機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)(第章)

機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)

（機(jī)電液一體化技術(shù)及應(yīng)用）

——機(jī)械電子工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)

學(xué)術(shù)型、專(zhuān)業(yè)型碩士選修課程浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院鄭堤2014年春季課程簡(jiǎn)介課程編號(hào)：無(wú)課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)選修課學(xué)時(shí)：36學(xué)分：2適用專(zhuān)業(yè)：機(jī)械電子工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化教學(xué)方式：課堂講授為主，討論+自學(xué)為輔考核方式：考查寧波大學(xué)工學(xué)院鄭堤3教學(xué)目的本課程是機(jī)械電子工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)碩士研究生的專(zhuān)業(yè)選修課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生全面了解機(jī)械電子工程的內(nèi)涵、地位、發(fā)展與應(yīng)用前景等，掌握機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的總體及各功能的設(shè)計(jì)分析方法，并重點(diǎn)掌握檢測(cè)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法，具備分析、設(shè)計(jì)、研究機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的能力，為畢業(yè)后從事專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。課程簡(jiǎn)介第一章概論；第二章系統(tǒng)總體技術(shù)第三章機(jī)械、接口、檢測(cè)、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析第四章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第五章機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)例分析課程內(nèi)容主要參考書(shū)鄭堤等.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，1997王孫安等.機(jī)械電子工程.科學(xué)出版社，2003張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).高等教育出版社，2001機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1994戎月莉編著.計(jì)算機(jī)模糊控制原理及應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社，1995第一章：概論第一節(jié)機(jī)電一體化基本概念第二節(jié)機(jī)電一體化發(fā)展概況第三節(jié)機(jī)電一體化產(chǎn)品構(gòu)成第四節(jié)機(jī)電一體化產(chǎn)品分類(lèi)第五節(jié)機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)第六節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)第一節(jié)機(jī)電一體化基本概念以機(jī)、電為主，多門(mén)技術(shù)學(xué)科相互滲透、融合過(guò)程中，逐漸形成并發(fā)展起來(lái)的新興邊緣技術(shù)學(xué)科。英文名稱(chēng)：Mechatronics=Mechanical+Electronics；最早出現(xiàn)在1971年，在日本《機(jī)械設(shè)計(jì)》雜志副刊上，目前已在世界范圍內(nèi)得到普遍承認(rèn)和接受。機(jī)械電子學(xué)；Electro-mechanics（北美）；Mechatronics

（InternationalJournal，荷蘭）；IEEE/ASMEAIM20xx;IEEEICMA20xx。(AIM:AdvancedIntelligentMechatronics)機(jī)電一體化乃是在機(jī)械的主功能、動(dòng)力功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱(chēng)?！毡緳C(jī)械振興協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)研究所，1983年3月。共同點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)以機(jī)為主，機(jī)電結(jié)合。機(jī)電一體化是一種嶄新的學(xué)術(shù)思想：凡是由各種現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)械和電子技術(shù)相互融合而形成的各種技術(shù)、產(chǎn)品，都應(yīng)屬于機(jī)電一體化范疇——機(jī)電液、機(jī)電光、機(jī)電信、機(jī)電儀一體化。機(jī)電一體化是一個(gè)綜合的概念：產(chǎn)品、技術(shù)兩方面內(nèi)容。機(jī)電一體化產(chǎn)品屬高新技術(shù)產(chǎn)品。機(jī)電一體化技術(shù)屬高新技術(shù)，是建立在機(jī)械、微電子、計(jì)算機(jī)和信息處理、自動(dòng)控制、檢測(cè)與傳感、電力電子、伺服驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)總體等現(xiàn)代高新技術(shù)群體基礎(chǔ)之上的一種高新技術(shù)。但機(jī)電一體化技術(shù)不是現(xiàn)代尖端技術(shù)。突出特點(diǎn)：在機(jī)械產(chǎn)品中注入了過(guò)去所沒(méi)有的新技術(shù)，把電子器件的信號(hào)檢測(cè)與信息處理、自動(dòng)控制等功能“揉和”到機(jī)械裝置中去，從而獲得過(guò)去單靠某一種技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和效果。重要實(shí)質(zhì)：應(yīng)用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法來(lái)分析和研究機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)，綜合運(yùn)用各種現(xiàn)代高新技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，通過(guò)各種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部的合理匹配，外部的整體效能最佳。機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)附加值隨機(jī)電結(jié)合程度的加深而提高，如圖1-1所示。單純機(jī)械技術(shù)的附加值含量越來(lái)越少，微電子技術(shù)的附加值含量卻越來(lái)越多。機(jī)械技術(shù)只有同微電子技術(shù)相結(jié)合，傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品只有向機(jī)電一體化產(chǎn)品方向發(fā)展，才是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的唯一出路。圖1-1產(chǎn)品技術(shù)附加值與技術(shù)構(gòu)成比例的發(fā)展情況

第二節(jié)機(jī)電一體化發(fā)展概況經(jīng)歷了較長(zhǎng)期的自然產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。機(jī)電一體化這一概念出現(xiàn)之前：電子工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)通信電臺(tái)的自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)、雷達(dá)伺服系統(tǒng)等；機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等；70年代初，日本人對(duì)機(jī)電一體化的長(zhǎng)期實(shí)踐和最新研究與應(yīng)用成果加以系統(tǒng)地概括和總結(jié)，形成了一個(gè)比較完整的機(jī)電一體化概念和技術(shù)體系。（科學(xué)發(fā)展觀）目前，由于機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)與信息處理、自動(dòng)控制、檢測(cè)與傳感、伺服驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電結(jié)合的形式更加靈活，內(nèi)容更加豐富，應(yīng)用更加廣泛。機(jī)電一體化產(chǎn)品已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常工作、生活的各個(gè)領(lǐng)域。

電冰箱、全自動(dòng)洗衣機(jī)、攝像機(jī)等家用電器；激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀等辦公自動(dòng)化設(shè)備；腦CT、核磁共振成象診斷儀、纖維光束內(nèi)窺鏡等醫(yī)療器械；數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等機(jī)械制造設(shè)備；以及由微機(jī)控制正時(shí)點(diǎn)火、燃油噴射、排氣凈化等的交通運(yùn)輸設(shè)備；．．．．．．機(jī)電一體化的目的：使產(chǎn)品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同時(shí)又能省材料、省能源，并使產(chǎn)品向輕、薄、細(xì)、小、巧的方向發(fā)展，以不斷滿足人們生活的多樣化要求和生產(chǎn)的省力化、自動(dòng)化需求，實(shí)現(xiàn)以往無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能或性能（極端環(huán)境下運(yùn)行）。機(jī)電一體化通過(guò)綜合利用現(xiàn)代高新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，在提高精度、增強(qiáng)功能、改善操作性和使用性、提高生產(chǎn)率和降低成本、節(jié)約能源和降低消耗、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和改善勞動(dòng)條件、提高安全性和可靠性、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和減輕重量、增強(qiáng)柔性和智能化程度、提高產(chǎn)品性?xún)r(jià)比等諸多方面都取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在當(dāng)前激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，機(jī)電一體化具有舉足輕重的作用，其發(fā)展水平在很大程度上反映了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力和社會(huì)進(jìn)步程度。

在2000年10月黨的十五屆五中全會(huì)上通過(guò)的《關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃的建議》中明確提出：“要大力振興裝備制造業(yè)，依托重點(diǎn)技術(shù)改造和重大工程項(xiàng)目，提高設(shè)計(jì)和制造水平，推進(jìn)機(jī)電一體化，為各行業(yè)提供先進(jìn)和成套的技術(shù)裝備”。

在2012年7月印發(fā)的《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，將高端裝備制造產(chǎn)業(yè)列入重點(diǎn)培育發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，并將航空裝備、衛(wèi)星及應(yīng)用、軌道交通裝備、海洋工程裝備、智能制造裝備等列入重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，為機(jī)電一體化的研究與應(yīng)用創(chuàng)造了極其廣闊的未來(lái)發(fā)展空間。

機(jī)電一體化的發(fā)展為我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)的經(jīng)濟(jì)騰飛做出了重要的貢獻(xiàn)。目前在全球市場(chǎng)上，我國(guó)已成為第一大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品出口國(guó)，第一大機(jī)電產(chǎn)品出口國(guó)，第一大數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，第一大汽車(chē)生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，并于2010年在世界經(jīng)濟(jì)總量排序中躍居第二位，這其中機(jī)電一體化技術(shù)的支撐作用功不可沒(méi)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類(lèi)認(rèn)知和探索的范圍在不斷拓寬，人類(lèi)的觸角正在向極大與極小、極高與極低等極端環(huán)境下延伸。探索宇宙需要航天飛機(jī)，探索微觀世界需要微納機(jī)械，航天飛機(jī)和微納機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造和使用均以機(jī)電一體化作為重要的基礎(chǔ)技術(shù)。因此，大到太空和小到納米世界的探索、開(kāi)發(fā)和利用均離不開(kāi)機(jī)電一體化。嫦娥三號(hào)登月探測(cè)器=著陸器+玉兔號(hào)月球車(chē)嫦娥三號(hào)登月探測(cè)器玉兔號(hào)月球車(chē)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展迫切需要大量掌握機(jī)電一體化技術(shù)的人才去改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和科學(xué)發(fā)展；去研究和開(kāi)發(fā)新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，以進(jìn)一步提升出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，保持國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，趕超國(guó)際先進(jìn)水平。（機(jī)器換人工程）機(jī)電一體化的發(fā)展已經(jīng)顯著地改變了傳統(tǒng)的技術(shù)思想、生產(chǎn)方式和方法以及傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域甚至社會(huì)各個(gè)方面都因此而發(fā)生了深刻的變革。機(jī)電一體化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，已成為21世紀(jì)的主流技術(shù)之一，是我國(guó)從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，從制造大國(guó)發(fā)展成為制造強(qiáng)國(guó)，全面建成小康社會(huì)所必須依賴(lài)的重要技術(shù)。

第三節(jié)機(jī)電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成一、功能構(gòu)成輸入處理輸出目的功能：滿足人們某種需要的功能。內(nèi)部功能：實(shí)現(xiàn)目的功能的產(chǎn)品自身功能構(gòu)成主功能動(dòng)力功能計(jì)測(cè)功能控制功能構(gòu)造功能主功能構(gòu)造功能動(dòng)力功能計(jì)測(cè)功能控制功能與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，機(jī)電一體化產(chǎn)品功能更齊全，實(shí)現(xiàn)各功能的形式更靈活，手段更高明，技術(shù)更先進(jìn)，效果更好。二、機(jī)電一體化基本結(jié)構(gòu)要素人體是機(jī)電一體化發(fā)展的藍(lán)本：在自然環(huán)境中經(jīng)歷了長(zhǎng)期進(jìn)化；人體五大要素的匹配與協(xié)調(diào)是一種盡善盡美的體現(xiàn)。機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成要素與功能機(jī)械本體 構(gòu)造功能；動(dòng)力源 動(dòng)力功能；檢測(cè)與傳感裝置 計(jì)測(cè)功能；控制與信息處理裝置 控制功能；執(zhí)行機(jī)構(gòu) 操作功能/主功能。機(jī)電一體化產(chǎn)品的五個(gè)基本組成要素之間并非彼此無(wú)關(guān)或簡(jiǎn)單拼湊、疊加在一起，工作中它們各司其職，互相補(bǔ)充、互相協(xié)調(diào)，共同完成所規(guī)定的目的功能。在結(jié)構(gòu)上，各組成要素通過(guò)各種接口及相關(guān)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)內(nèi)部合理匹配、外部效能最佳的完整產(chǎn)品。第四節(jié)機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類(lèi)按照機(jī)電結(jié)合程度和形式的不同，機(jī)電一體化產(chǎn)品可劃分為三類(lèi)：功能附加型：在原有機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上，采用微電子技術(shù)，使產(chǎn)品功能增加和增強(qiáng)，性能得到適當(dāng)?shù)奶岣撸ㄈ缃?jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、電子秤、數(shù)顯量具、全自動(dòng)洗衣機(jī)等）。功能替代型：采用微電子技術(shù)及裝置取代原產(chǎn)品中的機(jī)械控制功能、信息處理功能甚至主功能，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，性能提高，柔性增加（如自動(dòng)照相機(jī)、電子石英鐘、線切割加工機(jī)床等）。機(jī)電融合型：是機(jī)與電在更深層次上有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)品，其根據(jù)產(chǎn)品的功能和性能要求及技術(shù)規(guī)范，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的或具有特定用途的集成電路和計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品中的控制和信息處理等功能，因而使產(chǎn)品功能更加強(qiáng)大、性能更加優(yōu)越、結(jié)構(gòu)更加緊湊、設(shè)計(jì)更加靈活、成本進(jìn)一步降低（如傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、攝象機(jī)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、CNC數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等）。按照其服務(wù)領(lǐng)域和對(duì)象的不同來(lái)分類(lèi)，其分類(lèi)概況如表1-1。分類(lèi)具體對(duì)象舉例生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品CNC機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，無(wú)人搬運(yùn)車(chē)，F(xiàn)MS，CIMS等運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品微機(jī)控制汽車(chē)、機(jī)車(chē)等交通運(yùn)輸機(jī)具，數(shù)控包裝機(jī)，數(shù)控運(yùn)輸機(jī)，數(shù)控挖掘機(jī)等儲(chǔ)存、銷(xiāo)售用機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，自動(dòng)空調(diào)與制冷系統(tǒng)，自動(dòng)秤量、分選、銷(xiāo)售及現(xiàn)金處理系統(tǒng)等社會(huì)服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)化辦公設(shè)備，動(dòng)力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動(dòng)化設(shè)施，文教、體育、娛樂(lè)用機(jī)電一體化產(chǎn)品等家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品，炊事自動(dòng)化設(shè)備，家庭用信息、服務(wù)設(shè)備等；智能家居科研及過(guò)程控制用機(jī)電一體化產(chǎn)品微機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)，自動(dòng)化測(cè)試儀器及設(shè)備，自動(dòng)化控制儀表，微機(jī)信息處理系統(tǒng)等航空、航天、國(guó)防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品飛機(jī)、衛(wèi)星、航天飛機(jī)等航空、航天設(shè)備，雷達(dá)、衛(wèi)星地面接收站，自瞄火炮、導(dǎo)彈、激光武器等其它機(jī)電一體化產(chǎn)品自動(dòng)化糧食加工、木材加工設(shè)備，自動(dòng)化畜、禽飼養(yǎng)設(shè)施，微機(jī)控制耕耘、收割機(jī)械等智慧城市機(jī)械制造生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)電一體化技術(shù)或產(chǎn)品

生產(chǎn)環(huán)節(jié)機(jī)電一體化技術(shù)或產(chǎn)品產(chǎn)品設(shè)計(jì)CAD及其專(zhuān)家系統(tǒng)，PDM工藝設(shè)計(jì)成組技術(shù)、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、CAPP工藝裝備N(xiāo)C、CNC、DNC、工業(yè)機(jī)器人、FMS、CIMS等工藝實(shí)施CAM及其專(zhuān)家系統(tǒng)等產(chǎn)品檢驗(yàn)CAT、CMM及虛擬儀器、智能化儀表、量?jī)x等生產(chǎn)管理與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)ERP、MIS、CRM（客戶(hù)關(guān)系管理系統(tǒng)）等第五節(jié)

機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)

共性關(guān)鍵技術(shù)：共同涉及的、必須的、核心的技術(shù)。機(jī)械技術(shù)：機(jī)電一體化的基礎(chǔ)技術(shù)；實(shí)現(xiàn)主功能和構(gòu)造功能的主體；新材料、新工藝、新原理、新機(jī)構(gòu)等不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法不斷發(fā)展和完善，以滿足機(jī)電一體化產(chǎn)品對(duì)減輕重量、縮小體積、提高精度和剛度、改善性能等多方面的要求。

計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)：信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等，實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)；在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)與信息處理裝置指揮整個(gè)產(chǎn)品的運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)控制功能；是促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的最活躍的因素。

檢測(cè)與傳感技術(shù)：主要實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能；主要研究對(duì)象是傳感器及其信號(hào)檢測(cè)裝置；機(jī)電一體化要求傳感器能快速、精確地獲取信息并經(jīng)受各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)；目前檢測(cè)與傳感技術(shù)還不能與機(jī)電一體化的發(fā)展相適應(yīng)；大力開(kāi)展檢測(cè)與傳感技術(shù)的研究對(duì)發(fā)展機(jī)電一體化具有十分重要的意義。自動(dòng)控制技術(shù)：包括自動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等從理論到實(shí)踐的整個(gè)過(guò)程；難點(diǎn)在于自動(dòng)控制理論的工程化與實(shí)用化，這是由于現(xiàn)實(shí)世界中的被控對(duì)象往往與理論上的控制模型之間存在較大差異，使得從控制設(shè)計(jì)到控制實(shí)施往往要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)調(diào)試與修改，才能獲得比較滿意的結(jié)果。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)：主要實(shí)現(xiàn)操作功能或主功能；主要研究對(duì)象是執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置；執(zhí)行元件一方面通過(guò)電氣接口向上與微型機(jī)相聯(lián)，以接受微型機(jī)的控制指令，另一方面又通過(guò)機(jī)械接口向下與機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作；是直接執(zhí)行操作的技術(shù)，對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、控制質(zhì)量等具有決定性的影響。系統(tǒng)總體技術(shù)：從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)總體分解成相互有機(jī)聯(lián)系的若干功能單元，并以功能單元為子系統(tǒng)繼續(xù)分解，直至找到可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，然后再把功能和技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)選；系統(tǒng)總體技術(shù)是最能體現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的技術(shù)，其原理和方法還在不斷發(fā)展和完善。

第六節(jié)

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)

按機(jī)電一體化思想、原理和方法進(jìn)行的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。突出體現(xiàn)在兩個(gè)方面：當(dāng)產(chǎn)品的某一功能單靠某一種技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須進(jìn)行機(jī)械與電子及其它多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)；（如機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及其控制）當(dāng)產(chǎn)品某一功能的實(shí)現(xiàn)有多種可行的技術(shù)方案時(shí)，也必須應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)各種技術(shù)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，在充分考慮同其它功能單元的聯(lián)接與匹配的條件下，選擇最優(yōu)的技術(shù)方案。（如濾波器）互補(bǔ)性：在某些情況下，產(chǎn)品的功能必須通過(guò)機(jī)電配合才能實(shí)現(xiàn)，這時(shí)兩種技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充的，具有互補(bǔ)性。如機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及其控制，僅靠電子裝置或機(jī)構(gòu)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只有兩者結(jié)合起來(lái)，并充分考慮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性與控制裝置硬、軟件控制性能之間的相互影響和相互補(bǔ)充，才能獲得最佳的實(shí)現(xiàn)方案。等效性：當(dāng)多種可行的技術(shù)方案同時(shí)存在時(shí)，說(shuō)明在實(shí)現(xiàn)具體功能上它們具有等效性。如在機(jī)床上加工螺紋或齒輪時(shí)，工件運(yùn)動(dòng)與刀具運(yùn)動(dòng)之間的內(nèi)聯(lián)系可以通過(guò)機(jī)械方案實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)電氣方案實(shí)現(xiàn)。然而等效并非等價(jià)，誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣，需要通過(guò)評(píng)價(jià)才能知道。可比性：不同的技術(shù)方案往往具有不同的參量，評(píng)價(jià)時(shí)需選擇具有相同量綱的性能指標(biāo)(如成本、可靠性、精度等)，或引入新的參量（如時(shí)間、無(wú)量綱參數(shù)等）將不同的參量聯(lián)系起來(lái)，以保證各種技術(shù)方案之間具有可比性。

機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三種類(lèi)型：開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)：從無(wú)到有的創(chuàng)造過(guò)程，是在沒(méi)有任何樣板可供參照的情況下，根據(jù)功能和性能要求，按照機(jī)電一體化設(shè)計(jì)原理，為滿足市場(chǎng)需求所進(jìn)行的設(shè)計(jì)；要求設(shè)計(jì)者具備敏銳的市場(chǎng)洞察力、豐富的想象力和廣博而扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。適應(yīng)性設(shè)計(jì)：在原有產(chǎn)品總的方案原理基本不變的情況下，對(duì)產(chǎn)品的某些局部加以變動(dòng)或改進(jìn)，以增加功能、提高性能和質(zhì)量或降低成本為目的所進(jìn)行的設(shè)計(jì)；要求設(shè)計(jì)者對(duì)原有產(chǎn)品及相關(guān)的市場(chǎng)需求變化和技術(shù)進(jìn)步有充分的了解和掌握。變異性設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過(guò)改變尺寸、速度、力或功率等參數(shù)，以滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品規(guī)格方面的需求所進(jìn)行的系列化設(shè)計(jì)；注意采取措施防止因參數(shù)變化可能對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生的影響。

原始創(chuàng)新機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的一般性原則：在保證產(chǎn)品目的功能、性能和使用壽命的前提下，盡量降低成本。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分分析用戶(hù)要求的基礎(chǔ)上，努力以最新的技術(shù)手段，最廉價(jià)的材料或元器件、最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、最低的材料與能量消耗，向用戶(hù)提供最滿意的產(chǎn)品。產(chǎn)品功能的多少或強(qiáng)弱，往往與其復(fù)雜程度和功能成本直接相關(guān)。產(chǎn)品的操作性能與其功能的多少也有直接關(guān)系。一般來(lái)講，功能越多、越齊全，操作就越復(fù)雜，操作性能與可靠性就越差，也越容易引起操作者的不滿，因此在進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意通過(guò)軟件來(lái)改善產(chǎn)品的操作性能，使機(jī)電一體化產(chǎn)品在向多功能化方向發(fā)展的同時(shí)，也向智能化和“傻瓜化”方向發(fā)展。

思考題為什么說(shuō)機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)是“整體結(jié)構(gòu)最佳化，系統(tǒng)控制智能化，操作性能柔性化”的產(chǎn)品？等效性、互補(bǔ)性、可比性分析對(duì)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)有何意義？試深入分析產(chǎn)品功能與可靠性、易操作性的關(guān)系。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第一節(jié)概述第二節(jié)性能指標(biāo)分析第三節(jié)功能及性能指標(biāo)分配第四節(jié)定量電子稱(chēng)總體設(shè)計(jì)舉例第一節(jié)概述機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)是應(yīng)用系統(tǒng)總體技術(shù)，從整體目標(biāo)出發(fā)，綜合分析產(chǎn)品的功能和性能要求及各機(jī)、電組成單元的特性，選擇最合理的單元組合方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。一方面，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)規(guī)律要求產(chǎn)品不僅具有高性能，而且要有低價(jià)格，這就給產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提出了越來(lái)越高的要求。（商品與軍品）另一方面，種類(lèi)繁多、性能各異的集成電路、傳感器和新材料等，給機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了眾多的可選方案，使設(shè)計(jì)工作具有更大的靈活性。（但同時(shí)也帶來(lái)更大難度）如何充分利用這些條件，制定出高性能價(jià)格比的總體技術(shù)方案，開(kāi)發(fā)出具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

一、總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（一）技術(shù)資料準(zhǔn)備搜集國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，了解現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的水平和趨勢(shì)，確定產(chǎn)品技術(shù)構(gòu)成。了解產(chǎn)品的功能、性能要求，使用對(duì)象等，確定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。了解生產(chǎn)單位的各方面條件，確定產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)方案。

（二）性能指標(biāo)確定功能性指標(biāo)：包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)、尺寸參數(shù)、品質(zhì)指標(biāo)等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能所必需的技術(shù)指標(biāo)。

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：包括成本指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、工藝性指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)、美學(xué)指標(biāo)等關(guān)系到產(chǎn)品能否進(jìn)人市場(chǎng)并成為商品的技術(shù)指標(biāo)。

安全性指標(biāo)：包括操作指標(biāo)、自身保護(hù)指標(biāo)和人員安全指標(biāo)等保證產(chǎn)品在使用過(guò)程中不致因誤操作或偶然故障而引起產(chǎn)品損壞或人身事故方而的技術(shù)指標(biāo)。

（三）總體方案擬定總體方案擬定是機(jī)電一體化總體設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)性?xún)?nèi)容，要求充分發(fā)揮機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的靈活性，根據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求、企業(yè)實(shí)際能力及所掌握的資料和技術(shù)，擬定出綜合性能最好的總體方案。

性能指標(biāo)分析：找出設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。預(yù)選各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)：列出各種可行的功能和結(jié)構(gòu)方案。整體評(píng)價(jià)：采用優(yōu)化方法選擇最佳或較佳方案。

二、產(chǎn)品的使用要求與性能指標(biāo)

產(chǎn)品的使用要求：包括功能性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面的要求；技術(shù)方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)和依據(jù)；市場(chǎng)導(dǎo)向型產(chǎn)品的使用要求是在對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)研究和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，由開(kāi)發(fā)者決策確定的；非標(biāo)專(zhuān)用設(shè)備的使用要求則由用戶(hù)直接提供。產(chǎn)品的性能指標(biāo)：保證產(chǎn)品滿足規(guī)定的使用要求的定量的專(zhuān)業(yè)技術(shù)條款；采用規(guī)定的技術(shù)術(shù)語(yǔ)表述形式；根據(jù)使用要求并結(jié)合生產(chǎn)者的設(shè)計(jì)和制造能力來(lái)合理確定。（一）功能性要求要求產(chǎn)品在預(yù)定的壽命期間內(nèi)有效地實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的全部功能和性能。常用功能范圍、精度、可靠性、維修性指標(biāo)來(lái)描述。1、功能范圍：任何產(chǎn)品所能實(shí)現(xiàn)的功能都有—定范圍（打印機(jī)，照相機(jī)）。功能范圍窄結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)周期短成本低；但由于適用范圍窄市場(chǎng)覆蓋面小產(chǎn)品批量小單臺(tái)成本增加。

確定產(chǎn)品功能范圍應(yīng)考慮的因素：①用戶(hù)的使用要求；②對(duì)生產(chǎn)者在經(jīng)濟(jì)上的合理性；③市場(chǎng)環(huán)境；④技術(shù)難度；⑤生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)力等。如能獲得市場(chǎng)需求與功能范圍之間的關(guān)系，可以采用優(yōu)化方法對(duì)功能范圍的確定做出最優(yōu)決策。

功能范圍市場(chǎng)需求功能范圍成本2、精度指標(biāo)：產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)其規(guī)定功能的準(zhǔn)確程度；衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。一般情況下：精度↑→成本↑→價(jià)格↑→銷(xiāo)量↓。精度↓→成本↓→價(jià)格↓→銷(xiāo)量↑。精度↑→使用范圍↑→銷(xiāo)量↑。精度指標(biāo)確定是一個(gè)多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題，需要在確定了精度與成本、價(jià)格與銷(xiāo)量?jī)蓚€(gè)基本函數(shù)關(guān)系后，才可進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，做出最優(yōu)決策。成本精度/價(jià)格銷(xiāo)量精度3、可靠性指標(biāo)產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

規(guī)定的條件：工作條件、環(huán)境條件和儲(chǔ)存條件；規(guī)定的時(shí)間：產(chǎn)品使用壽命期或平均故障間隔時(shí)間；完成規(guī)定的功能：指不發(fā)生破壞性失效或性能指標(biāo)下降性失效。產(chǎn)品零、部件或元、器件的可靠性對(duì)整機(jī)可靠性的影響是“與”的關(guān)系。（可靠性匹配問(wèn)題）可靠性指標(biāo)對(duì)成本、價(jià)格和銷(xiāo)量的影響與精度指標(biāo)類(lèi)似，也需要在確定了可靠性與成本、價(jià)格與銷(xiāo)量?jī)蓚€(gè)基本函數(shù)關(guān)系后，才能對(duì)可靠性指標(biāo)作出最優(yōu)決策。

產(chǎn)品可靠性的增高使得“規(guī)定的時(shí)間”超過(guò)產(chǎn)品市場(chǎng)壽命期(即產(chǎn)品更新?lián)Q代周期)時(shí)，繼續(xù)提高可靠性是沒(méi)有意義的。

4、維修性指標(biāo)維修是保證產(chǎn)品有效運(yùn)行，完成其規(guī)定功能的重要手段。預(yù)防性維修：當(dāng)系統(tǒng)工作一定時(shí)間后，但尚未失效時(shí)所進(jìn)行的檢修。修復(fù)性維修：在規(guī)定的工作期內(nèi)因出現(xiàn)失效而進(jìn)行的搶修。預(yù)防性維修所花的代價(jià)(如費(fèi)用、時(shí)間等)一般小于修復(fù)性維修所花的代價(jià)。把預(yù)計(jì)維修周期較短的局部或環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)成易于查找故障、便于拆裝等便于維修的結(jié)構(gòu)。維修性指標(biāo)一般不會(huì)增加成本，不受其它要求的影響，因此可按充分滿足維修性要求來(lái)確定，并依據(jù)維修性指標(biāo)來(lái)確定最合理的總體結(jié)構(gòu)方案。

(二)經(jīng)濟(jì)性要求

用戶(hù)對(duì)獲得具有所需功能和性能的產(chǎn)品所需付出的費(fèi)用方面的要求。

1．購(gòu)置費(fèi)用

影響購(gòu)置費(fèi)用的最主要因素是生產(chǎn)成本。在降低生產(chǎn)成本這一點(diǎn)上，生產(chǎn)者與用戶(hù)的利益是一致的，因此成本指標(biāo)不象功能性指標(biāo)那樣存在最佳值，而是在滿足功能性要求和安全性要求的前提下，成本越低越好。一般按價(jià)格和銷(xiāo)量關(guān)系定出上限，作為衡量設(shè)計(jì)是否滿足經(jīng)濟(jì)性要求的準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)階段降低成本的主要方法：避免“大才小用”、“大馬拉小車(chē)”。盡可能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。選用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新元件和新器件。

2．使用費(fèi)用

包括運(yùn)行費(fèi)用和維修費(fèi)用。在產(chǎn)品使用過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般采取下述措施來(lái)降低使用費(fèi)用：提高產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，以提高生產(chǎn)率，減少管理費(fèi)用及勞務(wù)開(kāi)支等。（機(jī)器換人）選用效率高的機(jī)構(gòu)、功率電路或電器，以減少動(dòng)力或燃料等的消耗。合理確定維修周期，以降低維護(hù)費(fèi)用。

(三)安全性要求

包括對(duì)人身安全的要求和對(duì)產(chǎn)品安全的要求。

不因各種原因(如誤操作等)而危及操作者或周?chē)渌藛T的人身安全。設(shè)置安全檢測(cè)和防護(hù)裝置。

產(chǎn)品外表及殼罩等應(yīng)倒角去毛刺。

在危險(xiǎn)部位或區(qū)域設(shè)置警告性提示燈或安全標(biāo)語(yǔ)。

電氣連線應(yīng)埋于地下或架在高空，并用鋼管加以保護(hù)。不因各種原因(如偶然故障等)而導(dǎo)致產(chǎn)品被損壞甚至永久性失效。設(shè)置各種保護(hù)電器，如熔斷器、熱繼電器等。

安裝限位裝置、故障報(bào)警裝置和急停裝置等。

采用狀態(tài)檢測(cè)及互鎖等方法防止因誤操作等所帶來(lái)的危害。

1981年7月4日清晨5點(diǎn)，日本兵庫(kù)縣川崎重工公司的汽車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)車(chē)間，一臺(tái)機(jī)械發(fā)生了故障,修理工酒田寬二前去修理。當(dāng)他完工后,正準(zhǔn)備接通電源試一試剛修好的機(jī)器，慘案發(fā)生了：一個(gè)部分電路發(fā)生故障的機(jī)器人突然用兩只鐵手從酒田寬二的背后緊緊地抓住他，并把他放入工作機(jī)器中活活壓死。第二天，日本各大報(bào)刊以頭版頭條消息刊登出“日本第一次機(jī)器人殺人事件”。人們被這突如其來(lái)的事件震驚了，對(duì)被人們稱(chēng)作“解放人類(lèi)的工具”的機(jī)器人產(chǎn)生一種巨大的恐懼。第二節(jié)性能指標(biāo)分析在產(chǎn)品的性能指標(biāo)確定之后，設(shè)計(jì)工作的主要任務(wù)是選擇和設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)來(lái)滿足這些指標(biāo)。機(jī)電一體化產(chǎn)品中某些性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要采用機(jī)械、電子等多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，將產(chǎn)品整體功能分解成功能單元或子功能單元，以確定哪些功能單元采用機(jī)械技術(shù)實(shí)現(xiàn)，哪些采用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，哪些必須采用機(jī)、電兩種技術(shù)綜合實(shí)現(xiàn)，并將性能指標(biāo)合理分配到各功能單元，從而保證以最佳的結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的總體性能指標(biāo)。一、性能指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)方法的影響按使用要求劃分功能性指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)安全性指標(biāo)從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度劃分特征指標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)尋常指標(biāo)不同的性能指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)的限定作用也不同。

特征指標(biāo)是決定產(chǎn)品功能和基本性能的指標(biāo)，是設(shè)計(jì)中必須設(shè)法達(dá)到并且不必顯著超出的指標(biāo)。特征指標(biāo)可以是工作范圍、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)、精度等指標(biāo)，也可以是整機(jī)的可靠性指標(biāo)等。特征指標(biāo)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中起約束條件的作用。

優(yōu)化指標(biāo)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中用來(lái)進(jìn)行方案對(duì)比的評(píng)價(jià)指標(biāo)。優(yōu)化指標(biāo)一般不象特征指標(biāo)那樣“達(dá)到即可”，而是在一定范圍盡可能取優(yōu)。設(shè)計(jì)中常被選作優(yōu)化指標(biāo)的有生產(chǎn)成本、可靠度等。尋常指標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中作為常規(guī)要求的一類(lèi)指標(biāo)，一般不定量描述。工藝性指標(biāo)、人機(jī)接口指標(biāo)(如宜人化操作等方而的要求)、美學(xué)指標(biāo)、安全性指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)等，通常都作為尋常指標(biāo)尋常指標(biāo)一般不參與優(yōu)化設(shè)計(jì)，只須采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法來(lái)保證。一般來(lái)講，尋常指標(biāo)有較為固定的范疇，而特征指標(biāo)和優(yōu)化指標(biāo)的選定則應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行。一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的特征指標(biāo)可能是另一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)化指標(biāo)，兩者可在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。某些指標(biāo)在要求較為嚴(yán)格，必須經(jīng)過(guò)周密設(shè)計(jì)才能達(dá)到時(shí)，應(yīng)選為特征指標(biāo)，而在要求較為寬松的情況下，則可選為優(yōu)化指標(biāo)。在產(chǎn)品可靠性要求很高的情況下(如航空航天設(shè)備等，天宮X號(hào))，必須采用可靠性設(shè)計(jì)方法，把產(chǎn)品的可靠度作為特征指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格地限定所有零、部件和元、器件的失效率，才能保證產(chǎn)品的可靠性要求。但是，在可靠性無(wú)明顯要求或要求較低的情況下(如兒童玩具等)，可將可靠度作為優(yōu)化指標(biāo)，在達(dá)到各特征指標(biāo)要求的前提下，選擇可靠度較高的方案。

二、機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件和方法

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)比單一門(mén)類(lèi)的設(shè)計(jì)有更多的可選擇性和設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)槟承┕δ芗瓤梢圆捎脵C(jī)械方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用電子硬件或軟件方案來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢曰ハ嗵娲臋C(jī)械、電子硬件或軟件方案必然在某個(gè)層次上可實(shí)現(xiàn)相同的功能，因而稱(chēng)這些方案在實(shí)現(xiàn)某種功能上具有等效性，這種等效性是可以進(jìn)行機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的充分條件之一。

產(chǎn)品各組成環(huán)節(jié)的特性是相互關(guān)聯(lián)的，而且共同影響系統(tǒng)的性能，這種機(jī)、電環(huán)節(jié)互相關(guān)聯(lián)、相輔相成的互補(bǔ)特性，是機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一充分條件。

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，除了包含有機(jī)械和電子環(huán)節(jié)外，還可能具有涉及其它學(xué)科技術(shù)的環(huán)節(jié)，比如化學(xué)的、光學(xué)的環(huán)節(jié)等，對(duì)于這樣涉及多種學(xué)科技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，難以獲得一種通用的統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法。目前，多采用多方案優(yōu)化的方法來(lái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，即在滿足約束條件(特征指標(biāo))的前提下，采用不同原理及不同品質(zhì)的組成環(huán)節(jié)構(gòu)成多種可行方案，用優(yōu)化指標(biāo)對(duì)這些方案進(jìn)行比較、優(yōu)選，從而獲得滿足特征指標(biāo)要求，且優(yōu)化指標(biāo)最合理的總體設(shè)計(jì)方案。

列出可行方案這一步工作是創(chuàng)造性很強(qiáng)的工作，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分了解可能涉及的各學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)及其最新進(jìn)展，正確地分析和考慮具體設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)造性地綜合出品質(zhì)可能更為優(yōu)異的新方案。

機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)要在具有等效性的功能中和具有互補(bǔ)性的環(huán)節(jié)中進(jìn)行機(jī)械、電子、硬件、軟件等技術(shù)之間的比較和權(quán)衡。首先找出它們具有可比性的表達(dá)形式，用具有相同量綱的優(yōu)化指標(biāo)(如成本、可靠度、相對(duì)精度等)對(duì)各方案進(jìn)行比較。機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是高性能、低價(jià)格，包含了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性?xún)纱箢?lèi)指標(biāo)，通常需要采用多目標(biāo)規(guī)劃的方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。多目標(biāo)規(guī)劃的求解策略有降維法、順序單目標(biāo)法和評(píng)價(jià)函數(shù)法等幾種方法，這些方法的共同特點(diǎn)是，設(shè)法把多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)問(wèn)題求解，但不同的轉(zhuǎn)化方法對(duì)應(yīng)著不同的求解策略。

降維法：用一個(gè)起主要作用的指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，而將其它優(yōu)化指標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件，從而使多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。順序單目標(biāo)法：首先對(duì)各優(yōu)化指標(biāo)按重要程度排序，按單目標(biāo)優(yōu)化方法依序求出每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解，然后對(duì)這些單目標(biāo)優(yōu)化解進(jìn)行折衷處理，從而得到整體最優(yōu)解。評(píng)價(jià)函數(shù)法：首先將各優(yōu)化指標(biāo)依一定關(guān)系進(jìn)行組合，從而構(gòu)造出一個(gè)單目標(biāo)問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，稱(chēng)為評(píng)價(jià)函數(shù)，然后依據(jù)這個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終確定出最優(yōu)方案。（重點(diǎn)介紹）

評(píng)價(jià)函數(shù)的構(gòu)造：平方加權(quán)法線性加權(quán)法虛擬目標(biāo)法等在構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)之前，需要先統(tǒng)一各指標(biāo)的量綱。統(tǒng)一量綱的方法：無(wú)量綱相對(duì)化法（歸一處理）專(zhuān)家評(píng)分法等下面具體介紹用于構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)的線性加權(quán)法及統(tǒng)一各指標(biāo)量綱的無(wú)量綱相對(duì)化法。

設(shè)某產(chǎn)品共有m個(gè)可行的方案，每個(gè)方案都選定n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；為第i個(gè)方案中第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值；是第j項(xiàng)指標(biāo)在各方案中的最大值；是第j項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)值，它反映了這項(xiàng)指標(biāo)在該產(chǎn)品中相對(duì)于其它各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，且滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)可行方案權(quán)重系數(shù)12…m…

…評(píng)價(jià)函數(shù)——?jiǎng)t采用線性加權(quán)法所構(gòu)造的第i個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(即評(píng)價(jià)函數(shù))為：通過(guò)Kij與Kmaxj的比值實(shí)現(xiàn)了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)量綱相對(duì)化，同時(shí)反映了不同方案中第j項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣程度。

對(duì)每個(gè)方案的參數(shù)（設(shè)計(jì)變量）進(jìn)行調(diào)整，使各方案的評(píng)價(jià)函數(shù)取最佳值，即D是優(yōu)化指標(biāo)取值范圍邊界條件的集合（即約束條件）。

這里是以綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最大為優(yōu)化目標(biāo)，所以如果某項(xiàng)優(yōu)化指標(biāo)期望取得較小的值，則應(yīng)將其負(fù)值(即-)代入上式。采用優(yōu)化方法依次求出各方案的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)值，然后對(duì)它們進(jìn)行比較，從中選出最佳方案，其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)值為：

下表列出了某產(chǎn)品各項(xiàng)優(yōu)化指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)及四種可行方案，在滿足特征指標(biāo)約束條件下按式(7-3)優(yōu)化求得的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)值。第一種方案的最佳評(píng)價(jià)函數(shù)值為：

優(yōu)化指標(biāo)可行方案i權(quán)重系數(shù)1234失效率1201701802100.5成本74430.3模塊化程度0.50.80.70.50.2評(píng)價(jià)函數(shù)-0.46-0.37-0.42-0.50——三、性能指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響

一個(gè)特征指標(biāo)由一系列具有一定功能的環(huán)節(jié)按一定關(guān)系連接起來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)特征指標(biāo)的環(huán)節(jié)構(gòu)成方案可用功能框圖的形式來(lái)表示。

功能框圖是用來(lái)分析各環(huán)節(jié)方案的等效性和互補(bǔ)性，表示各種結(jié)構(gòu)方案的異同，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定性分析或粗略定量考察的工具。

用三種砂輪磨削速度的控制方案，說(shuō)明性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的影響，以及如何根據(jù)性能指標(biāo)去選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。將砂輪的磨削速度設(shè)為特征指標(biāo)。不同用途的磨床，對(duì)砂輪磨削速度的穩(wěn)定性有著不同的要求。

根據(jù)磨削速度的三種不同品質(zhì)等級(jí)，可設(shè)計(jì)出三種不同的結(jié)構(gòu)方案：

電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)砂輪速度設(shè)定值磨削速度磨削速度速度設(shè)定值電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)砂輪調(diào)速磨削速度速度設(shè)定值電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)砂輪調(diào)速圖7—1砂輪磨削速度控制的三種結(jié)構(gòu)方案方案1：砂輪轉(zhuǎn)速不可調(diào)整，磨削速度的變化主要是由于砂輪磨損導(dǎo)致直徑改變而產(chǎn)生的，變化范圍為30%。

方案2：以砂輪直徑（速度）為反饋量調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速，磨削速度的變化主要是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)、皮帶打滑、磨削力變化等原因而引起的，變化范圍為4%左右。如果采用同步齒形帶消除打滑，采用穩(wěn)壓器抑制電壓波動(dòng)?？墒鼓ハ魉俣鹊淖兓秶抵?%左右。

方案3：在砂輪主軸上增加了轉(zhuǎn)速反饋，可將磨削速度的變化范圍控制在0.5%左右。

如果以磨削速度的變化范圍為特征指標(biāo)（約束條件），以成本和可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，來(lái)選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，則可有下面幾種結(jié)果：

當(dāng)磨削速度變化范圍要求可大于30%時(shí)，三種方案均可行，但按優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可確定方案1最佳（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、可靠性好）。當(dāng)磨削速度變化范圍要求小于30%時(shí)，后兩種方案可行，優(yōu)化結(jié)果方案2較好（具有機(jī)電互補(bǔ)性，進(jìn)一步進(jìn)行子功能分配、性能指標(biāo)分配等定量?jī)?yōu)化工作，可得出該方案的變形方案：手動(dòng)開(kāi)環(huán)調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速）。當(dāng)磨削速度變化范圍要求小于5%時(shí)，后兩種方案可行，但其綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值相差不多，應(yīng)增加優(yōu)化指標(biāo)，進(jìn)行定量?jī)?yōu)化，以便最后決策。當(dāng)磨削速度變化范圍要求小于1%時(shí)，只有方案3可行，但為獲得具體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案，還應(yīng)進(jìn)一步定量?jī)?yōu)化。

結(jié)論：特征指標(biāo)對(duì)產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)有限定作用，即限制了可采用結(jié)構(gòu)的范圍；優(yōu)化指標(biāo)及權(quán)重系數(shù)則是在特征指標(biāo)所限定的范圍內(nèi)，作為方案選擇的依據(jù)，它們直接影響著結(jié)構(gòu)方案的確定。在總體設(shè)計(jì)階段，特征指標(biāo)、優(yōu)化指標(biāo)及權(quán)重系數(shù)的選擇和量化是確定總體結(jié)構(gòu)方案的關(guān)鍵，應(yīng)給予充分的重視，確保其合理性和正確性。第三節(jié)功能及性能指標(biāo)的分配經(jīng)過(guò)對(duì)性能指標(biāo)的分析，得到了實(shí)現(xiàn)特征指標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)初步方案。對(duì)于初步方案中具有互補(bǔ)性的環(huán)節(jié)，還需要進(jìn)一步統(tǒng)籌分配機(jī)與電的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)（性能指標(biāo)分配）；對(duì)于具有等效性的環(huán)節(jié)，還需要進(jìn)一步確定其具體的實(shí)現(xiàn)形式（功能分配）。在完成這些工作后，各環(huán)節(jié)才可采用常規(guī)方法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

一、功能分配具有等效性的功能；盡可能列出全部實(shí)現(xiàn)形式；組合成各種可行方案；優(yōu)化決策最終方案。以某定量稱(chēng)重裝置的濾波功能為例．說(shuō)明等效功能的分配方法。

控制驅(qū)動(dòng)送料基座A/D放大傳感振動(dòng)干擾

輸出值

給定值

圖7-2定量稱(chēng)重裝置功能框圖“△”表示裝置中可建立濾波功能的位置。

可以采用三種形式的濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一濾波功能：機(jī)械濾波器(又稱(chēng)阻尼器)——安裝在基座處模擬電子濾波器——置于放大環(huán)節(jié)數(shù)字濾波器——軟件形式放在控制環(huán)節(jié)這三種濾波器在實(shí)現(xiàn)濾波功能這一點(diǎn)上具有等效性，但它們并不是完全等價(jià)的，在濾波質(zhì)量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、成本等方面它們具有不同的特點(diǎn)和效果。必須根據(jù)具體情況從中擇優(yōu)選擇一種最合適的方案。

通過(guò)對(duì)工作環(huán)境和性能要求進(jìn)行分析，歸納出選擇濾波方案的具體條件為：在存在最低頻率為ω1、振幅為Al的主要振動(dòng)干擾的條件下，保證實(shí)現(xiàn)以T為工作節(jié)拍、精度為K的稱(chēng)量工作，并且成本要低。選擇成本作為該問(wèn)題的優(yōu)化指標(biāo)。對(duì)主要振動(dòng)干擾的衰減率α1和閉環(huán)回路中所允許的時(shí)間滯后Tc作為特征指標(biāo)。衰減率α1可根據(jù)干擾信號(hào)振幅A1和要求的稱(chēng)量精度K計(jì)算得出；允許的滯后時(shí)間Tc可根據(jù)工作節(jié)拍T和稱(chēng)量精度K計(jì)算得出。

濾波器放在不同位置，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)產(chǎn)生不同的影響。由基座形成的干擾通道不在閉環(huán)控制回路內(nèi)，機(jī)械濾波器的衰減率及相位移不會(huì)影響閉環(huán)控制回路的控制性能，濾波器參數(shù)選擇不受特征指標(biāo)的約束，不需要考慮相位特性，因而衰減率可以設(shè)計(jì)得足夠大，容易滿足特征指標(biāo)α1的要求。但是由于干擾信號(hào)的最低頻率ω1較低，機(jī)械式濾波器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積較大，成本較高。

模擬式濾波器可以與放大器設(shè)計(jì)在一起，也可單獨(dú)置于放大環(huán)節(jié)之后，但不論放在哪一位置，都是在閉環(huán)回路內(nèi)。由于ω1是干擾信號(hào)的低端頻率，所以這里應(yīng)采用低通濾波器。由低通濾波器的特性可知，當(dāng)在控制回路內(nèi)串入低通濾波器后，將使控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時(shí)間增加，相位滯后增大，快速響應(yīng)性能降低。因此，模擬濾波器性能的選擇受特征指標(biāo)Tc的約束，不能采用高階低通濾波器，而低階低通濾波器的濾波效果又較差，往往不能單獨(dú)滿足濾波要求。

數(shù)字濾波器的算法種類(lèi)較多，這里可采用算術(shù)平均值法來(lái)實(shí)現(xiàn)低通濾波。同模擬濾波器一樣，數(shù)字濾波器也在閉環(huán)控制回路內(nèi)，濾波計(jì)算需要時(shí)間，也受允許的滯后時(shí)間Tc的限制，不能采用大衰減率，且對(duì)較低頻率的干擾信號(hào)，抑制能力較弱。但數(shù)字濾波器容易實(shí)現(xiàn)，且成本較低。

三種濾波器各有特點(diǎn)，需采用優(yōu)化方法合理分配濾波功能，以得到最優(yōu)方案。為了討論問(wèn)題方便，這里只選成本作為優(yōu)化指標(biāo)，將特征指標(biāo)作為約束條件，構(gòu)成單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。由于方案優(yōu)化是離散形式的，故采用列表法較為方便、直觀。首先根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，求出各種實(shí)現(xiàn)形式在滿足約束條件下的—定范圍內(nèi)的有關(guān)性能，將這些性能列成表格，按表選擇可行方案，然后再對(duì)各可行方案進(jìn)行比較，根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)選擇出最優(yōu)方案。

三種濾波器的特征指標(biāo)和優(yōu)化指標(biāo)值如下表：其中，A、B、C、D是四個(gè)不同的品質(zhì)等級(jí)；T/T1是滯后時(shí)間與頻率為ω1的干擾信號(hào)周期之比。濾波形式項(xiàng)目ABCD

機(jī)械濾波器衰減率/dB-20-30-35-40T/T1————成本/元100200300500

模擬濾波器衰減率/dB-5-10-15-20T/T11.4735.510成本/元20202020

數(shù)字濾波器衰減率/dB-12-17-20-22T/T11.52.53.54.5成本/元10101010當(dāng)允許的滯后時(shí)間Tc小于干擾信號(hào)周期T1時(shí)，即Tc/T1＜l時(shí)，模擬濾波器和數(shù)字濾波器都不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的要求，這時(shí)只能選擇機(jī)械濾波器。若約束條件Tc/T1≤5.5，α1≤一40dB，則單個(gè)模擬濾波器和單個(gè)數(shù)字濾波器都無(wú)法滿足該約束條件，必須將濾波器組合起來(lái)(即由幾個(gè)濾波器共同實(shí)現(xiàn)濾波功能)才能構(gòu)成可行方案。從表7-2中選出滿足約束條件的可行方案列于表7-3，其中總特征指標(biāo)值為構(gòu)成可行方案的各濾波器的相應(yīng)特征指標(biāo)值之和。

較佳方案3：機(jī)械濾波器和數(shù)字濾波器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的衰減，衰減率均為-20dB，即，將濾波功能平均分配給機(jī)械濾波器和數(shù)字濾波器，同時(shí)還滿足另一約束條件Tc/T1＝3.5＜5.5。應(yīng)當(dāng)指出，表中并末列出所有可行方案，因此方案3并不一定是所有可行方案中的最優(yōu)方案。當(dāng)約束條件改變時(shí)，將會(huì)得到不同的可行方案組及相應(yīng)的較佳方案。

可行方案機(jī)械濾波器模擬濾波器數(shù)字濾波器總衰減率dB總Tc／T1總成本（元）1D

-40

—5002AAB-423.971303A

C-40

3.51104BB

-403220二、性能指標(biāo)分配在總體方案中一般都有多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)同一性能指標(biāo)產(chǎn)生影響，即這些環(huán)節(jié)對(duì)于實(shí)現(xiàn)該性能指標(biāo)具有互補(bǔ)性。合理地限定這些環(huán)節(jié)對(duì)總體性能指標(biāo)的影響程度，是性能指標(biāo)分配的目的。在進(jìn)行性能指標(biāo)分配時(shí)，首先要把各互補(bǔ)環(huán)節(jié)對(duì)性能指標(biāo)可能產(chǎn)生的影響作用范圍逐一列出。在滿足約束條件的前提下，采用不同的分配方法將性能指標(biāo)分配給各互補(bǔ)環(huán)節(jié)，構(gòu)成多個(gè)可行方案。對(duì)這些可行方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中選出最優(yōu)的方案。以車(chē)床刀架進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給精度分配為例，說(shuō)明性能指標(biāo)的分配方法。接力比賽中的任務(wù)分配某車(chē)床刀架進(jìn)給系統(tǒng)的功能框圖如下圖。對(duì)各組成環(huán)節(jié)進(jìn)行精度指標(biāo)的分配。

約束條件：刀架運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)特征指標(biāo)——最大走刀速度vmax＝14mm／s，最大定位誤差δmax＝16μm。優(yōu)化指標(biāo)：成本。

刀架絲杠減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控

首先分析各組成環(huán)節(jié)誤差產(chǎn)生的原因、誤差范圍及各精度等級(jí)的生產(chǎn)成本。

刀架環(huán)節(jié)：將床身各部分的影響也都列在刀架一個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)，將刀架相對(duì)主軸軸線的徑向位置誤差作為定位誤差。床身各部分影響定位誤差的主要因素是床鞍在水平面內(nèi)移動(dòng)的直線度。絲杠環(huán)節(jié)：絲杠螺母副的傳動(dòng)精度直接影響刀架的位置誤差，可選擇的結(jié)構(gòu)形式有普通滑動(dòng)絲杠和滾動(dòng)絲杠，分別對(duì)應(yīng)著不同的精度等級(jí)。假定絲杠螺母副的傳動(dòng)間隙已被消除，則傳動(dòng)誤差是影響位置誤差的主要因素。

減速器環(huán)節(jié)：該環(huán)節(jié)誤差主要來(lái)自齒輪的傳動(dòng)誤差，齒側(cè)間隙產(chǎn)生的誤差應(yīng)采用間隙消除機(jī)構(gòu)加以消除。齒輪傳動(dòng)誤差需依據(jù)初步確定的參數(shù)，如絲杠導(dǎo)程、齒輪直徑、傳動(dòng)比等，轉(zhuǎn)換成與定位誤差有相同方向和量綱的等效誤差。數(shù)控環(huán)節(jié)：包括數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置對(duì)理論位置的偏移角在不失步正常運(yùn)行情況下不超過(guò)土0.5個(gè)步距角。此外，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令是以脈沖為單位的，因此數(shù)控裝置也會(huì)產(chǎn)生土0.5個(gè)步距角的舍入誤差。這樣，數(shù)控環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的總誤差為土1個(gè)步距角。應(yīng)將步距角轉(zhuǎn)換成刀架運(yùn)動(dòng)方向上的脈沖當(dāng)量。由于最大走刀速度vmax限制了脈沖當(dāng)量的下限，因此通常用最大走刀速度除以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高運(yùn)行頻率來(lái)求取最小脈沖當(dāng)量，并作為精度指標(biāo)分配的參考值。

絲杠螺母副傳動(dòng)誤差：A、B對(duì)應(yīng)滾動(dòng)絲杠的兩個(gè)精度等級(jí)，C、D對(duì)應(yīng)滑動(dòng)絲杠；齒輪傳動(dòng)誤差：對(duì)應(yīng)兩種可能的傳動(dòng)比和兩個(gè)可能的齒輪精度等級(jí)；控制環(huán)節(jié)最小脈沖當(dāng)量：按選定的兩種具有不同最高運(yùn)行頻率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)確定的。組成環(huán)節(jié)指標(biāo)ABCD

刀架床鞍移動(dòng)直線度/μm46810

成本/千元10521絲杠螺母副

傳動(dòng)誤差/μm0.5124成本/千元5321.2減速器

齒輪傳動(dòng)誤差/μm11.222.5成本/千元0.60.60.30.3控制環(huán)節(jié)

最小脈沖當(dāng)量/μm37

—

—成本/千元32

—

—表7-4各組成環(huán)節(jié)誤差及對(duì)應(yīng)成本從表7-4中找出若干滿足最大定位誤差要求的可行方案。部分可行方案列于表7-5，總成本一欄是各可行方案的優(yōu)化指標(biāo)值。若有多個(gè)優(yōu)化指標(biāo)，應(yīng)按式（7-2）和式（7-3）求出綜合指標(biāo)值(即評(píng)價(jià)函數(shù)值)列入該欄。

可行方案刀架環(huán)節(jié)絲杠環(huán)節(jié)減速器環(huán)節(jié)數(shù)控環(huán)節(jié)總定位誤差

μm總成本（千元）1BBCB1610.32CDAA166.83DCAA16

6.64CCCA157.35BCAB169.6表7-5精度分配方案

最佳方案3：采用高頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，較高精度等級(jí)的齒輪和高精度的滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)，較低精度的床身導(dǎo)軌支承和導(dǎo)向。方案選定后，對(duì)各組成環(huán)節(jié)的精度要求也就自然成為各環(huán)節(jié)進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的精度指標(biāo)。

為何沒(méi)考慮進(jìn)給速度限制？第四節(jié)定量電子秤總體設(shè)計(jì)舉例以定量電子秤的總體設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步說(shuō)明總體設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及的各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容之間的關(guān)系，以便對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)有一個(gè)完整的概念。定量電子秤主要功能：自動(dòng)配料和自動(dòng)包裝。定量電子秤主要性能指標(biāo)：稱(chēng)量精度、工作節(jié)拍、稱(chēng)量范圍、可靠性及成本等。定量電子秤為適應(yīng)不同使用要求的其他性能指標(biāo)：集中顯示、遠(yuǎn)程控制等。產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞這些性能指標(biāo)展開(kāi)。概括地說(shuō)，就是依據(jù)市場(chǎng)有關(guān)信息和企業(yè)自身的條件確定所要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品屬性，進(jìn)而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的總體技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品屬性。

合理地制定產(chǎn)品屬性決策對(duì)于產(chǎn)品能否按預(yù)期目標(biāo)進(jìn)入市場(chǎng)至關(guān)重要。為此必須了解目標(biāo)市場(chǎng)的供求狀況，掌握所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的屬性需求分布、價(jià)格需求彈性、競(jìng)爭(zhēng)者的現(xiàn)狀、潛在市場(chǎng)、產(chǎn)品的預(yù)計(jì)壽命周期等方面的變化趨勢(shì)。具體就定量電子秤而言，需要了解和掌握各類(lèi)需要自動(dòng)配料或自動(dòng)包裝設(shè)備的用戶(hù)對(duì)稱(chēng)量范圍、稱(chēng)量精度、工作節(jié)拍、自動(dòng)化程度等方面的要求，對(duì)購(gòu)置費(fèi)用、使用費(fèi)用的承受能力，所能提供的設(shè)備工作環(huán)境，當(dāng)前使用的同類(lèi)設(shè)備的性能、更新周期及其生產(chǎn)者的現(xiàn)狀等。除了了解上述一些外部環(huán)境外，為了正確地做出產(chǎn)品屬性決策，還必須充分考慮生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)部條件，按生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造能力和經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)規(guī)模等因素，對(duì)市場(chǎng)所需各種水平的產(chǎn)品屬性的制造成本做出正確估計(jì)，如根據(jù)本廠情況對(duì)不同稱(chēng)量精度、不同稱(chēng)量范圍、不同工作節(jié)拍、不同控制方式的定量電子秤的制造成本做出估計(jì)，并列表以備后續(xù)分析用。

制定產(chǎn)品屬性決策的過(guò)程也是一個(gè)優(yōu)化過(guò)程?？上葘⑸鲜隽谐龅母黜?xiàng)性能指標(biāo)劃分為優(yōu)化指標(biāo)和特征指標(biāo)，然后按最大利潤(rùn)準(zhǔn)則或最大市場(chǎng)占有率準(zhǔn)則等，優(yōu)化確定所要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品屬性。但這時(shí)所做出的產(chǎn)品屬性決策只是初步的，因?yàn)槠渲兴褂玫闹圃斐杀臼窃跊](méi)有做出詳細(xì)設(shè)計(jì)的情況下的估計(jì)值。在按初步產(chǎn)品屬性做出詳細(xì)設(shè)計(jì)后，還應(yīng)按詳細(xì)技術(shù)方案的制造成本對(duì)產(chǎn)品屬性進(jìn)行復(fù)查，并做出必要的修正，以保證產(chǎn)品屬性的合理性。關(guān)于產(chǎn)品屬性決策，還涉及到很多有關(guān)市場(chǎng)分析和銷(xiāo)售分析方面的內(nèi)容，請(qǐng)參閱有關(guān)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)學(xué)方面的書(shū)籍。下面介紹在產(chǎn)品屬性已經(jīng)確定的條件下，定量電子秤的總體設(shè)計(jì)方法，即如何對(duì)產(chǎn)品屬性所規(guī)定的各種性能指標(biāo)及相關(guān)功能進(jìn)行分析，如何根據(jù)各功能環(huán)節(jié)的機(jī)電互補(bǔ)性和等效性對(duì)總體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行機(jī)電統(tǒng)一協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌優(yōu)化。

假定通過(guò)產(chǎn)品屬性決策確定出定量電子秤的性能指標(biāo)為：稱(chēng)量范圍l～10kg；稱(chēng)量精度0.2％；工作節(jié)拍7s；具有遠(yuǎn)程控制功能；銷(xiāo)售價(jià)格低于5500元。首先根據(jù)上述性能指標(biāo)選擇控制方式并確定總體結(jié)構(gòu)功能框圖。定量電子秤的基本控制方式有容積開(kāi)環(huán)控制、容積半閉環(huán)控制、重量開(kāi)環(huán)控制和重量半閉環(huán)控制等四種，每種控制方式可達(dá)到的性能指標(biāo)如表7-6所示。按性能指標(biāo)要求選定重量半閉環(huán)為比較合理的控制方式，根據(jù)這一控制方式設(shè)計(jì)出定量電子秤總體結(jié)構(gòu)功能框圖如圖7-2所示。

控制方式

節(jié)拍／s

精度成本/元容積開(kāi)環(huán)15.0％1000容積半閉環(huán)40.7％2500

重量開(kāi)環(huán)60.2％3000

重量半閉環(huán)7

0.1％

4000表7-6控制方式與性能指標(biāo)控制驅(qū)動(dòng)送料基座A/D放大傳感振動(dòng)干擾

輸出值

給定值

這是一個(gè)單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，但由于送料機(jī)構(gòu)只能單向工作，即只能增加物料重量而不能減少之，使得控制系統(tǒng)不能像典型的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣有效地補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的正反向誤差，所使用的控制算法更近似于開(kāi)環(huán)控制方式，因而稱(chēng)為重量半閉環(huán)控制。

在控制方式和總體結(jié)構(gòu)方案選定之后，便可進(jìn)行機(jī)電等效性和互補(bǔ)性分析，以便優(yōu)化選擇最佳的總體結(jié)構(gòu)方案。

定量電子秤的精度指標(biāo)是一個(gè)必須要達(dá)到但不必顯著超出的指標(biāo)，因此它屬于特征指標(biāo)。影響定量電子秤稱(chēng)量精度的各種原因可分為外部環(huán)境干擾和內(nèi)部各構(gòu)件非理想特性?xún)深?lèi)，其中機(jī)械振動(dòng)是外部干擾的主要形式。抑制機(jī)械振動(dòng)干擾的方法有機(jī)械隔振、模擬濾波和數(shù)字濾波等，也就是說(shuō)，抑制機(jī)械振動(dòng)干擾這一功能具有等效性，應(yīng)統(tǒng)籌分配該功能的機(jī)與電的具體實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)內(nèi)部影響稱(chēng)量精度的環(huán)節(jié)包括電動(dòng)機(jī)、送料器、傳感器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、控制器等環(huán)節(jié)，其中有機(jī)械環(huán)節(jié)，也有電子環(huán)節(jié)，即具有機(jī)電互補(bǔ)