機電一體化系統(tǒng)功能原理

1、機電一體化系統(tǒng)功能原理    摘要：建立了機電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型，提出了基于接口特征匹配的機電一體化系統(tǒng)功能原理求解典型進程、機電單元功能原理求解與接口匹配并行策略開發(fā)了一個支持電腦刺繡機、多功能縫紉機等機電產(chǎn)品功能原理求解的計算機輔助系統(tǒng)，進行了實例驗證關(guān)鍵詞：接口匹配；機電一體化系統(tǒng)；功能原理求解機電一體化系統(tǒng)是機械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，從某種意義上說，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計歸根結(jié)底就是接口設(shè)計1概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計進程中最富創(chuàng)新性的階段之一，原理方案設(shè)計則是概念設(shè)計的核心，對

2、提高產(chǎn)品性能、降低產(chǎn)品成本有決定性的影響2近年來，國內(nèi)外研制了一些能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的功能原理解的設(shè)計知識目錄或知識庫，探索了單一功能原理解的計算機表達及智能搜索策略，研制了能對單一功能求解的試驗系統(tǒng)口。5但對多學科領(lǐng)域集成的機電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計階段的功能原理求解，尤其是基于接口特征匹配的機電一體化系統(tǒng)功能原理求解的研究卻很少見到報道本文著重探討了基于接口特征匹配的機電一體化系統(tǒng)功能原理求解策略和實現(xiàn)方法1功能原理解的接口特征模型機電一體化系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)或元件構(gòu)成，把能夠?qū)崿F(xiàn)單一功能(功能單元)的子系統(tǒng)或元件稱為機電系統(tǒng)中的機電單元各機電單元之間必須能夠順利進行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換，

3、為此，各單元相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，即接口，大部分機電一體化產(chǎn)品的總功能是通過多個相異和(或)相同分功能或子功能的協(xié)同作用來實現(xiàn)的，稱之為系統(tǒng)功能與各機電單元功能原理求解相比，機電系統(tǒng)功能原理求解除了需要研究每個機電接口特征單元原理解的獨立的功能可行性之外，還需要研究各個單元原理解作為整體的有機組成部分相聯(lián)接時，接口的適配性為解決該問題，本文提出了機電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型(見圖1)作用原理接口特征功能動詞、，功能類別、廠作用對象、，關(guān)聯(lián)對象特征特征特征特征輸入對象特征輸出對象特征作用環(huán)境特征輸入物料、，輸入能力、，輸入信息、輸出物料、，輸出能量、，輸出信息接口特征接口特征接

4、口特征接口特征接口特征接口特征箍纂)人(茬萎)人(差鎣)人(差茬)人(茬鍪)人(茬霾鍪Y華Y待特J特I特征八征八征其、，動、運他I力I動特J特l特征八征八征圖1 機電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型接口特征模型定義了機電一體化系統(tǒng)功能原理解在功能、效應(yīng)、作用原理等不同層面上的接口約束，主要用于從原理解知識庫中搜索可行解，是進行系統(tǒng)級功能原理求解的核心知識2功能原理的求解策略21功能原理求解典型進程機電一體化系統(tǒng)功能原理求解的核心問題是檢驗系統(tǒng)中各單元功能解與其相關(guān)聯(lián)的其他單元功能解的接口的適配性機電系統(tǒng)功能求解過程可以分為2個分過程：具體化、結(jié)構(gòu)化分過程，解決機電單元功能解的可行性問題，即通

5、過功能一效應(yīng)一作用原理映射過程生成作用原理解(即實現(xiàn)給定功能的物理結(jié)構(gòu))；綜合化、集成化和系統(tǒng)化分過程，解決機電單元功能解集成時的接口適配性問題22功能原理求解與接口匹配策略機電一體化系統(tǒng)功能原理求解的前提和基礎(chǔ)是機電單元功能原理的獨立求解，按相關(guān)性次序，分層次地進行相關(guān)部分單元功能解的接口適配性檢驗，及時淘汰在前一層次已經(jīng)不適配的系統(tǒng)解，以減少下一層次的接口適配性檢驗工作設(shè)計學分析表明，機電一體化系統(tǒng)的總功能一般都由目的功能(通常為運動執(zhí)行功能)、驅(qū)動功能、傳動功能、傳感檢測功能、控制功能和輔助功能單元組成嘲，如圖2所示其中，目的功能的解是機電一體化系統(tǒng)功能原理解的核心因此，由初選的一個目的

6、功能解出發(fā)，先配之以可行的驅(qū)動功能解，接著考察在運動執(zhí)行功能解與驅(qū)動功能解之間選配傳動功能解的必要性，并在通常必要的情況下尋找其輸入接口與驅(qū)動功能解適配、輸出接口與運動執(zhí)行功能解適配的傳動功能解在此基礎(chǔ)上，再依次選配合適的傳感檢測功能解、控制功能解和輔助功能解這是一種效率較高，也比較可行的匹配策略23功能原理解接口特征匹配的實現(xiàn)方法機電單元功能求解過程是從功能至效應(yīng)，最終至原理解的具體化和結(jié)構(gòu)化過程在系統(tǒng)級功能原理求解過程中，所謂單元功能解的接口特征實際上包含有功能接口特征、效應(yīng)接口特征和原理接口特征(見圖1)這三者之間不是并列的關(guān)系，后者是前者的具體化和結(jié)構(gòu)化，是前者的物化和實現(xiàn)，因而在內(nèi)涵

7、上存在著嵌套的關(guān)系原理解接口特征在內(nèi)涵上的分層嵌套性質(zhì)體現(xiàn)了接口信息從粗略到詳細的層層相扣的特點，提供了按功能接口、效應(yīng)接口和原理解接口分層先后進行適配性檢驗的可能功能接口特征和效應(yīng)接口特征所包含的信息量相對較少，不必再對其劃分層次但作用原理接口特征包含的信息量很大，有必要再對其細分層次從圖1可以看出，作用原理接口特征包括輸入輸出物料接口、輸入輸出能量接口、輸入輸出信息接口、作用環(huán)境接口7個分特征，它們大致可以被劃分為作用對象層次和關(guān)聯(lián)對象層次作用對象是指直接參與功能實現(xiàn)，構(gòu)成功能的輸入和輸出的對象作用對象還可以細分為主要作用對象和非主要作用對象2個層次，主要作用對象就是通過運動執(zhí)行功能實現(xiàn)轉(zhuǎn)

8、換的對象關(guān)聯(lián)對象是指不直接參與功能實現(xiàn)，而是通過作用對象間接與原理解發(fā)生關(guān)系的對象，這里主要指作用環(huán)境基于以上對作用原理接口特征的層次劃分，作用原理接口特征層面上的逐層次匹配策略為：先進行主要作用對象接口特征匹配，再進行非主要作用對象接口特征匹配，最后進行關(guān)聯(lián)對象接口特征匹配由于關(guān)聯(lián)對象接口特征所包含的接口信息比較簡單，故只討論作用對象接口特征匹配的有關(guān)問題作用對象接口特征包括能量接口特征、物料接口特征、信息接口特征3類能量接口特征可以被劃分為3個層次：效應(yīng)層描述與效應(yīng)直接相關(guān)的接口特征；作用原理層對效應(yīng)層物理量或者對象加以更加詳細描述的其他接口特征；物理實現(xiàn)層描述該原理解的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等物理層面的具體接口特征同樣，物料接口特征、信息接口特征也可以劃分為效應(yīng)層、作用原理層、物理實現(xiàn)層3個層次基于以上對作用對象接口特征的層次劃分，作用對象接口特征匹配策略為：效應(yīng)層接口特征匹配一作用原理層接口特征匹配一物理實現(xiàn)層接口特征匹配3 應(yīng)用實例基于以上思想，筆者開發(fā)了一個支持電腦刺繡機等機電產(chǎn)品功能求解的計算機輔助原理方案設(shè)計原型