机电一体化产品概念设计理论现状与展望

2006年第27卷第1期中　北　大　学　学　报V ol.27　N o.1　2006 (总第105期)JOURNAL OF NORTH UNIVERSITY OF CHINA(Sum No.105)
文章编号:1673-3193(2006)01-0018-05
机电一体化产品概念设计理论现状与展望
程志刚,李瑞琴,董亚峰,黄　莉
(中北大学机械工程系,山西太原030051)
摘　要:　探讨了机电一体化产品概念设计理论与方法对产品创新设计的重要性,分析了国内外不同学科背
景的学者从不同角度进行研究的现状.国外学者以电子学及控制理论为研究出发点,建立了一些概念设计
操作平台.国内学者以现代机构学为研究出发点,研究以运动执行功能为主功能的机电一体化产品概念设
计,其设计理论与方法,更具有实用性,更有利于计算机辅助概念设计.并指出了机电一体化产品概念设计
理论与方法的发展方向.
关键词:　机电一体化;概念设计;系统设计
中图分类号:　T H-39 文献标识码:A
Current Situation and Prospect of the Theory
on Conceptual Design of Mechatronic Products
CHENG Zhi-gang,LI Rui-qin,DONG Ya-feng,HUANG Li
(Dept.of M echanical Eng ineering,No rt h U niver sity of China,T aiy uan030051,China)
Abstract:T his paper discussed the impo rtance of the theory o n conceptual design of m echatro nic pr oducts and analy zed the current situation of its r esearches by domestic and fo reig n scholar s w ith different discipline backgr ounds fro m different ang les.Taking the electronics and contro l theory as the starting po int,scholars abr oad have developed several platfo rms fo r co nceptual design.Domestic researchers took the mechanisms as the starting point resear ching o n the ty pe o f mechatronic products, in w hich mo ving par ts and mechanisms play an im portant role.Do mestic reaearches are m ore beneficial to computer aided design and conceptual design.Finally,this paper presented the development prospects of the theory and method o n conceptual design of mechatronic products.
Key words:mechatronics;conceptual design;system desig n
机电一体化(M echatro nics)一词,最早起源于日本,是由机械学“m echanics”与电子学“electr onics”结合而成的拼缀词,意思为机械电子学,在我国则称之为机电一体化.自提出机电一体化(M echatr onics)这一概念以来,机电一体化经历了30多年的发展,其内涵随科技的发展不断更新,不断丰富.特别是人类进入21世机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越来越高的要求.而相关学科,如A I技术、计算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的发展,为机电一体化系统开辟了更加广阔的应用前景.尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展,使产品结构发生了革命性的变化.随着信息、传感等技术与传统机械产品的融合,传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进.机电一体化技术已成为一门新兴的交叉学科技术,它涉及到机械制造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技术等关键技术.技术的更新,带动机电一体化产品向更高层次方向发展,以满足人们不断丰富和发展的物
收稿日期:2005-06-17
　基金项目:山西省自然科学基金资助项目(20041070)
　作者简介:程志刚(1951-),男,高级实验师.主要从事机械设计及制造研究.
质、文化和精神上的需求.机电一体化技术在21世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要作用,其产品是机电一体化技术的载体和体现者,通过机电一体化产品来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平.因此,作为机电一体化产品的设计师,不但要掌握先进的机电一体化技术,而且更重要地是掌握如何在产品设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果.机电一体化系统所具有的学科交叉性、多技术性、集成性、融合性、复杂性给产品设计师提出了更高的要求[1,2].
1　建立机电一体化产品概念设计理论与方法的意义
设计方法对于指导产品设计具有重要的作用.苏联学者阿切尔康的巨著《机械零件设计》指导了几代人的设计工作,使机械设计理论化、规范化.美国学者铁木辛科的巨著《材料力学》也影响了几代人,奠定了强度设计的基础.设计理论对于设计的指导作用已为世人所公认.最优化原理、智能化原理、柔性化原理、网络化原理、可靠性原理等是从系统的观点和运筹学的角度,针对某项具体指标完成产品局部设计环节的设计理论和方法.由于机电一体化产品设计的复杂性决定,单独应用这些设计理论虽可以对机电一体化产品的原始创新起到一定的作用,但也易于达到设计极限[3-5].
概念设计是产品设计的重要阶段,决定了产品设计质量的60%～70%.因而,要建立机电一体化产品的设计理论,必须首先建立机电一体化产品概念设计的理论、方法.基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化产品.因此,建立机电一体化产品的概念设计理论体系是非常必要的[6,7].
概念设计思想受到各国学者的重视,相继出现了多种用于概念设计阶段的设计理论,如公理化设计理论、TRIZ 设计理论、QFD 理论等.这些理论对工程领域的创新设计起到了巨大的推动作用,其成就为世人所关注.但这些设计理论多集中在一般的机械工程领域,或者由多个学科简单组合的工程产品设计.由于机电一体化系统的学科交叉性、集成性、融合性及复杂性等特点,现有的机械产品的概念设计理论不适用于机电一体化产品的概念设计,必须结合机电一体化系统的自身特点,建立一套系统的、完整的概念设计理论和方法,指导机电一体化产品的创新设计.因此认为,机电一体化产品发展到21世纪,应该为其建立系统科学的设计理论和方法了.同时,相关学科的设计理论也为机电一体化建立奠定了必要的理论基础[8,9].
2　机电一体化系统的组成原理
目前,对机电一体化系统并没有一个普遍认同的定义.由于机电一体化系统的跨学科性及其自身的复杂性,不同学科领域的学者分别从不同
的研究角度对机电一体化系统进行了定义.
从机代机构学的角度,认为机电一体化系
统的最本质的特征是一种机械,但又不同
于一般的机械,它是在机构的主功能、动
力功能、信息与控制功能上引进了电子技
术,并与软件有机结合而成的一种特殊的机械系统.如图1所示.
从功能上讲,是用于完成包括机械力、运动和能量流等多动力学任务的机械和机电部件相互联系的系统.机电一体化系统是一个完整的系统,强调各种技术的协调和集成,各部分之间是有机结合而不是简单拼凑和堆积.机电一体化系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术,机电一体化系统的执行机构扩展到了广义执行机构,即包括驱动元件和执行机构子系统.机电一体化具有跨学科性、集成性、融合性、复杂性.此系统的最终目的是实现可控的运动行为.它是充分利用电子计算机的信息处理和控制功能、利用可控驱动元件特性的现代机械系统.
关于机电一体化系统的设计理论研究方面,首先反映在机电一体化系统的组成结构的划分上.目前比较典型的机电一体化系统的组成结构的划分有三种: 德国Darm stadt 大学的Rolf Iserm ann 提出的5块论[10],认为机电一体化产品是由控制功能、动力功能、构造功能、传感检测功能和操作功能5大功19(总第105期)机电一体化产品概念设计理论现状与展望(程志刚等)
20中北大学学报2006年第1期
能模块组成. 丹麦理工大学的Jacob Burr等人提出的三环论[11],认为机电一体化产品分为机械、电子、软件三大功能模块,挪威科技大学的Bassam A.Hussein提出的两个子系统论,将机电一体化系统划分为物理系统与控制系统两大子系统.
以上三种结构组成的划分,更多地立足于电或控制的角度,没有突出机械主体部分,也没有很好地解决机电一体化系统概念设计的模糊性、复杂性和多面性,因此不利于产品的系统设计,尤其是概念设计.从概念设计的需要出发,从完成工艺动作过程这一总功能要求出发,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统三个子系统,称为“三子系统论”.三个子系统分别完成机械运动和动作、信息检测、信息处理及控制.这种划分有利于对机电一体化系统按功能进行分解,分别寻求各自的功能载体,通过集成优化来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案.
三子系统中的广义执行机构子系统,突出了机电一体化系统中的机械主体地位,又体现了这种机构的可控性特点.这一概念的提出,有利于设计师应用系统设计的原理和方法进行机电一体化产品的创新设计.目前,对传感检测子系统和控制子系统的研究较多,理论上也较成熟,而对直接完成工艺动作功能的广义执行机构子系统的研究却不够深入,目前处于迅速发展阶段.
3　机电一体化产品概念设计的国内外研究现状
3.1　国外研究现状
机电一体化产品概念设计的研究主要集中在欧洲.主要研究机构有:德国Darmstadt大学,英国Lancaster大学工程设计中心,荷兰T w ente大学,比利时Leuven大学,挪威科技大学,丹麦技术大学和芬兰VT T研究中心等.另外,在美国,与机电一体化系统有关的概念设计工作大多集中在M IT大学,Carnegie M ellon大学,M ichigan大学和Standfo rd大学.在日本,东京大学的Yoshikaw a和To miyama两位学者的研究工作涉及到了一般的机电一体化系统的概念设计.
德国Darmstadt大学的R.Iserrm ann,H.J.Her pel,M.Held,M.Glesner[10]等人,对机电一体化产品设计进行了较深入的研究.他们的研究领域主要集中在机电一体化的控制系统的设计方法学上.提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型,并将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控制层和处理层四个层次.从他们的观点来看,机电一体化的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的.而控制系统设计是机电一体化的主体.因此在他们的设计中,较少考虑到机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性,也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题.该观点不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质[14].
德国Heinz Nix dor f大学的Jurg en Gausemeier,M ar tin Flath,Stefan M ohring er[15,16]等人于2001年构建了机电一体化系统开发的V型模型,指出在概念设计的早期阶段,需要有一种共同的功能描述语言来描述所涉及的不同学科的知识,给出了一种适用于机电一体化产品概念设计的集成方法,即用半规则式说明语言进行功能原理建模.将该方法已成功用于汽车导航驱动系统的概念设计过程中.
在法国PSA所进行的ESPRITⅢ/OLM ECO(Open Library fo r M odels of Mechatronics Components机电一体化组成元件的模型的开放库)研究项目,取得了阶段性成功.该项目的核心是一个包含了机电一体化系统中各个学科的模型所组成的模型库.他们把机电一体化的基本功能元件,或者一些已在实践中得到应用的系统作为基本单元存入模型库.这个模型库能够为工程设计人员提供正确、有效的、可重用的模型单元.在机电一体化设计中可随时从库中调用这些基本元件或系统,从而提高了设计效率和准确性,并且在一定程度上降低了设计的难度.该项目虽然取得了一定的进展,但就模型库而言,其存储的是以前得到的、被实践检验的机电一体化产品的组成元件模型,仅对机电一体化数据库的存储和查找进行产品的概念设计,与智能化概念设计还存在相当的距离,其设计方案缺乏创新性.并且由于缺少机电一体化概念设计理论的支持,该系统并不理想.
虽然美国Analogy公司声称其开发的Saber软件是支持机电一体化系统设计的智能化概念设计软件,但其实质至多是一个机电一体化仿真软件.它只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析
等功能,而不具备产生方案的功能.就其建模功能来讲,也基本上集中在信息系统或控制系统领域,目前还没有看到其能够用于机械装置的建模仿真的例子.
3.2　国内研究现状
目前,国内一些研究单位,如浙江大学[17]、华中科技大学[18]等单位,在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计方面进行了研究,但对机电一体化产品概念设计方面的问题基本没有进行研究.上海交通大学从1996年开始,对机电一体化产品概念设计的理论与方法进行了较为深入的研究,并取得了初步的研究成果.
从现代机构的角度出发,将机电一体化系统划分为广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理及控制子系统,称为“三子系统论”,并由此建立机电一体化系统概念设计的框架体系,有利于机电一体化产品的创新设计.以实现运动功能为主功能的一大类机电一体化产品(如电脑型多功能缝纫机等)为研究对象,对机电一体化产品概念设计的核心问题广义执行机构子系统的概念设计进行了系统研究,提出了由总功能进行基本工艺动作过程的构思;由基本工艺动作过程,实现动作分解,得到独立的执行动作;确定各执行动作的创新机构及其机构系统的组合的框架模型,即归纳为:Process (工艺)-Action (动作)-M echanism (机构)的PAM 功能求解模型.该模型能将概念设计与机构及其系统设计很好地结合起来,更具有可操作性,更易于实现创新设计,更利于计算机辅助概念设计的实现.
由于机电一体化系统是一个复杂的动态系统,只有在了解了其动态性能的基础上才能进行恰当的评价,因此机电一体化产品的建模与仿真问题显得更为重要.概念设计阶段仿真的目的是检验系统是否能够完成给定的功能,以及实现功能所附带的约束条件.文献[20,21]通过分析比较目前通用的各种建模技术(如键合图、方框图、信号流图、原理图等)及各种仿真软件的优缺点,采用Sim ulink 仿真软件构造了一个面向功能模块建模方法的,表达机电一体化产品中广义执行机构的概念设计的系统仿真平台.这一平台的构建,为机电一体化产品概念设计的整体仿真平台的建立奠定了基础.
4　机电一体化产品概念设计理论展望
机电一体化产品概念设计理论与方法的研究无疑必将对产品设计师起到重要的指导作用.以欧洲国家为代表的机电一体化产品概念设计理论的研究,多以电子及控制理论为研究出发点,典型的软件成果为英国学者推出了Schemebuilder 虚拟开发平台.国内学者从现代机构学的角度出发,针对以运动功能为主功能的一大类机电一体化产品的特点,研究机电一体化产品概念设计理论与方法,取得了初步的研究成果.本文认为机电一体化系统的多学科性及复杂性决定了在概念设计理论研究的初期,不同学科背景的学者会从不同的角度进行研究,但研究的目标是一致的.随着研究的逐渐深入,不同研究成果的集成必将使机电一体化产品概念设计理论的可操作性和实用性更强,对机电一体化新产品的开发和创新起重要指导作用.
关于机电一体化产品概念设计理论与方法,还有不少问题有待深入研究,但总的研究趋势是: 建立机电一体化产品概念设计的推理方法库; 按实现运动和动作进行广义执行机构的分类,建立驱动元件库、广义执行机构库,以有利于进行驱动元件、传动及执行机构以及两者集成的选择. 按被测物理量建立传感器类型、特点知识库,以便于选择传感器;!建立信息处理方法库和控制方法库,以便选择硬件、编制软件对可控机构子系统进行有效的控制.∀建立机电一体化产品概念设计不同阶段的评价体系,特别是概念设计早期功能原理阶段的评价体系.
参考文献:
[1]　邹慧君,廖武,郭为忠.机电一体化系统概念设计的基本原理[J ].机械设计与研究,1999(3):14-17.
Z ou Huijun,L iao Wu,G uo Weizho ng.Basic principle of conceptual design o f mechat ro nics sy st em [J ].M echine D esign and R esear ch ,1999(3):14-
17.(in Chinese ).[2]　亢金月.机电一体化系统设计理论与方法的研究[D].上海:上海交通大学,1996.
21(总第105期)机电一体化产品概念设计理论现状与展望(程志刚等)
22中北大学学报2006年第1期
[3]　张建民.机电一体化系统设计[M].北京:北京理工大学出版社,1996.
[4]　亢金月,邹慧君,蔡逆水.机电一体化系统集成与融合[J].机械与电子,1996(4):17-20.
K ang Jinyue,Zho u Huijun,Cai N ishui.I nt egr atio n and fusio n o f mecha tro nic sy stem[J].M a chiner y and Electro nics,1996(4):17-20.(in Chinese).
[5]　田志斌,邹慧君,蔡逆水.计算机辅助机电一体化产品概念设计[J].机械与电子,2001(2):51-53.
T ian Zhibin,Zho u Huijun,Cai N ishui.Concept ual design of mechatro nic pr oduct s w ith CA D[J].M a chiner y and Electro nics,2001(2):51-53.(in Chinese).
[6]　Oelen W.M odeling a s a T oo l for Design of M echatro nic Sy stem[D].U niv ersit y of T w ent e,Enschede,T he
Net her lands,1995.
[7]　Wa lter s R M,Br adley D A,Dor ey A P.A concept ual study fo r a computer to suppor t elect ro nic desig n in a
mechatr onic envir onment[J].M icro pr ocessor s and M icr osy st ems,2000(24):51-61.
[8]　Rober t B S,Kr istin L W.Dev elo pment of a functional basis fo r design[J].Journal o f M echanical Design,2000,
122:359-370.
[9]　Janh J S,Santosh V K,N oe V H.Evaluatio n o f idea gener atio n metho ds for co nceptual design:effectiv eness metr ics
and design of ex periment s[J].Jo ur nal of M echanical D esign,2000,122:337-384.
[10]　Iserma nn R.M o deling and D esign methodolog y for M echatro nic sy stem[J].IEEE/A SM E,T r ansactions o n
M echatr onics,1966,1(1):16-28.
[11]　Bur r J,T heo ret ical A.A ppr o ach to M echa tro nics D esign[D].In2stitute for Eng ineering Desig n,T echnical
U niv ersit y o f Den2mar k,1990.
[12]　Po rter I D.Schemebuilder M echatr onics[C].P ro ceeding s o f En2g ineering design Confer ence,1998.
[13]　Gausemeier J,Flath M,M ohr ing er S.Co nceptual D esign of M echatr onics Systems Suppo rted by Semi-for mal Spe-
cification[A].IEEE/A SM E I nt ernatio nal Co nference on A dv anced Intelligent M echat ro nics P ro ceeding s,2001,8: 888-892.
[14]　Counsell D J,Por ter I,Daw son D,Duffy M.Schemebuilder Co mput er A ided Conceptual Design,Schemebuilder[J/
O L].Co mputer A ided K now ledge Based D esign of M echat ro nics Sy stems.http:∥w w ,2002. [15]　Br eunese A P T.A utomat ed Suppo rt in M echatr onic Sy st ems M odeling[D].U niver sity o f T w ente,Enschede,T he
N ether2lands,1996.
[16]　Gausemeier J,Flath M,M ohr ing er S.M odeling and ev alution of P rinciple Solutio ns o f M echatro nic Systems.
Exemplified by T ype P ressure Contr ol in A uto mot ive Systems[A].Inter na tional Co nfer ence o n Engineer ing Desig n ICED01Glas2g ow[C],2001.
[17]　孙守迁,包恩伟.基于组合原理的概念创新设计[J].计算机辅助设计与图形学学报,1999,11(3):262-265.
Sun Sho uqian,Bao Enw ei.Creative design based o n co mbinatio n pr inciple fo r conceptua l design[J].Jour nal of Computer A ided Design and Co mput er G raphics,1999(3):262-265.(in Chinese).
[18]　黄国萍,周济,余俊,陈定方.基于特征的汽车车身几何建模与车身内布置概念设计系统的研究[J].交通与计算
机,1996(3):7-11.
[19]　Coeling h H J.Van A mero ngen.A utoma ted Concept ua l Desig n o f Contr oller s fo r M echatr o nic Sy st em[A].
L anca st er Inter natio nal W or ksho p o n Eng ineering Desig n CACD'97[C].L ancaster,U.K.,1997.
[20]　廖武.广义执行机构的概念设计理论及实现的研究[D].上海:上海交通大学,2001.
[21]　田志斌.现代机械运动系统概念设计理论与应用研究[D].上海:上海交通大学,2001.
[22]　田志斌.机电一体化产品概念设计的三层模糊优序评价模型[J].机械设计与研究,2000(4):15-17.
T ian Zhibin.A thr ee level fuzzy o ut ranking mo del for the ev aluat ion of conceptual design for mechatro nics[J].
M achine Desig n a nd Resear ch,2000(4):15-17.(in Chinese).。