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摘要: 机电一体化是多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程,因此在产品设计的过程中,要特别强调技术融合,学科交叉的作用。阐述机电一体化产品典型设计进程,它通常划分为四个阶段,包括准备阶段,理论设计阶段,设计实施阶段,设计定型阶段。
关键词: 机电一体化;设计方法;步骤
机电一体化系统设计是多个学科的交叉和综合,涉及的学科和技术非常广泛,其技术发展迅速,水平越来越高。由于机电一体化产品覆盖面很广,在系统的构成上,有着不同的层次,但在系统设计方面有着相同的规律。机电一体化系统设计是根据系统论的观点,运用现代设计的方法构造产品结构、赋予产品性能并进行产品设计的过程。
整个开发设计过程按步骤可划分为四个阶段:
1 设计筹划阶段
1)在筹划阶段中要对设计目标进行机理分析,对客户的要求进行理论性抽象,以确定产品的性能、规格、参数。在这个阶段,因为用户需求往往是面向产品的使用目的,并不全是设计的技术参数,所以需要对用户的需求进行抽象,要在分析对象工作原理的基础上,澄清用户需求的目地、原因和具体内容,经过理论分析和逻辑推理,提炼出问题的本质和解决问题的途径,并用工程语言描述设计要求,最终形成产品的规格和参数。对于加工机械而言,它包括如下几个方面:
① 运动参数:表征机器工作部件的运动轨迹和行程、速度和加速度。
② 动力参数:表征机器为完成加工动作应输出的力(或力矩)和功率。
③ 品质参数:表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、灵敏度和可靠性。
④ 环境参数:表征机器工作的环境,如温度、湿度、输入电源。
⑤ 结构参数:表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型。
⑥ 界面参数:表征机器的人机对话方式和功能。
2)在这个阶段中要根据设计参数的需求,开展技术性分析,制定系统整体设计方案,划分出构成系统的各功能要素和功能模块,然后对各类方案进行可行性研究对比,核定最佳总体设计方案、各个模块设计的目标与相关人员的配备。系统设计方案文件的内容包括:
① 系统的主要功能、技术指标、原理图及文字说明。
② 控制策略及方案。
③ 各功能模块的性能要求,模块实现的初步方案及输出输入逻辑关系的参数指标。
④ 方案比较和选择的初步确定。
⑤ 为保证系统性能指标所采取的技术措施。
⑥ 抗干扰及可靠性设计策略。
⑦ 外观造型方案及机械主体方案。
⑧ 经费和进度计划的安排。
2 理论设计阶段
首先,根据系统的主功能要求和构成系统的功能要素进行系统要素进行主功能分解,划分出功能模块,画出机器工作时序图和机器传动原理简图;对于有过程控制要求的系统应建立各要素的数学模型,确定控制算法;计算出各功能模块之间接口的输入、输出参数,确定接口设计的任务分配。应当说明的是,系统设计过程中的接口设计是对接口输入输出参数或机械结构参数的设计,而功能模块设计中的接口设计则是遵照系统设计制定的接口参数进行细部设计,实现接口的技术物理效应,两者在设计内容和设计分工上是不同的。不同类型的接口,其设计要求有所不同。传感器是机电一体化系统的感觉器官,它从待测对象那里获得反映待测对象特征与状态的信息,监视监测整个设备的工作过程,传感器接口要求传感器与被测对象机械量信号源应有直接关系,保证标度转换及数学建模快速、准确、可靠,传感器与机械本体之间联接简洁、牢固,灵敏度高、动态性能好,抗机械谐波干扰性强,正确反映待测对象的被测参数。变送接口要满足传感器模块的输出信号与微机前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求,接口信号的传输要精确,可靠性强,抗干扰能力强,噪音容限较低;传感器的输出阻抗要与接口的输入阻抗相配合;接口输出的电平要与微机的电平一致;为方便微机进行信号处理,接口输入信号和输出信号之间的关系须是线性关系。驱动接口要能满足接口的输入端与微机系统的后向通道在电平上保持一致,接口的输出端与功率驱动模块的输入端之间电平匹配的同时,阻抗也要匹配。其次,为防止功率设备的强电回路反窜入微机系统,接口必须采取有效的抵抗干扰措施。传动接口是一个机械接口,要求它的联接结构紧凑、轻巧,具有较高的传动精度和定位精度,安装、维修、调整简单方便,传动效率高,刚度好,相应快。
其次,以功能模块为单元,依据以上接口设计参数的要求对信号检测与转换、机械传动与工作机构、控制微机、功率驱动及执行元件等进行各个功能模块的选型、组配、设计。在此阶段的设计工作量较大,既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计,又包括总装图、零件图的具体模块选型、组配。一方面不仅要求在机械系统设计时选择的机械系统参数要与控制系统的电气参数相匹配,同时也要求在进行控制系统设计时,要根据机械系统的固有结构参数来选择及确定相关电气参数,综合应用微电子技术与机械技术,让两项技术互相结合、互相协调、互相补充,把机电一体化的优越性充分体现出来。为提高工效,应该尽量应用各种cad、PRO/E等辅助工具;整个设计应尽量采用通用的模块和接口,以利于整体匹配,利于后期进行产品的更新换代。
最后,以技术文件的方式对完整的系统设计采取整体技术经济指标分析,设计目标考核与系统优化,择优选择出综合性能指标最优的方案。
其中,系统功能分解应综合运用机械技术和电子技术各自的优势,努力使系统构成简单化、模块化。经常用到的设计策略有如下几种:
① 用电子装置替代机械传动,缩减机械传动装置,简化机械结构,减小尺寸,减轻重量,增强系统运动精度和控制灵活性。
② 在选择功能模块时要选用标准模块,通用模块,防止重复设计低水平的功能模块,采用可靠的高水平模块,以利于减少设计与开发的周期。
③ 加强柔性应用功能,改变产品的工作方式,让硬件的组成软件化,让系统的构成智能化。
④ 设计策略选择要以微机系统作为整个设计的核心。 总之,一项设计通常有几种不同的设计方案,每一种方案都有其优点和缺点,因此应对不同的方案进行整体评价,择优选择综合指标最优的设计方案。
3 开发产品的设计实施阶段
首先,在此阶段要根据理论设计的机械、电气图纸,制造、装配每个功能模块。机电一体化系统的功能要素是通过具体的技术物理效应实现的,一个功能要素可能是一个功能模块,也可能是由若干个功能模块组合而成,或者就是一个机电一体化子系统。功能模块则是实现某一特定功能的具有标准化、通用化或系列化的技术物理效应。功能模块则是在形式上,对于硬件表现为具体的设备、装置或电路板,对于软件则表现为具体的应用子程序或软件包。
其次,进行模块的调试。功能模块的制作与调试要由专业技术人员根据分工,完成各功能模块的硬件组配、软件编程、电路装配、机械加工和部件安装等细部物理效应的实现工作,对各功能模块的输入、输出参数进行仿真(模拟)、调试和在线调试,使它们满足系统所规定的电气、机械规范。
最后,进行系统整体的安装调试,复核系统的可靠性及抗干扰性。系统总体调试是在功能模块调试的基础上进行的,整体调试后以系统规定的总目标为依据,调整功能模块的工作参数及接口参数。此外,由于物质流、能量流、信息流均融汇在系统中,系统中的各薄弱环节以及影响主功能正常发挥的“瓶颈”会充分暴露出来,系统还受到内外部各种干扰的影响,所以,整体系统的调试还须进一步解决系统可靠性及抗干扰性等问题。
4 最终设计定型阶段
在该阶段的主要工作是对调试成功的系统进行工艺定型,整理出设计图纸、硬件及软件明细、零部件明细、元器件明细及测试记录等;撰写设计说明书,准备出产品投产时的工艺设计、原材料采购及销售所需的详细技术文件资料和档案文件资料。
总而言之,对于机电一体化产品的设计过程的每个阶段都要进行包含“基本原理、总体布局、细部结构”的三次循环设计,这些设计均要围绕产品设计的目标来进行,而每一设计阶段都构成一个循环体,它包括以产品的讨论和规划为核心的可行性设计循环;以选择最优的产品方案为核心的概念性设计循环;以产品性能和结构优化为核心的技术性设计循环。采取循环设计可让产品设计在可行性规划和论证的条件下求得概念上的最佳方案,再在最佳方案的基础上求得技术上的优化,使系统有机结合与综合集成,从而使设计的功能、精度、可靠性、效率和质量大大地提高。
参考文献:
[1]张建民,机电一体化系统设计,1996.
[2]赵松年、张奇鹏,机电一体化系统设计,北京:机械工业出版社,1996.
[3]成大先,机械设计手册,北京:化学工业出版社,2002.
[4]徐志毅,机电一体化实用技术,上海:上海科技技术文献出版社,1995.
关键词: 机电一体化;设计方法;步骤
机电一体化系统设计是多个学科的交叉和综合,涉及的学科和技术非常广泛,其技术发展迅速,水平越来越高。由于机电一体化产品覆盖面很广,在系统的构成上,有着不同的层次,但在系统设计方面有着相同的规律。机电一体化系统设计是根据系统论的观点,运用现代设计的方法构造产品结构、赋予产品性能并进行产品设计的过程。
整个开发设计过程按步骤可划分为四个阶段:
1 设计筹划阶段
1)在筹划阶段中要对设计目标进行机理分析,对客户的要求进行理论性抽象,以确定产品的性能、规格、参数。在这个阶段,因为用户需求往往是面向产品的使用目的,并不全是设计的技术参数,所以需要对用户的需求进行抽象,要在分析对象工作原理的基础上,澄清用户需求的目地、原因和具体内容,经过理论分析和逻辑推理,提炼出问题的本质和解决问题的途径,并用工程语言描述设计要求,最终形成产品的规格和参数。对于加工机械而言,它包括如下几个方面:
① 运动参数:表征机器工作部件的运动轨迹和行程、速度和加速度。
② 动力参数:表征机器为完成加工动作应输出的力(或力矩)和功率。
③ 品质参数:表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、灵敏度和可靠性。
④ 环境参数:表征机器工作的环境,如温度、湿度、输入电源。
⑤ 结构参数:表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型。
⑥ 界面参数:表征机器的人机对话方式和功能。
2)在这个阶段中要根据设计参数的需求,开展技术性分析,制定系统整体设计方案,划分出构成系统的各功能要素和功能模块,然后对各类方案进行可行性研究对比,核定最佳总体设计方案、各个模块设计的目标与相关人员的配备。系统设计方案文件的内容包括:
① 系统的主要功能、技术指标、原理图及文字说明。
② 控制策略及方案。
③ 各功能模块的性能要求,模块实现的初步方案及输出输入逻辑关系的参数指标。
④ 方案比较和选择的初步确定。
⑤ 为保证系统性能指标所采取的技术措施。
⑥ 抗干扰及可靠性设计策略。
⑦ 外观造型方案及机械主体方案。
⑧ 经费和进度计划的安排。
2 理论设计阶段
首先,根据系统的主功能要求和构成系统的功能要素进行系统要素进行主功能分解,划分出功能模块,画出机器工作时序图和机器传动原理简图;对于有过程控制要求的系统应建立各要素的数学模型,确定控制算法;计算出各功能模块之间接口的输入、输出参数,确定接口设计的任务分配。应当说明的是,系统设计过程中的接口设计是对接口输入输出参数或机械结构参数的设计,而功能模块设计中的接口设计则是遵照系统设计制定的接口参数进行细部设计,实现接口的技术物理效应,两者在设计内容和设计分工上是不同的。不同类型的接口,其设计要求有所不同。传感器是机电一体化系统的感觉器官,它从待测对象那里获得反映待测对象特征与状态的信息,监视监测整个设备的工作过程,传感器接口要求传感器与被测对象机械量信号源应有直接关系,保证标度转换及数学建模快速、准确、可靠,传感器与机械本体之间联接简洁、牢固,灵敏度高、动态性能好,抗机械谐波干扰性强,正确反映待测对象的被测参数。变送接口要满足传感器模块的输出信号与微机前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求,接口信号的传输要精确,可靠性强,抗干扰能力强,噪音容限较低;传感器的输出阻抗要与接口的输入阻抗相配合;接口输出的电平要与微机的电平一致;为方便微机进行信号处理,接口输入信号和输出信号之间的关系须是线性关系。驱动接口要能满足接口的输入端与微机系统的后向通道在电平上保持一致,接口的输出端与功率驱动模块的输入端之间电平匹配的同时,阻抗也要匹配。其次,为防止功率设备的强电回路反窜入微机系统,接口必须采取有效的抵抗干扰措施。传动接口是一个机械接口,要求它的联接结构紧凑、轻巧,具有较高的传动精度和定位精度,安装、维修、调整简单方便,传动效率高,刚度好,相应快。
其次,以功能模块为单元,依据以上接口设计参数的要求对信号检测与转换、机械传动与工作机构、控制微机、功率驱动及执行元件等进行各个功能模块的选型、组配、设计。在此阶段的设计工作量较大,既包括机械、电气、电子、控制与计算机软件等系统的设计,又包括总装图、零件图的具体模块选型、组配。一方面不仅要求在机械系统设计时选择的机械系统参数要与控制系统的电气参数相匹配,同时也要求在进行控制系统设计时,要根据机械系统的固有结构参数来选择及确定相关电气参数,综合应用微电子技术与机械技术,让两项技术互相结合、互相协调、互相补充,把机电一体化的优越性充分体现出来。为提高工效,应该尽量应用各种cad、PRO/E等辅助工具;整个设计应尽量采用通用的模块和接口,以利于整体匹配,利于后期进行产品的更新换代。
最后,以技术文件的方式对完整的系统设计采取整体技术经济指标分析,设计目标考核与系统优化,择优选择出综合性能指标最优的方案。
其中,系统功能分解应综合运用机械技术和电子技术各自的优势,努力使系统构成简单化、模块化。经常用到的设计策略有如下几种:
① 用电子装置替代机械传动,缩减机械传动装置,简化机械结构,减小尺寸,减轻重量,增强系统运动精度和控制灵活性。
② 在选择功能模块时要选用标准模块,通用模块,防止重复设计低水平的功能模块,采用可靠的高水平模块,以利于减少设计与开发的周期。
③ 加强柔性应用功能,改变产品的工作方式,让硬件的组成软件化,让系统的构成智能化。
④ 设计策略选择要以微机系统作为整个设计的核心。 总之,一项设计通常有几种不同的设计方案,每一种方案都有其优点和缺点,因此应对不同的方案进行整体评价,择优选择综合指标最优的设计方案。
3 开发产品的设计实施阶段
首先,在此阶段要根据理论设计的机械、电气图纸,制造、装配每个功能模块。机电一体化系统的功能要素是通过具体的技术物理效应实现的,一个功能要素可能是一个功能模块,也可能是由若干个功能模块组合而成,或者就是一个机电一体化子系统。功能模块则是实现某一特定功能的具有标准化、通用化或系列化的技术物理效应。功能模块则是在形式上,对于硬件表现为具体的设备、装置或电路板,对于软件则表现为具体的应用子程序或软件包。
其次,进行模块的调试。功能模块的制作与调试要由专业技术人员根据分工,完成各功能模块的硬件组配、软件编程、电路装配、机械加工和部件安装等细部物理效应的实现工作,对各功能模块的输入、输出参数进行仿真(模拟)、调试和在线调试,使它们满足系统所规定的电气、机械规范。
最后,进行系统整体的安装调试,复核系统的可靠性及抗干扰性。系统总体调试是在功能模块调试的基础上进行的,整体调试后以系统规定的总目标为依据,调整功能模块的工作参数及接口参数。此外,由于物质流、能量流、信息流均融汇在系统中,系统中的各薄弱环节以及影响主功能正常发挥的“瓶颈”会充分暴露出来,系统还受到内外部各种干扰的影响,所以,整体系统的调试还须进一步解决系统可靠性及抗干扰性等问题。
4 最终设计定型阶段
在该阶段的主要工作是对调试成功的系统进行工艺定型,整理出设计图纸、硬件及软件明细、零部件明细、元器件明细及测试记录等;撰写设计说明书,准备出产品投产时的工艺设计、原材料采购及销售所需的详细技术文件资料和档案文件资料。
总而言之,对于机电一体化产品的设计过程的每个阶段都要进行包含“基本原理、总体布局、细部结构”的三次循环设计,这些设计均要围绕产品设计的目标来进行,而每一设计阶段都构成一个循环体,它包括以产品的讨论和规划为核心的可行性设计循环;以选择最优的产品方案为核心的概念性设计循环;以产品性能和结构优化为核心的技术性设计循环。采取循环设计可让产品设计在可行性规划和论证的条件下求得概念上的最佳方案,再在最佳方案的基础上求得技术上的优化,使系统有机结合与综合集成,从而使设计的功能、精度、可靠性、效率和质量大大地提高。
参考文献:
[1]张建民,机电一体化系统设计,1996.
[2]赵松年、张奇鹏,机电一体化系统设计,北京:机械工业出版社,1996.
[3]成大先,机械设计手册,北京:化学工业出版社,2002.
[4]徐志毅,机电一体化实用技术,上海:上海科技技术文献出版社,1995.