1. 機電一體化系統(tǒng)的設計理念
機電一體化技術是利用微電子技術賦予機械系統(tǒng)“智能”，使其具有更高的自動化程度，****限度地發(fā)揮機械能力的一種技術。為使系統(tǒng)(產(chǎn)品)得到****性能，設計人員應從其通用性、環(huán)境適應性、可靠性、經(jīng)濟性等方面進行綜合分析。一方面要求設計機械系統(tǒng)時應選擇好與控制系統(tǒng)的電氣參數(shù)相匹配的機械系統(tǒng)參數(shù)，同時也要求設計控制系統(tǒng)時，應根據(jù)機械系統(tǒng)的固有結構參數(shù)來選擇和確定電氣參數(shù)，綜合應用機械技術與微電子技術，使二者緊密結合、相互協(xié)調(diào)、相互補充，充分體現(xiàn)機電一體化的優(yōu)越性。
1.1 設計思想機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)設計的設計思想通常有以下3種：機電互補法、結合法(融合法)和組合法，其宗旨都是綜合運用機械技術和微電子技術各自的特長，設計出****的機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)。
(1)機電互補法機電互補法也可稱為取代法，是利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機械產(chǎn)品中的復雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)，如用可編程序控制器(PLc)或計算機來取代機械式變速機構等；采用步進電動機來代替某些條件下的凸輪機構；用電子式傳感器(光電開關、磁尺等)取代機械擋塊、行程開關等，可大大提高檢測精度、靈敏度�？傊�，用電子技術的長處來彌補機械技術的不足，達到簡化機械結構、提高系統(tǒng)性能的目的。
(2)結合(融合)法結合(融合)法是將各組成要素有機地結合為一體，構成專用或通用的功能部件(子系統(tǒng))，要素之間機電參數(shù)的有機匹配比較充分。例如，將電子凸輪、電子齒輪作為產(chǎn)品應用在機電一體化系統(tǒng)中，就是結合法的具體應用。在大規(guī)模集成電路和計算機不斷普及的今天，隨著精密機械技術的發(fā)展，完全能夠設計出執(zhí)行元件、運動機構、檢測傳感器、控制與機體等要素有機地融為一體的機電一體化系統(tǒng)。
(3)組合法組合法是將結合法制成的功能部件(子系統(tǒng))、功能模塊，像搭積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)，故稱組合法。例如，將工業(yè)機器人各自由度(伺服軸)的執(zhí)行元件、運動機構、檢測傳感元件和控制器等組成機電一體化的功能部件(或子系統(tǒng))，用于不同的關節(jié)，可組成工業(yè)機器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰等各種功能模塊系列，從而組合成結構和用途不同的工業(yè)機器人。在新產(chǎn)品系列及設備的機電一體化改造中，應用這種方法可以縮短設計與研制周期、節(jié)約工裝設備費用，且有利于生產(chǎn)管理、使用和維修。
1.2．設計類型機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的設計類型一般可分為開發(fā)性設計、適應性設計和變型設計。
(1)開發(fā)性設計在工作原理、結構等完全未知的情況下，沒有參照產(chǎn)品，應用成熟的科學技術或經(jīng)過試驗證明是可行的新技術，設計出質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的新產(chǎn)品；這是一種完全創(chuàng)新的設計。最初的錄像機、攝像機、電視機的設計就屬于開發(fā)性設計。
(2)適應性設計在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術代替原有的機械結構，或為了進行微電子控制對機械結構進行局部適應性設計，以使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量增加某些附加價值。例如，電子式照相機采用電子快門、自動曝光代替手動調(diào)整，使其小型化、智能化；汽車的電子式汽油噴射裝置代替原來的機械控制汽油噴射裝置；電子式縫紉機使用計算機控制就屬于適應性設計。
(3)變型設計在已有產(chǎn)品的基礎上，針對原有缺點或新的工作要求，從工作原理、功能結構、執(zhí)行機構類型和尺寸等方面進行一些變異，設計出新產(chǎn)品以適應市場需要，增強市場競爭力。這種設計也可包括在基本型產(chǎn)品的基礎上，工作原理保持不變，開發(fā)出不同參數(shù)、不同尺寸和不同功能和性能的變型系列產(chǎn)品。
機電一體化領域多變的設計類型，要求我們摸索一套現(xiàn)代化設計的普遍規(guī)律以適應不斷更新?lián)Q代的需要。所有機電一體化設計都是為了獲得用來構成產(chǎn)品(或系統(tǒng))的有用信息，因此，必須從信息載體中提取可感知的或不可感知的、真?zhèn)坞y辨的信息，促進機械與電子的有機結合，滿足人們的多樣化需要。
1.3．設計準則
設計準則主要考慮“人、機、材料、成本”等因素，而產(chǎn)品的可靠性、實用性與完善性設計最終歸結于：在保證目的功能要求與使用壽命的前提下不斷降低成本，以降低成本為核心的設計準則不勝枚舉。產(chǎn)品成本的高低70％決定于設計階段。因此，在設計階段可以從新產(chǎn)品和現(xiàn)有產(chǎn)品改型兩方面采取措施，一是從用戶需求出發(fā)降低使用成本，二是從制造廠的立場出發(fā)降低設計與制造成本。從用戶需求出發(fā)就是減少綜合工程費用，它包括為了讓產(chǎn)品在使用保障期內(nèi)無故障地運行而提高功能率，延長平均無故障時間(MTBF，即從一個故障排除后到下一個故障發(fā)生時的平均時間)，減少因故障停機給用戶造成的損失，進一步提高產(chǎn)品的工作能力。
1.4．設計規(guī)律
總結機電一體化系統(tǒng)的設計，通常具有以下規(guī)律：根據(jù)設計要求首先確定離散元素間的關系，然后研究其相互間的物理關系，這樣就可根據(jù)設計要求和手冊確定其結構關系，最終完成全部設計工作。其中確定邏輯關系階段是關鍵，如邏輯關系不合理，其設計也必然不合理。在這一階段可分為兩個步驟完成：首先進行功能分解，確定邏輯關系和功能結構；然后建立其物理模型，確定其物理作用關系。所謂功能就是使元素或子系統(tǒng)的輸出滿足設計要求。一般來說，不可能用某種簡單結構一下子就滿足總功能要求，需要進行功能分解，總功能可以分解成若干子功能，子功能還可以進行進一步分解，直到功能元素。將這些子功能或功能元素按一定邏輯關系連接，來滿足總功能的要求，這樣就形成所謂的功能結構。
2機電一體化工程路線
機電一體化工程是應用機電一體化技術進行產(chǎn)品開發(fā)研制的整個過程體系。機電一體化工程包括市場調(diào)研、產(chǎn)品構思、方案設計和評價、詳細設計、質(zhì)量規(guī)劃、制造工藝規(guī)劃、樣機試制、正式生產(chǎn)、用戶意見反饋、修改與完善等各個階段，其工程路線如圖1．8所示。
在實施機電一體化工程中，要正確處理好質(zhì)量和成本、市場需求與技術經(jīng)濟實力、長期發(fā)展與短期利益等矛盾的關系，以保證既滿足市場需求，使產(chǎn)品具有足夠的市場競爭力，又符合當前的實力情況，可從中獲得較大的技術經(jīng)濟效益和社會效益，為進一步發(fā)展奠定良好的基礎。
3機電一體化系統(tǒng)設計流程
所謂設計是指為某一技術任務給出一個盡可能好的解決方法所必需的一切綜合和分折活動。而盡可能好的解決方法則是指一個十分可靠的、經(jīng)濟可行的、能滿足各種限制條件的解決方法機電一體化產(chǎn)品覆蓋面很廣，在系統(tǒng)構成上有著不同的層次，但在系統(tǒng)設計上有著共同的規(guī)律．系統(tǒng)設計是根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，運用現(xiàn)代設計的方法構造產(chǎn)品結構賦予產(chǎn)品性能并進行產(chǎn)品設計的過程。機電一體化系統(tǒng)設計流程如圖1—9所示。
主要設計過程可分為5個階段：產(chǎn)品規(guī)劃、概念設計、詳細設計、設計實和設計定型 階段。
第1階段：產(chǎn)品規(guī)劃階段。產(chǎn)品規(guī)劃要求進行需求分析、需求設計、可行性分析，確定設計參數(shù)及制約條件，最后給出詳細的設計任務書，作為設計、評價和決策的依據(jù)。
第2階段：概念設計階段。由于需求是以產(chǎn)品的功能來體現(xiàn)的，功能與產(chǎn)品設計的關系是因果關系，概念設計是根據(jù)系統(tǒng)的總功能要求和構成系統(tǒng)的功能要素進行總功能分解，劃分出各功能模塊，確定它們之間的邏輯關系；然后對各功能模塊輸入輸出關系進行分析，確定功能模塊的技術參數(shù)和控制策略、系統(tǒng)的外觀造型和總體結構；最后以技術文件的形式交付設計組討論、審定。由于體現(xiàn)同一功能的產(chǎn)品可以有多種多樣的工作原理，一項設計通常有幾種不同的設計方案，每一種方案都有其優(yōu)點和缺點，所以在概念設計階段應對不同的方案進行整體評價，選擇綜合指標****的設計方案。
因此，這一階段的最終目標就是在功能分析的基礎上，通過構想設計理念、創(chuàng)新構思、搜索探求、優(yōu)化篩選取得較理想的工作原理方案。
第3階段：詳細設計階段。該階段根據(jù)設計目標，對各功能模塊進行設計，繪制相應的工程圖；對于有過程控制要求的系統(tǒng)應建立各要素的數(shù)學模型，確定控制算法；計算各功能模塊之間接口的輸入輸出參數(shù)，確定接口設計的任務歸屬。然后以功能模塊為單元，根據(jù)接口參數(shù)的要求對信號檢測及轉(zhuǎn)換、機械傳動及工作機構、控制計算機、功率驅(qū)動及執(zhí)行元件等進行功能模塊的選型、組配和設計；最后對所做的設計進行整體技術經(jīng)濟評價、設計目標考核和系統(tǒng)優(yōu)化，挑選出綜合性能指標****的設計。功能模塊是實現(xiàn)菜一特定功能的具有標準化、通用化或系列化的技術物理效應。功能模塊在形式上，對于硬件表現(xiàn)為具體的設備、裝置或電路板，對于軟件則表現(xiàn)為具體的應用子程序或軟件包。
這個階段的工作量較大，既包括機械、電氣、電子、控制與計算機軟件等系統(tǒng)的設計，又包括總裝圖和零件圖的繪制。應該盡量應用各種cAD工具，以提高工效；設計應盡量模塊化和結構化，以利于改進，或進行產(chǎn)品換代時參考。
第4階段：設計實施階段。在這一階段中首先根據(jù)機械、電氣圖樣和算法文件，制造、裝配和編制各功能模塊；然后進行模塊的調(diào)試；最后進行系統(tǒng)整體的安裝、調(diào)試，復核系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性。
第5階段：設計定型階段。這個階段的主要任務是對調(diào)試成功的系統(tǒng)進行工藝定型，整理出設計圖樣、軟件清單、零部件清單、元器件清單及調(diào)試記錄等；編寫設計說明書，為產(chǎn)品投產(chǎn)時的工藝設計、材料采購和銷售提供詳細的技術檔案資料。
縱觀系統(tǒng)的設計流程，設計過程的各階段均貫穿著圍繞產(chǎn)品設計的目標所進行的“基本原理一總體布局一細部結構”三次循環(huán)設計，每一階段均構成一個循環(huán)體，即以產(chǎn)品的規(guī)劃和討論為中心的可行性設計循環(huán)；以產(chǎn)品的****方案為中心的概念性設計循環(huán)；以產(chǎn)品性能和結構優(yōu)化為中心的技術性設計循環(huán)。循環(huán)設計使產(chǎn)品設計在可行性規(guī)劃和論證的基礎上求得概念上的****方案，再在****方案的基礎上求得技術上的優(yōu)化，使系統(tǒng)設計的效率和質(zhì)量大大地提高。
4 機電一體化系統(tǒng)的四視圖設計傳統(tǒng)機械主要是由機械結構完成其功能。因此，在描述和設計傳統(tǒng)機械時，表達機械結構的“三視圖”，就成為主要的工具。而現(xiàn)代機械系統(tǒng)是由計算機信息系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的機電一體化系統(tǒng)，機械設計的“三視圖”顯然不足以用來設計機電一體化系統(tǒng)。仿照“三視圖”
的提法，目前多采用功能視圖、結構視圖、控制視圖和信息視圖的“四視圖”來設計機電一體化系統(tǒng)。
4.1．功能視圖所謂功能視圖就是對機電一體化系統(tǒng)的基本功能以及為實現(xiàn)基本功能的輔助功能的描述與設計。從價值工程角度出發(fā)，通過功能視圖，可以對機電一體化系統(tǒng)應具備的功能加以確定，并加深理解和搞清各類功能之間的關系，適當調(diào)整功能比重，使產(chǎn)品的功能結構更加合理。在功能設計時，合理賦予機電一體化產(chǎn)品各種功能，不僅要從當前市場需求及使用需要出發(fā)，還要把握技術的進步和社會的發(fā)展，引導對功能“消費”的需求，例如：給手機賦予上網(wǎng)功能等。從設計創(chuàng)新角度出發(fā)，在確定系統(tǒng)的總體功能基礎上，研究功能實現(xiàn)的原理，通過細致的功能分解，以形態(tài)矩陣的方式，羅列出實現(xiàn)功能的可能的技術方案，經(jīng)過評價決策，開發(fā)出實現(xiàn)主功能的****技術系統(tǒng)。
因此，在機電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))的功能視圖中，應包括以下內(nèi)容：
1)功能組成圖。描述系統(tǒng)的基本功能和輔助功能組成。用功能樹進行功能的細分，直至分解成功能元。
2)主功能的功能原理圖。采用成熟的技術方案或新的技術方法、科學原理，實現(xiàn)主功能和其他功能，并用簡明的原理圖進行說明。
3)形態(tài)矩陣圖。在進行創(chuàng)新設計時，為了優(yōu)化技術方案，對功能細分后得出的功能元，用形態(tài)矩陣羅列出實現(xiàn)功能的可能的技術方案。
4)從價值工程出發(fā)進行方案比較和評價，形成優(yōu)化的技術系統(tǒng)。
4. 2．結構視圖機電一體化中的機械是集動力功能、作業(yè)功能、連接功能為一體的系統(tǒng)。結構是機械產(chǎn)品的基礎，也是系統(tǒng)集成的基礎。設計者在結構視圖中，通過選取已系列化的機電部件以及設計制作適當?shù)脑骷土慵�，圍繞實現(xiàn)主功能，來實現(xiàn)設計的集成化，以及創(chuàng)新的總體結構、部件結構和零件結構。這就要求設計者除了自己能獨立研究工作外，還要不斷跟蹤市場****信息，分析比較不同產(chǎn)品的特點和價格，并運用現(xiàn)代的設計軟件和工具，才能在接到設計任務后，快速反應，設計出價值****的創(chuàng)新產(chǎn)品，達到敏捷制造的要求。在系統(tǒng)方案設計或初步設計階段，結構視圖應表達出以下內(nèi)容：
(1)總體布局圖機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的總體布局與系統(tǒng)的功能、傳動方式、集成工藝等有關，也涉及人機工程、外觀功能等工業(yè)設計因素，還要考慮環(huán)境的約束等。由于機電一體化系統(tǒng)一般是由多個機電一體化部件和單元集成起來的，在總體布局時可以利用三維設計軟件，以利于形象表達及修改比較。
(2)傳動系統(tǒng)圖 用簡圖描述各個運動部件的運動原理、傳動方式、運動的相互關系，具體表明工作原理、運動關系，便于進一步的分析和設計。
(3)特殊結構的原理圖對于在總體布局及傳動系統(tǒng)圖中未表達清楚的、對整個系統(tǒng)功能有較大影響的或有較大創(chuàng)新結構的，應在結構視圖中專門給予描述，以利于進行評價。
4. 3．控制視圖機電一體化系統(tǒng)可以解耦為由信息系統(tǒng)耦合、協(xié)調(diào)起來的若干個機電一體化單元；控制視圖用來描述及設計這些機電一體化單元的原理組成及協(xié)調(diào)控制的方法，同時描述信息系統(tǒng)的組成及接口。在系統(tǒng)的總體設計或方案設計時，控制視圖由以下部分組成：
(1)機電一體化單元對核心的、主要的機電一體化單元，例如：電主軸系統(tǒng)和由伺疆電動機、傳動機構、工作臺及編碼器組成的進給系統(tǒng)是數(shù)控機床的主要機電一體化單元，需要采用框圖、原理結構圖描述其工作原理、組成、控制檢測方法。通過這些描述和分析，明確控制要求、指令形式及連接方法，也為進一步的分析、設計打下基礎。
(2)控制器框圖 機電一體化系統(tǒng)的控制器是由計算機為核心組成的信息系統(tǒng)�？刂破骺驁D應描述控制器的硬件組成、資源配置以及cPu與接日器件、控制器與操作者、控制器與機電一體化單元及機械本體的連接關系，在控制器框圖中可以分析出接口的需求。
控制視圖的核心部分是對控制計算機的功能結構的分析與描述。控制計算機由硬件和軟件組成，在分析時，需要確定硬件和軟件的功能界面，哪些功能由硬件實現(xiàn)****，哪些功能由軟件實現(xiàn)****，即考慮如何從硬、軟件兩方面統(tǒng)一實現(xiàn)一個****的計算機控制系統(tǒng)。因此，需要研究控制器各功能部件(或模塊、接口卡)之間的邏輯關系、指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型和格式、編址和尋址方式、輸入輸出系統(tǒng)連接方式、中斷系統(tǒng)的功能等。分析和設計的主要任務包括需求分析、需求說明、概念性設計、具體設計、優(yōu)化和評價等。
由于信息技術、微電子技術、電力電子技術等的飛速發(fā)展，提供給設計者大量高性能的控制板卡及產(chǎn)品供設計選擇，因此，要求設計人員隨時跟蹤市場****技術，優(yōu)化設計出性價比****的控制系統(tǒng)。
4. 4．信息視圖機電一體化產(chǎn)品和傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的最本質(zhì)區(qū)別就在于機電一體化產(chǎn)品具有信息系統(tǒng)。它能理解操作者發(fā)出的控制命令或信息，并轉(zhuǎn)換成機器運動控制信息。機器對信息的理解和轉(zhuǎn)換的過程深刻地反映了機電一體化系統(tǒng)的工作原理、控制方法和信息功能。信息視圖就是用來描述機電一體化系統(tǒng)中信息流的工具。機電一體化產(chǎn)品中的信息流包括由人機界面輸入的命令轉(zhuǎn)換為對機電一體化基本單元控制輸出的信息流，協(xié)調(diào)各信息變換模塊工作的控制流等。在計算機控制的機電一體化系統(tǒng)中的信息流主要是經(jīng)過軟件變換的數(shù)據(jù)流。因此，信息流的分析又是系統(tǒng)軟件設計的基礎。
信息視圖主要描述機電一體化系統(tǒng)從人機界面上輸入的控制信息是如何一步一步變換成為對機器各執(zhí)行部件的控制信號的輸出的，特別是在計算機中流經(jīng)軟件的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流程圖提供了描述系統(tǒng)內(nèi)信息流特征的圖形方式，它主要描述信息的傳遞與變換。數(shù)據(jù)流程圖在分析時要盡量細化，并確定一些中間信息，但它不是程序框圖，在圖中不需要標出判斷、控制流、循環(huán)以及軟件的過程。
在分析和完善數(shù)據(jù)流的基礎上，研究數(shù)據(jù)流的特點，可以確定軟件的結構。由于數(shù)據(jù)流程圖和軟件的頂層結構有明確的對應關系，完善和細化數(shù)據(jù)流程圖的過程，也就是完善軟件結構圖的過程。在完成了軟件結構的初步設計后，按照軟件工程的方法可以寫出軟件的需求書，進一步完成軟件設計。
在當今信息化的時代，對于機電一體化產(chǎn)品來說，為凸現(xiàn)信息流設計的重要性，信息視圖的提出是必要的。某些機電一體化新產(chǎn)品除了從機械本體上設計信息流，把輸入控制信息變換為機械控制信息的過程之外，作為信息視圖的一部分，還把機械設備的信息流通過網(wǎng)絡與管理層、用戶和有興趣的訪客等聯(lián)系起來，使管理層能實時查詢機械工作情況，進行計劃調(diào)度；用戶可以遠程監(jiān)控，故障排除；有購買意向的訪客可以了解產(chǎn)品的工作性能和狀態(tài)等。如日本Mazak公司新推出的e一410H型臥式加工中心，作為機床的一個部件設計了信息塔(e Tower)。該機床可通過信息塔與工廠計算機管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)加工過程和管理信息的實時交互，還可以擴展完成其他網(wǎng)絡功能。
視圖顯示了設計者的視角，四視圖的概念源于機械制圖的三視圖。三視圖顯示從各個側面去描述機械零件、部件或產(chǎn)品的幾何形狀、相互關系等。由于三視圖描述的是同一個機械對象，三個視圖相互是有關系的。因此，設計者在繪制三視圖時需要統(tǒng)一思考。四視圖可以對復雜的機電一體化系統(tǒng)進行全面地描述和設計。四視圖描述的也是同一個對象，它們的視角不同，但各個視圖之間也是相互聯(lián)系的。例如：在功能設計中就要考慮功能的實現(xiàn)結構，在控制硬件設計時，就需要同時考慮信息處理的方法，在分析信息流時需要考慮信息流的載體。而結構設計與系統(tǒng)的功能、控制方法就有更加密切的關系了。因此，機電一體化系統(tǒng)的設計者應該努力把握全面的相關知識。
四視圖作為視圖，就需要采用圖形方法，以便形象、簡明、準確地表達設計意圖。在機 械、電氣、控制、計算機等設計中已形成完整的圖形規(guī)范和方法，我們可以充分利用這些工具，同時努力創(chuàng)造新的表達方法，以利于采用計算機表達。
在產(chǎn)品的概念設計階段，四視圖是有力的工具。一方面，從功能視圖開始的四視圖設計，有利于創(chuàng)新方案的形成；另一方面，對于一個設計方案，完成本節(jié)上述四視圖的設計要求后，就提供了評價決策的基礎。通過對各種不同方案的四視圖加以評價、比較，可以獲得優(yōu)化的、完整的、正確的設計方案。
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