机电一体化系统原理方案设计

机电一体化系统原理方案设计

[摘要]机电一体化是当前生产机械发展的主要趋势，有着广阔的发展前景，对未来的机械生产有着重要的影响。而机电一体化系统原理的方案设计，作为机电一体化系统的核心组成部分，对机电一体化的总体设计影响深远。

[关键词]机电一体化；系统原理；方案设计

在机电一体化系统的设计中，机电一体化系统原理方案设计是总体设计的核心关键部分，具有有战略性和方向性的意义。一般来说，在机电一体化系统原理方案设计中，主要有这几种常用的方法：创造性方法、功能分析设计法、商品化设计思想及方法、评价与决策方法、变型产品设计中的模块化方法和相似产品系列设计方法等。本文主要是对机电一体化系统原理方案设计的功能分析设计法进行探究。

机电一体化系统原理方案设计有一定的设计步骤。机电一体化系统原理方案设计的功能分析设计法主要是从系统的功能出发，首先是经过技术过程的分析，然后再确定技术系统的效应，最后再寻找解决的途径。这种方法的主要特点就是通过功能关系的分析，把复杂的设计要求，变抽象为简单的模式，能够寻找到能满足设计对象主要功能关系的原理方案。

一、确定系统总功能

（一）设计问题的抽象化

在大量的实践中我们可以发现，同一设计任务往往会有许多不同的途径，而且许多方案的差异很大。而从当前的实际情况看，很多设计人员总是习惯先画几个总体方案，然后再从中选择一个，接着再进行具体的设计。从实践情况看，这种做法是带有一定的盲目性的，可能会让设计人员失去判断，不能判断方案是否最佳。主要是因为许多设计人员的知识和经验都不够丰富，具有一定的局限性；同时也是因为设计要求明细表一般是相当复杂的，很难进行直接求解。

为了解决上述问题，我们可以尝试进行抽象化，而抽象化的主要目的是：让设计人员能够暂时抛弃那些偶然情况和枝节问题，重点关注突出基本的、必要的要求，以便能够很好的抓住问题核心；同时能够清除构思方案前形成的条条框框，能够让设计人员放开视野，在思考中发现更理想的设计方案。

实践证明，通过有效的抽象化，设计人员能够在不涉及具体解决方案的情况下，就完全可以清晰地掌握所设计的产品的基本功能和主要约束条件，这紧紧的抓住了设计中的主要矛盾，也就能够把思维注意力集中到关键问题上来，最终可以准确的确定产品的总功能。比如说，采煤机可抽象为物料分离和移位设备；设

计轴的支承可抽象为相对运动表面间传递力和力矩。

（二）黑箱法

在机电一体化系统工程中，黑箱法是常用的抽象方法。我们可以这样比喻，设计的机电一体化系统在求解之前，就像一个看不清其内部结构的“黑箱”。那设计人员通过“黑箱”可以掌握所设计的系统与输入输出量，乃至外界环境的关系，这样就实现了摆脱具体的东西而按功能进行分析和思考的效果，这样就有效的避免了过早地确定某种原理方案的不利情况，能够让设计人员有更多的时间和空间，去思考探索，寻找新的、更好的方案。

系统的所有输入和输出都能够用物料、能搠料量、信号来概括。一般来说，物料流、能量流和信号流都会存在量和质的差异。比如说，数目、消耗量、体积、允许偏差、质量等级、信号功率、性能及效率等方面，都存在较大的差异。然而在黑箱法研究中，一般只会针对上述三种流进行定性的描述，以便将问题简化，以利于构思原理方案。

二、总功能分解

为了能够顺利的打开黑箱，首先需要确定黑箱能实现工作对象转化的工作原理。因为，在一般情况下，不一样的工作原理冷却剂将会让机电一体化系统具有不同的技术经济效果。通常情况下，系统都是较为复杂的，要想直接求得满足总功能的系统方案是很难的，因此，我们可以考虑按照启动信号系统分解的方法实行功能分解，以便能够建立功能结构图，这样就可以充分显示各功能元、分功能与总功能之间的关系，也能够利用各功能元之间的有机组合求出更好的系统方案。

系统的总功能可以分解为子功能(或称一级分功能、二级分功能……)，子功能又可再分解为功能元(最小单位)。也就是说，功能是有层次的，而且是能够逐层分解的。

下文我们将就功能元进行阐述。

在机电一体化系统设计中常用的基本功能元有物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。

1.物理功能元。其主要是集中反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作，常用的有转变一复原、放大一缩小、合并一分离、传导一绝缘、存储一提取。

转变一复原功能元，这个转变包括了各种类型的转变，如运动型式的转变、能量之间的转变、物态的转变、材料性质的转变及信号种类的转变等。

放大一缩小功能元，主要是指各种能量、信号向量或者物理量的放大与缩小

以及物料性质的缩放。

合并一分离功能元，主要有能量、物料、信号同质，或者是不同质数量上的结合，既有物料之间的合并与分离，也有流体与能量结合成压力流体(泵)的功能。

传导一绝缘功能元，其主要的功能就是可以有效的反映能量、物料、信号的位置变化。传导的形式多样，主要包括变向传导，单向传导，而绝缘则包括离合器、开关、阀门等。

存储一提取功能元，主要是指对各种能量、物料和信号的保存和释放，诸如弹簧、飞轮、电容器、电池等实现能量的存取；磁鼓、录音带等能够实现信号的存取。

2.数学功能元。其主要是反映数学的基本动作，诸如乘和除、加和减、积分和微分、乘方和开方等。一般而言，数学功能元主要适用于系统的加减机构和除法机构，比如机械台式计算机、差动轮系、求积仪等。

3.逻辑功能元。其主要是用于控制功能，包括“与”、“或”、“非”三元的逻辑动作。

三、求解功能元(分功能)

在前面讲述中，我们初步的探讨了机电一体化系统的总功能、功能元之间的关系，也简要说明了系统的输入和输出以及内部的转换。那么我们如何才能实现这些功能呢?其实要解决这个问题也就是要进行分功能或功能元的求解。物理作用和作用件确定了功能元的原理解法。那现在我们的任务就是，要找出实现各个分功能的物理作用，也就是要求得功能元的原理解，一般来说，主要有以下几种求解方法：

（一）直觉法

所谓的直觉法，就是主要依赖设计师凭个人的经验、创造能力和智慧，充分发挥自身的灵感思维，通过发散思维来求得各种分功能的原理解。一般来说，直觉思维是人对设计问题的一种自我判断，因此通常是非逻辑的，但是却能够迅速的、直接的抓住问题的本质。不过这不同于无中生有的胡思乱想，而是在设计者长期的经验积累下，经过思考而突然实现的思维和认识上的飞跃。

（二）调查分析法

设计师要想更好的解决问题，就必须要与时俱进，随时了解当前国内外技术发展状况，通过大量的文献资料查阅，包括专利资料、专业书刊、学术报告和研究论文等，进而能够掌握多种专业门类的最新研究成果。因为，这往往是设计师解决设计问题的重要源泉，是启发设计师灵感的主要渠道。

（三）设计目录法

设计目录是设计工作的一种行之有效的工具，可以说是设计信息的存储器与知识库。因为通过设计目录，能够以表格形式清晰的把设计过程中所需的大量解决方案，进行有规律地分类、排列和储存，这就为设计者查找和调用提供了方便。我们说是的设计目录与传统的设计手册和标准手册有所不同，其主要是为设计师提供分功能或功能元解，给设计者具体启发，帮助设计者具体构思，而不是零件的设计计算方法。

四、选择系统原理方案(解的组合方法)

在完成了各功能元的解后，根据一定的原则对这些功能载体根据功能结构进行合理组合，就可得到实现总功能的各种原理方案。在进行方案构思时，如果能够充分的利用形态学方法来建立形态学矩阵，那可以帮助设计者开拓思路，能够帮助设计者进一步探求科学的创新方案。

一般来说，设计者所得到的方案数是很大的。如果是复杂的大型设计问题，那所得方案数将十分巨大，以至无法一一检验。而大量的实践证明，在实际的设计中我们可以不用对其逐一检验，只要处理好两个关键的问题：

1.构成原理方案的各功能元解在物理上的相容性鉴别，能够从功能结构中的能量流、物料流、信号流能否不受干扰地连续流过，以及原理方案在几何学和运动学上是否有矛盾来进行直觉判断，从而顺利的排除那些不相容的方案。

2.从技术与经济效益的角度，挑选出几个较好的方案进行逐一比较。

五、结语

其实在设计中，设计人员除了要按照相关的原来和原则进行设计之外，还可以根据设计的需要，结合自己以往的经验，把自己设计过的类似设计和前期构思中形成的初步设想进行相互比较，然后进行精确的分析和判断，最终确定科学合理的设计方案。

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