机电一体化系统设计方法的探讨

吕文龙

（新乡职业技术学院，河南 新乡 453000）

机电一体化系统设计方法的探讨

吕文龙

（新乡职业技术学院，河南 新乡 453000）

机电一体化系统设计的目的是综合运用机械技术和电子技术各自的特长，迅速设计制造一个能够经济、方便、有效、可靠的满足用户需要的系统或产品。系统设计是一种创造性活动，必须依靠思考和推理，综合运用多种学科的专门知识和丰富的实践经验，才能获得正确、合理的设计。

系统设计原则；设计方法；设计类型；开发路线

1 系统设计原则

在系统设计时，需要考虑的因素很多，有技术的、经济的、社会的因素，但对于机电一体化系统设计，有如下一些共同的基本原则需要遵守。

1.1 机电互补原则

考虑到机械技术和电子技术自身的特点，相得益彰。比如，在经常需要调整系统转速的时候，可以用电子装置来代替齿轮调速装置，这样不仅可以提高调速精度而且灵活方便；采用PLC替代电磁继电器，不但可以大大提高系统可靠性，而且可以减小系统的体积和重量，给系统设计提供更大的灵活性。因此，根据机电互补原则进行系统设计，要求从机械技术、电子技术、硬件技术等方面来衡量的经济和技术的利弊，采取正确的选择。

1.2 功能优化原则

功能优化原则指在系统设计的时候，抓住用户最为关心的技术指标，特别是系统的可靠性、实用性、经济性等。对各种相关技术进行优化组合，而不是片面追求高指标、全功能。

1.3 自动化、省力化原则

高精度、高效率、高可靠性是机电一体化系统设计的重要指标，要求系统运行过程中可以实现自动的检测、控制、调节、记录和自动显示；在系统出现故障时能进行自动的诊断和采取应急措施，实现自动保护功能；在生产过程中生产任务变化的时候，可以灵活的改变，使其柔性化增加；更大限度地减少人为干预，降低人的体力和智力影响。

1.4 效益最大原则

在达到了系统功能目标和满足寿命要求时，尽可能的降低成本，需要合理的选用材料，多使用标准零件，正确进行结构设计，优化加工制造工艺，降低生产成本。优先使用先进的成熟技术，提高系统的技术附加值，增强系统的竞争力。

1.5 开发性原则

所谓开放性是指一组标准的原则，规范或约定统一的接口，通信和系统的外部连接，该系统可容纳的设备和软件产品的不同的生产厂家，还可以适应新的技术，以适应未来发展。

2 系统设计方法

机电一体化系统的复杂性决定了设计方法必须从有深入浅和化整为零两条途径入手，相应的方法是纵向分层法和横向分块法。

2.1 纵向分层法

笔者以句酷批改网“百万同题”活动的作文Are We More Connected or More Alone？为研究样本，要求学生在30分钟内完成，该次研究搜集了90份作文样本，每个专业30份，确保研究数据真实有效。每个样本在经过批改网批改后形成一份数据，再请三名有经验的教师进行人工批改，获得第二份数据，将两组数据进行比较。

纵向分层法是从系统的整体设计出发，按照系统的垂直结构设计和系统功能设计，将机电一体化系统的结构层次设计与相关的企业组织架构相对应，根据不同的任务，由相关的部门来完成，即将宏观的系统设计与微观的具体结构设计相结合的科学方法。宏观的战略性设计和微观的战术性设计是不同层面的设计方法，前者由企业的高级技术和管理部门结合专家意见来完成，对机电一体化系统规划出其总体的经济、技术要求等宏观项目计划。后者是根据战略性设计，将宏观设计落实到具体的技术设计和实施方案，通常由专门的技术部门来实施完成。

2.2 横向分块法

该方法是将系统设计分成几个功能模块来分别进行专门的设计，最后将各个模块连成一个有机的整体，执行系统功能。这种化整为零的方法非常直观并且易于实施。在考虑机械系统与电子技术有机结合的设计中，通常有3种设计方法：

（1）替代法。利用通用或专用电子元件取代传动机械零部件（或系统）中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。例如，使用伺服电机来代替齿轮调速系统，不仅可以增加调速范围，调速精度，还可以改变扭矩，不仅结构简单设计方便，还可以缩短制造周期。

电子元件遵循摩尔定律，在一个周期后性能提高一倍，价格降低一倍，随着电子科学技术的发展和进步，电子部件代替机械部件的场合比较多，因此，替代法将是机电一体化系统设计和改造的最常用的设计方法。

（3）组合法。将融合法制成的功能部件（子系统）、功能模块，搭积木式地组合成各种机电一体化系统，即将不同的功能部件进行有效的搭配组合，形成机电一体化产品，如将收音机和录音机的功能组合成功能更多更全的收录机，手机与摄像头功能的组合形成具有摄像功能的手机。这种组合不是其功能简单的叠加，而是充分体现系统的整体性，在考虑多个组合功能的基础上进行创新设计和改造。

3 机电一体化设计类型

3.3 开放性设计

开放性设计是在既无参考系统，又无具体设计方案的情形下，仅仅根据抽象的设计原理和满足新系统的性能要求进行的原创性设计，具有很强的突破和创新性。

3.2 适用性设计

适用性设计是指在大的方案和原理基本保持不变的情况下，对现有系统进行局部改进，例如，用电子装置代替原有的机械结构，或者为了实现自动化控制，对机械结构进行的局部适应性变动。

3.3 变异性设计

变异性设计是指在设计方案原理和功能结构不变的情况下，仅改变现有系统的规格尺寸，使之适应某种量值变化的要求。

4 机电一体化系统开发路线

按照系统工程和软件工程的方法论，可以用生命周期法对机电一体化系统进行工程开发。机电一体化系统开发分为总体设计、部件设计和零件设计、技术设计和工艺设计，其工程路线为：（1）可行性论证；（2）初步设计；（3）详细设计；（4）实施和测试；（5）运行和维护。

为确保工程质量，尽早发现设计中存在的问题，提高开发效率，生命周期发要求在每个阶段结束时通过评审才能进入下个阶段工作。可以看出，上述系统开发过程与企业产品中的开发决策、产品设计、零件设计、加工、装配与测试、使用及维修的过程十分相似的。

［1]陈荷娟.机电一体化系统设计［M].北京理工大学出版社，2013.

［2]吕强.机电一体化原理与应用（第3版）［M].国防工业出版社，2010.

［3]蔡鹤皋.机电一体化技术手册（第一卷）［M].机械工业出版社，1999.

吕文龙（1985—），男，河南延津人，湖北汽车工业学院工学学士，新乡职业技术学院助理讲师，研究方向：机械设计制造及其自动化、数控加工。