机电一体化系统概念设计的基本原理

张晟昊

摘要：机电一体化是以大规模微型计算机和集成电路为核心技术的新兴微电子技术，在很多的应用领域中都获得了广泛的运用。尽管机电一体化在机械设计生产领域中获得了普遍的运用，不过还必须结合实际具体情况对其技术手段加以优化、改进，这不但能够实现机械设计生产工作的顺利进行，同时还能够提升机械设计生产企业的效益。

Abstract： Mechatronics is an emerging microelectronics technology with large-scale microcomputers and integrated circuits as the core technology. It has been widely used in many application fields. Although mechatronics has been widely used in the field of mechanical design and production， its technical means must be optimized and improved in accordance with actual conditions. This can not only achieve the smooth progress of mechanical design and production， but also improve mechanical design. The benefit of the production enterprise.

關键词：机械一体化化;概念设计;基本原理

Key words： mechanical integration;conceptual design;basic principles

中图分类号：TH-39                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0184-03

0  引言

电子科技的快速发展也促进着机械一体化科技的发展，而科技的发展又有赖于电子一体化技术的发展，所以，机电一体化未来的发展趋势对科学技术的提升来说，也具有着举足轻重的意义。但是，我们更需要关注在机械设计中机电一体化技术在发展过程当中所存在的问题，因为唯有很好地解决了这些问题，才可以推动中国电子科技的更深入发展，从而带动中国企业的快速发展。

1  机电一体化系统概念设计

作为机电一体化产品设计的系统设计中不可分割的关键一步，概念设计阶段是产品设计中如何进行创新的关键所在。而概念设计阶段这一过程作为创新的集中体现，是极为繁琐的重要过程，作为从无到有，由0～1的具象化过程，可以说一个产品设计的整个系统设计品质都将在这一过程中得到提高，唯有以完善的概念设计阶段为基础，才能获得优质的机电一体化产品设计。在过去的历史发展中，机电一体化工程技术曾经形成过很多优秀的设计理论，并且极大地促进了现代机电一体化工程技术的创造性设计，但是由于信息时代的出现，知识大爆发导致了这些多数集中于机械方面，或者通过多种技术手段可以简单进行结合的设计方面的理论知识，早已不再适合于现代的机电一体化的工程设计了。近几年来，计算机技术方面的图形学，虚拟现实仿真技术，以及多媒体敏捷设计等方面的新科技的进展，机电一体化这一科学技术的产品概念设计，已经有了全新的研发方向。

概念设计这一理论，也就是要按照市场生产中各个阶段的实际需求，从而实现产品的基本设计，进而将功能加以划分，从而完成产品所有子功能的结构合理设计，进而求解实现在产品基础上的功能结构的设计要求的工作原理，再设想能够达到这一工作原理的功能构件的载体方法，从而实现系统化的产品设计工作。这就是基于机电一体化系统以及广义执行机构的特点，对机电一体化系统进行的基本概念研究。而概念设计阶段也可分成以下几个阶段，依次是功能的设计，工作原理的设计，方法的设计以及功能结构的初步设计。作为产品设计的初始阶段，基础设计就是按照市场的实际需要构想产品设计理论，对产品设计的总体架构做出合理的规划。方案设计则属于后期工作，对逻辑的思考方面要求也比较高，但是随着电脑AI科技的发达，也可能会有计算机辅助工作来减轻负担。

2  机电一体化中的整体设计原则

2.1 在设计过程中要考虑是否具有较高的精准度

在进行机电一体化设计的过程中，要考虑到计算机的计算模式和设计模式。运用计算机进行计算和设置相比运用人工有着更大的精准度，所以在进行相关产业制造的过程中，就可以极大程度发挥计算机的优势技术来达到最好的操作效果。同时计算机的设计度也比较精准，就需要有更加精准的运行系统来配合其运作，才能最大程度上发挥计算机的优势。如果整体机械系统中的精准度并不高，在生产制造的过程中就会出现问题，所制造出来的产品很容易不合格。所以机械系统中的精准程度能够极大程度影响到机械产品的合格程度，也是对机械产品划分的检验标准，产品尺寸与设计尺寸的差距越小，就说明机电一体化水平的设计精准度越高。因为应用了计算机技术，所以我国极大多数情况下，各类机械产品的精准度都是比较高的。

2.2 机电一体化设计中要注意能够应对突发情况

在机械系统运行过程中，根据计算机的自动设计，能够使机械系统及时的应对各种突然发生的情况，并根据该突发问题有良好的反应能力。机械系统中各个系统之间都是相互独立运行的，当其中有任何一个系统发生了变化不会对其他系统产生任何影响，其他系统依然能够很好的运行。如果要临时对所要求的信息进行操作改变，那么也不会对系统有很大影响，机械系统能够根据改变的信息做出良好的操作反应，在接受到新的信息指令的同时继续新的工作，可以极大程度上节省工作的时间，从而提高整体效率。

2.3 机电一体化设计中要具有良好的稳定性

在机电一体化设计中，整体机械系统所存在的分支较多，对稳定性的要求较高。拥有良好的稳定性才能够最大程度上保证机械系统的连续性运行。同时，机械系统的稳定性能越高，其所使用的时间就越长，一旦系统的使用时间延长了，那么就会在一定程度上节约了使用成本，最大限度的提高整体的工作效率和工作质量，提高行业的经济效率，机械系统的稳定性好了，那么就能制造出优秀的机械产品，保证产品的质量。要想最大程度上保证机械系统的稳定程度，就要严格减少机械的震动程度，使机械减少不必要的摩擦，所以严格的对机械零件进行选择尤为重要。一般情况下，规格较大的机械制造的过程中产生的震动程度较高，摩擦的程度也较高，所以在对其进行设计制造的过程中，要最大程度上将机械零件规格进行小化处理。

3  机电一体化系统原理设计

3.1 机电一体化系统功能组成

若干个具有内在联系，且自身具有特定功能的机械装置、电子要素，共同构成机电一体化系统，进而对产品设计环节各类功能要求负责。德国Rolf Iserrmann将机电一体化功能模块拆解为五个功能模块，即主要部分、动力、计算测量、控制、构造。各自功能模块决定不同作用。主要部分是系统必需功能，对例如物质转换、能量输送等内容负责;动力模块对系统运行所需动力提供充足动力，保证系统正常运行;计算测量模块负责对维持系统运作的各类信息收集，并将其传送到控制模块;控制模块对计算模块收集并发送的数据进行处理，进而对系统进行整体控制;构造模块则是对系统整体构造负责，隶属于系统框架一类内容。

3.2 机电一体化系统组成要素

机电一体化系统各部分功能模块，无论是结构还是功能都不相同，但是其组成要素却主要由传感器、动力系统、驱动部分、信息控制与处理环节、执行模块几部分构成，具有一定体系。如果将机电一体化系统比作人体系統，可以简单看作传感器是人体五官，负责对系统运行与周边信息进行收集;动力系统可以看作人体内脏，是为系统运转提供最基础内容的部分;驱动部分则是人体的肌肉、肌腱等部分，是带动系统运作的重要组成部分;信息控制与处理环节可以看作人体大脑部分，是对传感器收集到的数据信息进行分析，从而对执行模块下命令，驱动系统运转的重要内容;而执行模块可以看作人体四肢部分，接收信息控制与处理环节信息数据后，让系统动起来的部分。

4  机电一体化系统的一种新认识

经过对众多机电一体化系统案例的剖析后，从机电一体化系统概念设计需要入手，本文提出将机电一体化系统的组成部分，从更广义的功能原理入手，来加以界定。对此，本文产生了以下的一些新认识：

①机械一体化化控制系统，是由电脑实现数据处理与控制的现代机械系统，它的终极目的是完成机械运动和动作。②从实现工艺的动态过程这一总体功能特点来看，工业机械一体化化控制系统又可以区分为：广义的执行机构子系统、传感检测子系统、数据处理和控制子系统，它分别实现了机械运动与动作、信号监测、数据处理和监控。③机电一体化控制系统中的执行机构子系统，有它的共同特点，它是将驱动部件与执行机构件（或执行机构）一体化的广义执行机构。这个机构的最大特色，就是可控性。

以上三点的新认识，使人们更有可能通过对机电一体化系统按功能特点加以分解，分别寻找相应的功能载体，并经过综合优化来进行机电一体化系统的概念设计中的一些方法。

5  机电一体化系统三个子系统的功能和特点

5.1 广义执行机构子系统

传统的传动与执行机构控制系统，均以由刚性物件所构成的形形色色机构组成来实现，它的最大问题就是缺乏可控性。广义的执行机构是把驱动部件和执行机构件（或执行机构）一体化，进行控制运动。所以广义的执行机构就是实现机械运动与动力转换和传递功能的功能载体，从实现功能角度来看它和传统的机械传动、机构没什么差别。

驱动元器件的类型很多，如电动机（包括步进电机、伺服电机、变频电机等等），以及液压、气动马达和动作缸、弹性元件、电磁铁结构、光能电机、形状记忆合金等。驱动部件的多样化，可使机电一体化控制系统得以更为高效工作。执行部件既可以为独立构件，也可能是传统机器中的输出部件。

驱动元器件和执行机构部件（或执行机构）的综合运用，使机电一体化控制系统更为高效地工作。如，步进电机就可以直接控制由执行机构部件完成控制的步进运动;再如，伺服电机与执行件整合能够实现控制的复杂多变的运动;还有，伺服电机与运行部分整合实现的各种控制运动，使得机构系统运动更具有柔性。

5.2 检测传感子系统

测量传感器，是进行物理量的测定与信息收集的重要功能载体。它是联系广义上执行子系统之间的中间纽带。我们可根据所测的物理量和所需要精度来加以选择。

5.3 信息处理及控制子系统

信息处理与控制子系统是由运动检测传感器提供的信号，并通过工艺动作流程和控制策略而实现对广义执行机构的控制。控制系统的进行也将按广义执行机构的运动学建模、动力学模拟来实现。它是由计算机和应用软件具体实施的。信息处理和控制子系统设计是实现现代机械系统智能化、自動化的重要。只有将驱动部件和执行机构系统的模型设置好，信息处理设备和控制器系统的结构与设计也就相对简单了。

6  机电一体化技术原理分析

剖析机电一体化构成要点，可看出组成机电一体化最主要的五大核心技术，依次是：传感器、数据处理、自动控制、系统驱动与精密控制。

作为机电一体化的关键部分，传感器科技在测控技术高速发展的大背景下，在人类生产生活中对传感器的测量速率、精度和灵敏度等内容均提出了更高需求，这将影响传感器急需技术创新，从而对传感器科技的高速发展带来了充足动能;信息处理技术主要是根据系统工作时数据信号进行输入、输出操作，并将其进行处理，使其符合系统运作需求。在信息处理阶段，操作人员可以对预先设计参数进行调整，使其更加符合作业需求;自动控制则是将系统所需内容进行数据，对关键数值输入后，让系统按照预先设计进行速度、运行等内容调控，并且可以实现自我诊断、数据校正，以及定向内容搜索与情景再现等内容。使系统即使在无人看管的情况下，也能保证正常生产运行，并且保证安全生产;系统驱动则是依靠例如电动、气动或者液压系统，直接影响系统运作。而在机电一体化系统中，例如电动机、马达、活塞等装置需求量较大，设备精度要求高。在节能环保的背景下，系统驱动往往取代以往的化石能源燃烧方式，采用电能或者风能提供能源，进而减少环境污染;而精密控制系统是自工业化生产，直到目前为止，一直被社会、学术界研究的内容，具有完整体系与技术内容，对生产产品质量具有较强影响效果。精密控制系统要求系统各个环节衔接到位，系统运行稳定。

7  机电一体化设计要求与方法

机电一体化不同功能模块，其设计要求不同，可以总结为以下内容：

主要部分要求系统误差小，保证系统作业安全，并且具有较强的抗干扰能力，在周围存在干扰的情况下，依旧可以正常运行系统。基于绿色工程理念，也要求污染物产生与排放的数量要少。基于节能环保理念，要求能源转化效率要高;动力模块则要求输入功率小，而动力源尽可能选择内装，避免外装动力源因环境影响，对系统运行造成负面影响;控制模块要求对可控的I/O端口数量适合即可，不需要过多。除配备自动控制系统外，还要预留手动控制方法，避免因系统故障，自动运行出现意外，没有预备方案对系统进行处理;构造模块的几何尺寸要小，让系统整体占地面积与空间小，适宜搬运与组装，但是构造的强度要强，避免因搬運造成磕碰，影响系统正常使用。

对机电一体化系统进行产品设计时，根据性质区分设计，可将其区分为三种性质，即开发性、适用性和变异性。开发性产品设计主要特点是在当前没有任何设计参照样例时，即通过对已有产品开发新动能，以提高新特性的产品设计，可理解为“从无到有”的一种产品设计;而适应性设计则是在不改变对已有产品总体设计原则的前提下，对设计方案的部分内涵加以改变，亦即通过微电子技术手段对已有产品的设计全面替代，从而更适用于当前生产作业;而变异性设计主要是在系统整体设计方案、功能内容不发生改变的情况下，对产品规格、尺寸等外观内容进行调整，使其与生产产品相符合的一种“变形”。

而根据方式区分与设计，又可分成机械互补、结合、组合等三类方式。机电互补法在对以下系统中陈旧、落后的机器部件改造工作过中比较普遍，重点是对其进行技术升级;结合法多应用于新设计中，即当以往的思考方向不产生变化时，再增加新型理论和内容，使之更适应于当前的作业要求;而组合法则是将机电互补法和结合法则相组合，对一体化系统的各个职能模块加以划分，重新组合成全新内容的一种设计方法。

8  机电一体化系统概念设计的应用

8.1 数控技术的应用

目前，机电一体化在数控技术开发领域已经获得了越来越普遍的运用，甚至开始扩展至机械控制系统中，包括了多功能数控车床、经济型数控机床和火焰切数控车床等。同时，数控技术还能够利用机械可操作的编程方式演化出流程型的加工智能技术，其能够通过主轴箱的指令来完成机械性的回转技术、换刀技术等。而在机械操作流程中，数控技术还能够进行科学型、信息型、指令递进型的转换，如最常用的CJK6153型数控技术，大多是以CAD指令为核心来实现加工物流管理中的机械动作。另外，对数控技术的有效扩展还能够更加明确了CAM技术与CAD技术之间的目标指向性，从而增强了其实际运用的整体效益，同时也实现了对数控技术的可视化运用，在有效扩展数据模型功能的同时，也实现了自动化发展。

8.2 运动控制

使用PLC可编程系统还能够做某些有特定要求的长距离运动，一般都会使用于工业或者生产场所中，对各种输入与输出接待以及输出设备进行合理的分布，在实际的使用过程中，还必须对PLC可编程控制器的内部信息加以综合以及对继电器加以编号，以便于改善PLC可编程控制器以及设备的电气特性以及自提高动化水平。要想保证设备长时间而平稳的工作使用，就必须对其进行优化设计以及各种输入与输出的设备合理分布，从而提高工作效能以及制造效率。PLC等可编程控制器可广泛应用于水泥搅拌站的工作，以处理某些实际生产问题，而针对此，企业必须进一步减少其对能源消耗和由于控制系统装置故障而造成的产量影响，以提升其对资源的利用效率。

8.3 科学地使用传感器，提升设备装配品质

传感器，可以测量和传递信息以及各种信息的物理设备，在机电一体化设备装配环节，科学使用传感器装置尤其关键，传感器的平稳工作，就可以保障机电一体化设备平安工作。在许多应用领域中，由于传感器的有效利用，就可以取代人工进行大量的工作，从而降低了成本，也保障机电一体化设备安装更加安全。尤其结合在某电子行业中的机电一体化装置而言，因为此行业正处于高危产业中，为更好的降低工业安全事故发生率，并保障作业人员的生命安全。可以把传感器运用于人工智能机械之中，通过使用人工智能机械来取代人力工作，使效率得以更进一步提高，从而确保了作业人员的生命安全。在中国煤炭行业的机电一体化装置安装中，通过合理使用传感器，可以对机电一体化进程产生良性促进作用，从而有效降低了人员、资金消耗，也更好的延伸了中国煤炭机电一体化装置的应用时期。

9  结束语

综上所述，在实现机械设计生产过程中，在数控技术、传感器技术、监控技术、动力设计、生产线中融入机电一体化信息技术，不但能够实现机械设计生产工作的顺利进行，同时还能够提升机械设计生产的总体效益与品质，促进机械设计生产产业的健康、可持续发展。

参考文献：

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