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| 微特電機(jī)論文：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念認(rèn)識(shí)禁忌 |
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由于機(jī)電一體化是近來剛剛發(fā)展起來的一門新興高科技，現(xiàn)在還處于不斷發(fā)展和完善的過程中。到目前為止，國(guó)際上還沒有統(tǒng)一的關(guān)于機(jī)電一體化的定義和詳盡解釋。人們由于各自的出發(fā)點(diǎn)和著眼點(diǎn)不同，所作出的定義和解釋也不盡相同，難免會(huì)存在一定的誤區(qū)。為防止設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念上犯認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤，避免在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中走彎路，本節(jié)首先提出有關(guān)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念認(rèn)識(shí)上的禁忌。
1)禁忌把機(jī)電一體化技術(shù)簡(jiǎn)單地理解為機(jī)械與電子相加的技術(shù)，這是機(jī)電一體化與機(jī)械加電氣所形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機(jī)械工程技術(shù)由純機(jī)械發(fā)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，其主要功能依然是代替和放大人的體力。但是隨著Ic、LsI、VLsI等為代表的微電子技術(shù)的驚人發(fā)展，計(jì)算機(jī)本身也發(fā)生了根本變革，以微型計(jì)算機(jī)為代表的微電子技術(shù)逐步迅速向機(jī)械領(lǐng)域滲透，并與機(jī)械技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，為機(jī)械增添了“頭腦”，增加了新的功能和性能，從而發(fā)展到以機(jī)電有機(jī)結(jié)合為特征的機(jī)電一體化。其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外，還能賦予產(chǎn)品許多新的智能，如自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)處理信息、自動(dòng)顯示記錄、自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制、自動(dòng)診斷與保護(hù)等。即機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有“智能柔性化”的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)差別。
2)禁忌把機(jī)電一體化看作機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其他新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合、拼湊，而是有機(jī)地相互結(jié)合或融合，是有其客觀科學(xué)規(guī)律的。簡(jiǎn)言之，機(jī)電一體化這一新興交叉綜合學(xué)科有其理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)技術(shù)和研究方法，只有對(duì)其有了充分理解，才能正確地進(jìn)行機(jī)電一體化工作。為了實(shí)現(xiàn)其“目的功能”，必須從系統(tǒng)角度出發(fā)，不拘泥于機(jī)械技術(shù)或電子技術(shù)，并寄希望于能夠使各種功能要素構(gòu)成****結(jié)合的智能柔性技術(shù)與方法。機(jī)電一體化技術(shù)就是這種技術(shù)和方法的統(tǒng)一。
3)禁忌再采用過去那種拼拼湊湊的所謂“混合”設(shè)計(jì)法來進(jìn)行機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從系統(tǒng)的高角度出發(fā)，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析新方法，充分發(fā)揮邊緣學(xué)科技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)闄C(jī)電一體化的目的是使系統(tǒng)(產(chǎn)品)多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕、薄、短、小巧化方向發(fā)展，不斷滿足人們生活的多樣化需求和生產(chǎn)的省力化、自動(dòng)化需求。滿足這些需求的產(chǎn)品單靠機(jī)械技術(shù)或微電子技術(shù)都是無法實(shí)現(xiàn)的。唯有依靠機(jī)械的電子化才能開辟兩者單獨(dú)都不能達(dá)到的新領(lǐng)域。所以說，機(jī)電一體化既是機(jī)械工程發(fā)展的繼續(xù)，同時(shí)也是電子技術(shù)應(yīng)用的必然。這些都只有采用了機(jī)電一體化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析新方法，才能實(shí)現(xiàn)。
4)禁忌再用過去那種只側(cè)重于局部和靜止的機(jī)械研究方法來研究機(jī)電一體化中的技術(shù)問題。計(jì)算機(jī)控制與機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合而形成的機(jī)電一體化系統(tǒng)，是一門高新技術(shù)科學(xué)，是研究現(xiàn)代控制論在機(jī)械工程中應(yīng)用的科學(xué)。由于當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)正在向著機(jī)電緊密結(jié)合、高度自動(dòng)化的方向發(fā)展，各種先進(jìn)的現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品和自動(dòng)加工系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，過去那種只側(cè)重于局部和靜止的機(jī)械研究方法已經(jīng)不能適用。事實(shí)上，即使是對(duì)過去那種普通的機(jī)械加工過程，也不能孤立地只去研究v、f、a的選擇。因?yàn)樵谡麄�(gè)生產(chǎn)和加工過程中，實(shí)際上是存在著一種動(dòng)力的傳遞過程，也就是說，這實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)在工作。從這點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該把它歸納到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)來解決，這才是抓住了問題的本質(zhì)。
5)禁忌墨守成規(guī)，總抱著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不放，要進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須熟知現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特征，大力推廣和盡可能采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程就是“目標(biāo)一功能一結(jié)構(gòu)_÷效果”的多次分析與綜合的過程。其中，綜合可理解為各種解決問題要素拼合的模型化過程，這是一種高度的創(chuàng)造行為；分析則是綜合的反向行為，也是提高綜合水平的必要手段，分析也是分解與剖析，對(duì)綜合后解決方案提出質(zhì)疑、論證和改革。通過分析，排除不合適的方案或方案中不合適的部分，為改善、提高和評(píng)價(jià)作準(zhǔn)備。綜合與分析是相互作用的，當(dāng)一種基本設(shè)想或方案產(chǎn)生后，接著就要分析它，找出改進(jìn)方向。這個(gè)過程一直持續(xù)進(jìn)行，直到整個(gè)設(shè)想或方案基本定型或被否定為止。
隨著工業(yè)高度發(fā)展、人民生活水平的提高，迫切要求大幅度地提高機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和速度，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大力推廣和盡可能運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)水平，是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)�，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與用經(jīng)驗(yàn)公式、圖表和手冊(cè)為設(shè)計(jì)依據(jù)的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法截然不同，它是以計(jì)算機(jī)為手段，其設(shè)計(jì)步驟通常如下：
“技術(shù)預(yù)測(cè)一信號(hào)分析一科學(xué)類比一系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)一創(chuàng)造設(shè)計(jì)一因時(shí)制宜地選擇各種具體的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法(如相似設(shè)計(jì)法、模擬設(shè)計(jì)法、有限元法、可靠性設(shè)計(jì)法、動(dòng)態(tài)分析法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、模糊設(shè)計(jì)法等)一機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)”。由于設(shè)計(jì)理念的更新，現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯著特征。
�、佻F(xiàn)代設(shè)計(jì)的實(shí)踐活動(dòng)是由一定的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)理論做指導(dǎo)，有意識(shí)地按照事(設(shè)計(jì)活動(dòng))物(設(shè)計(jì)對(duì)象)自身的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同于單純依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。因此，必然能夠獲得很高的設(shè)計(jì)成功率。
�、诂F(xiàn)代設(shè)計(jì)致力于澄清設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)，全面、系統(tǒng)地確定設(shè)計(jì)過程的起始條件和最終結(jié)果，因此，可以使設(shè)計(jì)過程始終從實(shí)際出發(fā)，達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，取得優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。
�、郜F(xiàn)代設(shè)計(jì)十分重視設(shè)計(jì)策略和戰(zhàn)略過程的研究，建立一種合理的設(shè)計(jì)秩序，并且嚴(yán)格按照規(guī)范化的設(shè)計(jì)進(jìn)程進(jìn)行工作，求得較高的工作質(zhì)量和效率。
，④現(xiàn)代設(shè)計(jì)極其強(qiáng)調(diào)抽象的設(shè)計(jì)構(gòu)思，防止過早地進(jìn)入某一已經(jīng)定型的實(shí)體結(jié)構(gòu)的分析，以便對(duì)系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)關(guān)系做本質(zhì)上的和創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思。
�、莠F(xiàn)代設(shè)計(jì)經(jīng)常采用擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)思維，自始至終地在多種可行的方案中尋求構(gòu)思，以便從中選擇確定能夠令人滿意的解決方案，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中慣用的封閉式的設(shè)計(jì)思維和忽視方案搜索的現(xiàn)象，能夠達(dá)到較高的滿意程度。
�、蕃F(xiàn)代設(shè)計(jì)十分強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)決策，盡量避免直接決策，排除決策中的主觀因素，使得在決策中所選定的設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到****的價(jià)值水平。
�、攥F(xiàn)代設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)性能進(jìn)行各種不同性質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求得綜合優(yōu)化的效果。
�、喱F(xiàn)代設(shè)計(jì)重視運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助人工設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)人員從繁重的設(shè)計(jì)作業(yè)中解脫出來，致力于創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)研究工作并提高作業(yè)質(zhì)量。
�、岈F(xiàn)代設(shè)計(jì)注重系統(tǒng)地進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，采用特殊形式表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果。
為此，要進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，就必須以全新的設(shè)計(jì)理念，深入探討現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特征，大力推廣和盡可能采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。
6)禁忌玩弄花架子、趕時(shí)髦、搞擺設(shè)，應(yīng)全力真正在技術(shù)、功能和效益上下功夫，并有所突破、有所創(chuàng)新、搞強(qiáng)、搞活、搞大，在激烈的市場(chǎng)中保持明顯優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力，就要真正做到：
�、倏s短產(chǎn)品研發(fā)周期，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代。用戶對(duì)產(chǎn)品的需求是經(jīng)常變化的，為T．t應(yīng)用戶對(duì)象和現(xiàn)場(chǎng)條件不斷變化的需求，往往要求及時(shí)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程作必要的調(diào)整、修改。對(duì)于這種調(diào)整和修改，機(jī)電一體化技術(shù)可通過控制程序，即軟件的變更來實(shí)現(xiàn)，而無需或很少改裝設(shè)備及裝置。由于機(jī)電一體化技術(shù)具有良好的柔性，特別適合于多品種、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、加速更新?lián)Q代的重要途徑。
②提高精度，增強(qiáng)功能。機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械傳動(dòng)部件減少，使機(jī)械磨損、配合同隙及受力變形等因素引起的誤差大大減小。由于采用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制、補(bǔ)償、校正等，克服了各種干擾因素造成的動(dòng)態(tài)誤差，從而達(dá)到單純機(jī)械裝備所不能實(shí)現(xiàn)的工作精度。例如，采用微型計(jì)算機(jī)誤差分離技術(shù)的電子化圓度儀，其測(cè)量精度由原來的0·025μm提高到0．01μm；大型鏜銑床安裝感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置后，將加工精度從6μm提高到2μm。
現(xiàn)代高新技術(shù)的引入，極大地改變了機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的面貌，并具備多種復(fù)合功能，成為機(jī)電一體化產(chǎn)品和應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)顯著特征。例如，加工中心機(jī)床可以一次裝卡完成多臺(tái)普通機(jī)床上的多道工序，還有自動(dòng)檢測(cè)工件和刀具的精度、自動(dòng)顯示刀具動(dòng)態(tài)軌跡圖形、自動(dòng)保護(hù)和自動(dòng)故障診斷等極強(qiáng)的應(yīng)用功能，配有機(jī)器人的大型激光加工中心，能夠完成自動(dòng)焊接、劃線、切割、鉆孔、熱處理等操作，還可以加工金屬、塑料、陶瓷、木材、橡膠等各種材料。這種極強(qiáng)的復(fù)合功能，是傳統(tǒng)機(jī)械加工系統(tǒng)所不能比擬的。
③簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量。機(jī)電一體化系統(tǒng)采用新型電力電子器件和傳動(dòng)技術(shù)，代替笨重的老式電氣控制的復(fù)雜機(jī)械變速傳動(dòng)，由微處理機(jī)和集成電路等微電子元件和程序邏輯軟件，完成過去靠機(jī)械傳動(dòng)鏈來實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)電一體化產(chǎn)品體積減小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量減輕。例如，無換向器電動(dòng)機(jī)，其將電子控制與相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)電磁結(jié)構(gòu)相結(jié)合，取消了傳統(tǒng)的換向電刷，簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了電動(dòng)機(jī)壽命和運(yùn)行特性，并縮小了體積；數(shù)控精密插齒機(jī)，可節(jié)省齒輪等傳動(dòng)部件；一臺(tái)現(xiàn)金出納機(jī)用微處理機(jī)控制，可取代幾百個(gè)機(jī)械傳動(dòng)部件。采用機(jī)電一體化技術(shù)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕重量，對(duì)于航空航天技術(shù)而言，更具有特殊的意義。
�、芨纳苿趧�(dòng)條件，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)。機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)化程度高，是知識(shí)密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)品，是將人們從繁重體力勞動(dòng)中解放出來的重要途徑，可以加速工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、交通自動(dòng)化甚至家庭自動(dòng)化，從而可促進(jìn)我國(guó)四個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。
�、莶僮骱�(jiǎn)便，使用安全可靠。機(jī)電一體化產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，充分考慮用戶操作的方便性，一般都有與用戶友好的接口及界面，用戶很容易掌握和操作。有些產(chǎn)品(如微機(jī)控 制全自動(dòng)洗衣機(jī))操作者只需按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器就可自動(dòng)完成全部操作。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件的變化(如環(huán)境溫度電源電壓變動(dòng)等)，有些產(chǎn)品可自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，有些則需人們很少的干預(yù)。
在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，一般都具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)甚至自動(dòng)修復(fù)的功能。當(dāng)遇到過載、過壓、過流、短路、漏電、停電之類的情況，能夠自動(dòng)采取措施加以保護(hù)，避免或減少人身傷亡和設(shè)備事故的發(fā)生，顯著提高設(shè)備使用的安全性。
由于機(jī)電一體化產(chǎn)品減少了可動(dòng)部件和易磨損件，盡量采用可靠性很高的集成電路使產(chǎn)品故障率降低、壽命提高、維護(hù)檢修方便，使裝置長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，無需維修或只需很少維修。
⑥提高生產(chǎn)效率，降低成本。機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠減少生產(chǎn)準(zhǔn)備和輔助時(shí)間，縮短薪產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品合格率，減少操作人員，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
我國(guó)工業(yè)鍋爐以燃煤為主，年耗煤量占全國(guó)原煤產(chǎn)量的1／3左右。由于多數(shù)是人工控制，燃料浪費(fèi)很大。采用機(jī)電一體化的控制設(shè)備后，平均熱效率可提高5％左右。據(jù)有關(guān)部門估算，我國(guó)使用鍋爐約43萬臺(tái)，按節(jié)電率25％計(jì)算，年節(jié)電量可達(dá)58×10skW．h。例如，數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率比普通機(jī)床高5～6倍，柔性制造系統(tǒng)可使生產(chǎn)周期縮短40％，生產(chǎn)成本降低50％。
�、吖�(jié)約能源，降低消耗。節(jié)約一次和二次能源是國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)，也是用戶十分關(guān)心的問題。機(jī)電一體化產(chǎn)品通過采用低能低耗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，****的調(diào)節(jié)控制，以提高設(shè)備的能源利用率，可達(dá)到明顯的節(jié)能效果。例如，汽車電子點(diǎn)火器，由于控制****點(diǎn)火時(shí)間和狀態(tài)，可大大節(jié)約汽車耗油量；若將節(jié)流工況下運(yùn)行的風(fēng)機(jī)、水泵隨工況變速運(yùn)行，平均可節(jié)電30％；工業(yè)鍋爐若采用計(jì)算機(jī)精確控制燃料與空氣的混合比，可節(jié)煤5％～20％；還有被稱為電老虎的電弧爐，是****的耗電設(shè)備之一，如改用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)****功率控制，可節(jié)電20％。
�、嘣鰪�(qiáng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。機(jī)電一體化使產(chǎn)品易于實(shí)現(xiàn)更新和升級(jí)換代，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)容易提高，使原來的低、中檔產(chǎn)品性能價(jià)格比顯著提高，上升為高檔產(chǎn)品；又由于在功能、水平、質(zhì)量、品種和使用效果方面，能更好地跟蹤國(guó)內(nèi)外時(shí)代發(fā)展的需求，與時(shí)俱進(jìn)；因此，具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，易于打開銷路，占領(lǐng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。
目前我國(guó)制造的有些設(shè)備，雖然其結(jié)構(gòu)比較先進(jìn)。但由于控制系統(tǒng)的水平落后，難以為國(guó)際市場(chǎng)接受，削弱了與其他國(guó)家同類型產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力，結(jié)果難以出口，或者以相當(dāng)?shù)偷膬r(jià)格只出口機(jī)械本體，既影響出口量，也減少了刨匯率。因此，無論是生產(chǎn)部還是使用單位，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品，都會(huì)帶來顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。所以，我國(guó)要成為創(chuàng)新型國(guó)家，就應(yīng)該全力真正在技術(shù)、功能和效益上下功夫，大搞開發(fā)創(chuàng)新。
機(jī)電一體化是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一個(gè)新概念，是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)相互交叉融合的產(chǎn)物。機(jī)電一體化打破了傳統(tǒng)的機(jī)械工程、電子工程、化學(xué)工程、建筑工程、信息工程、控制工程等舊模塊的劃分，形成了融機(jī)械技術(shù)、控制技術(shù)、微電子(微型計(jì)算機(jī))技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)為一體的一門新興的交叉、綜合科學(xué)。只有真正掌握了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確理念和方法，了解了容易出現(xiàn)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)和禁忌，才能順利地設(shè)計(jì)出先進(jìn)而實(shí)用的機(jī)電一體化系統(tǒng)和產(chǎn)品來。
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