于機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性決定,單獨應(yīng)用這些設(shè)計理論,雖可以對機電一體化產(chǎn)品的原始創(chuàng)新起到了一定的作用,但也易于達(dá)到設(shè)計極限。概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的重要階段,決定了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的60 %～70 %。因而,要建立機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計理論,必須首先建立機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的理論、方法?；趦?yōu)良的概念設(shè)計方案才能夠得到性能優(yōu)異的機電一體化產(chǎn)品。因此,建立機電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計理論體系是非常必要的。Pahl 和Beitz 從設(shè)計方法學(xué)的角度研究了產(chǎn)品的設(shè)計過程,并在《Engineering Design》一書中提出概念設(shè)計的思想,受到了各國學(xué)者的重視,相繼出現(xiàn)了多種用于概念設(shè)計階段的設(shè)計理論,如公理化設(shè)計理論、TRIZ 設(shè)計理論、QFD 理論等。這些理論對工程領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計起到了巨大的推動作用,其成就為世人所關(guān)注。但這些設(shè)計理論多集中在一般的機械工程領(lǐng)域,或者由多個學(xué)科簡單組合的工程產(chǎn)品設(shè)計。由于機電一體化系統(tǒng)的學(xué)科交叉性、集成性、融合性及復(fù)雜性等特點,現(xiàn)有的機械產(chǎn)品的概念設(shè)計理論不適用于機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計,必須結(jié)合機電一體化系統(tǒng)的自身特點,建立一套系統(tǒng)的、完整的概念設(shè)計理論和方法,指導(dǎo)機電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。因此,我們認(rèn)為:機電一體化產(chǎn)品發(fā)展到21 世紀(jì),到了應(yīng)該為其建立系統(tǒng)科學(xué)的設(shè)計理論和方法的時候了。同時,相關(guān)學(xué)科的設(shè)計理論也為機電一體化產(chǎn)品設(shè)計理論的建立奠定了必要的理論基礎(chǔ)。第五章 機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計目前尚處于起步階段,它涉及到多種學(xué)科領(lǐng)域知識的交叉與融合,具有復(fù)雜性、創(chuàng)新性、多目標(biāo)性、多解性、層次性、不良結(jié)構(gòu)性及反復(fù)迭代性。機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的研究主要集中在歐洲。主要研究機構(gòu)有:德國Darmstadt 大學(xué),英國Lancaster 大學(xué)工程設(shè)計中心,荷蘭Twente 大學(xué),比利時Leuven 大學(xué),挪威科技大學(xué),丹麥技術(shù)大學(xué)和芬蘭VTT 研究中心等。另外,在美國,與機電一體化系統(tǒng)有關(guān)的概念設(shè)計工作大多集中在MIT 大學(xué),Carnegie Mellon 大學(xué),Michigan 大學(xué)和Standford大學(xué)。在日本,東京大學(xué)的Yoshikawa 和Tomiyama 兩位學(xué)者的研究工作涉及到了一般的機電一體化系統(tǒng)的概念設(shè)計。德國Darmstadt 大學(xué)的R. Iserrmann , H. J . Herpel , ,M. Glesner等人,對機電一體化產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行了較深入的研究。他們的研究領(lǐng)域主要集中在機電一體化的控制系統(tǒng)的設(shè)計方法學(xué)上。提出了機電一體化系統(tǒng)的能量流和信息流模型,并將控制系統(tǒng)按層次劃分為管理層、監(jiān)視層、控制層和處理層四個層次。從他們的觀點來看,機電一體化的驅(qū)動器、傳感器及機械部分都是作為控制系統(tǒng)設(shè)計的外界環(huán)境而存在的。而控制系統(tǒng)設(shè)計是機電一體化的主體。因此在他們的設(shè)計中,較少考慮到機械部分的特性、傳感器的特性及驅(qū)動器的特性,也沒有考慮到幾個部分之間的融合設(shè)計問題。該觀點不能全面反映以實現(xiàn)運動執(zhí)行功能為主的機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的實質(zhì)。德國Heinz Nixdorf 大學(xué)的J urgen Gausemeier , MartinFlath ,Stefan M168。ohringer等人于2001 年構(gòu)建了機電一體化系統(tǒng)開發(fā)的V 型模型,指出在概念設(shè)計的早期階段,需要有一種共同的功能描述語言來描述所涉及的不同學(xué)科的知識,給出了一種適用于機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的集成方法,即用半規(guī)則式說明語言進(jìn)行功能原理建模。將該方法已成功用于汽車導(dǎo)航驅(qū)動系統(tǒng)的概念設(shè)計過程中。在法國PSA 所進(jìn)行的ESPRIT Ⅲ/ OLMECO (Open Li2brary for Models of Mechatronics Components 機電一體化組成元件的模型的開放庫) 研究項目,取得了階段性成功。該項目的核心是一個包含了機電一體化系統(tǒng)中各個學(xué)科的模型所組成的模型庫。他們把機電一體化的基本功能元件,或者一些已在實踐中得到應(yīng)用的系統(tǒng)作為基本單元存入模型庫。這個模型庫能夠為工程設(shè)計人員提供正確、有效的、可重用的模型單元。在機電一體化設(shè)計中可隨時從庫中調(diào)用這些基本元件或系統(tǒng),從而提高了設(shè)計效率和準(zhǔn)確性,并且在一定程度上降低了設(shè)計的難度。該項目雖然取得了一定的進(jìn)展,但就模型庫而言,其存儲的是以前得到的、被實踐檢驗的機電一體化產(chǎn)品的組成元件模型,僅對機電一體化數(shù)據(jù)庫的存儲和查找進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計,與智能化概念設(shè)計還存在相當(dāng)?shù)木嚯x,其設(shè)計方案缺乏創(chuàng)新性。并且由于缺少機電一體化概念設(shè)計理論的支持,該系統(tǒng)并不理想。雖然美國Analogy 公司聲稱其開發(fā)的Saber 軟件是支持機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的智能化概念設(shè)計軟件,但其實質(zhì)至多是一個機電一體化仿真軟件。它只具有對機電一體化系統(tǒng)建模、性能仿真、靈敏度分析等功能,而不具備產(chǎn)生方案的功能。就其建模功能來講,也基本上集中在信息系統(tǒng)或控制系統(tǒng)領(lǐng)域,目前還沒有看到其能夠用于機械裝置的建模仿真的例子。由于該軟件是由電子系統(tǒng)設(shè)計軟件發(fā)展而來,對于機電一體化系統(tǒng)有先天不足之嫌。自1990 年成立以來,英國Lancaster 大學(xué)的工程設(shè)計中心在機電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計方面作了大量的研究。由于機電一體化產(chǎn)品是涉及到各學(xué)科的綜合技術(shù)的應(yīng)用,他們采用鍵合圖(Bond Graph) 作為仿真技術(shù)的底層,通過能量守衡定律在各能量子系統(tǒng)之間搭起一座橋梁,采用方框圖作為信息處理系統(tǒng)的底層表達(dá)方式。用面向功能模塊的混合建模(包括鍵合圖理論、方框圖和高層次的功能模塊表達(dá)) 方式,構(gòu)建了機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的Schemebuilder 虛擬開發(fā)平臺。通過系統(tǒng)模擬平臺進(jìn)行模擬、仿真、檢驗,從而在設(shè)計的早期就能夠驗證、改善系統(tǒng)的性能。但該軟件的設(shè)計偏重于控制部分,但對執(zhí)行機構(gòu)部分卻不夠深入,目前處于實驗室水平。目前,國內(nèi)一些研究單位,如浙江大學(xué)[、華中科技大學(xué)等單位,在機械產(chǎn)品概念設(shè)計及計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計方面進(jìn)行了研究,但對機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計方面的問題基本沒有進(jìn)行研究