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| 微特電機論文：機電一體化系統設計理念認識禁忌 |
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由于機電一體化是近來剛剛發展起來的一門新興高科技，現在還處于不斷發展和完善的過程中。到目前為止，國際上還沒有統一的關于機電一體化的定義和詳盡解釋。人們由于各自的出發點和著眼點不同，所作出的定義和解釋也不盡相同，難免會存在一定的誤區。為防止設計者對機電一體化系統設計理念上犯認識錯誤，避免在機電一體化系統設計中走彎路，本節首先提出有關機電一體化系統設計理念認識上的禁忌。
1)禁忌把機電一體化技術簡單地理解為機械與電子相加的技術，這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術由純機械發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大人的體力。但是隨著Ic、LsI、VLsI等為代表的微電子技術的驚人發展，計算機本身也發生了根本變革，以微型計算機為代表的微電子技術逐步迅速向機械領域滲透，并與機械技術有機地結合，為機械增添了“頭腦”，增加了新的功能和性能，從而發展到以機電有機結合為特征的機電一體化。其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予產品許多新的智能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制、自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有“智能柔性化”的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質差別。
2)禁忌把機電一體化看作機械技術、微電子技術以及其他新技術的簡單組合、拼湊，而是有機地相互結合或融合，是有其客觀科學規律的。簡言之，機電一體化這一新興交叉綜合學科有其理論基礎、設計技術和研究方法，只有對其有了充分理解，才能正確地進行機電一體化工作。為了實現其“目的功能”，必須從系統角度出發，不拘泥于機械技術或電子技術，并寄希望于能夠使各種功能要素構成****結合的智能柔性技術與方法。機電一體化技術就是這種技術和方法的統一。
3)禁忌再采用過去那種拼拼湊湊的所謂“混合”設計法來進行機電一體化的設計，應該從系統的高角度出發，采用現代設計分析新方法，充分發揮邊緣學科技術的優勢。因為機電一體化的目的是使系統(產品)多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使產品結構向輕、薄、短、小巧化方向發展，不斷滿足人們生活的多樣化需求和生產的省力化、自動化需求。滿足這些需求的產品單靠機械技術或微電子技術都是無法實現的。唯有依靠機械的電子化才能開辟兩者單獨都不能達到的新領域。所以說，機電一體化既是機械工程發展的繼續，同時也是電子技術應用的必然。這些都只有采用了機電一體化的現代設計分析新方法，才能實現。
4)禁忌再用過去那種只側重于局部和靜止的機械研究方法來研究機電一體化中的技術問題。計算機控制與機械系統相結合而形成的機電一體化系統，是一門高新技術科學，是研究現代控制論在機械工程中應用的科學。由于當前機械設計與制造技術正在向著機電緊密結合、高度自動化的方向發展，各種先進的現代機電一體化產品和自動加工系統不斷涌現，過去那種只側重于局部和靜止的機械研究方法已經不能適用。事實上，即使是對過去那種普通的機械加工過程，也不能孤立地只去研究v、f、a的選擇。因為在整個生產和加工過程中，實際上是存在著一種動力的傳遞過程，也就是說，這實際上是一個動力系統在工作。從這點出發，應該把它歸納到動態系統的范圍內來解決，這才是抓住了問題的本質。
5)禁忌墨守成規，總抱著傳統的設計方法不放，要進行機電一體化系統設計，必須熟知現代系統設計的特征，大力推廣和盡可能采用現代設計方法。現代系統設計的過程就是“目標一功能一結構_÷效果”的多次分析與綜合的過程。其中，綜合可理解為各種解決問題要素拼合的模型化過程，這是一種高度的創造行為；分析則是綜合的反向行為，也是提高綜合水平的必要手段，分析也是分解與剖析，對綜合后解決方案提出質疑、論證和改革。通過分析，排除不合適的方案或方案中不合適的部分，為改善、提高和評價作準備。綜合與分析是相互作用的，當一種基本設想或方案產生后，接著就要分析它，找出改進方向。這個過程一直持續進行，直到整個設想或方案基本定型或被否定為止。
隨著工業高度發展、人民生活水平的提高，迫切要求大幅度地提高機電一體化系統設計工作的質量和速度，因此在機電一體化系統設計中大力推廣和盡可能運用現代設計方法，提高設計水平，是機電一體化系統設計發展的必然趨勢。現代設計方法與用經驗公式、圖表和手冊為設計依據的傳統的設計方法截然不同，它是以計算機為手段，其設計步驟通常如下：
“技術預測一信號分析一科學類比一系統分析設計一創造設計一因時制宜地選擇各種具體的現代設計方法(如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態分析法、優化設計法、模糊設計法等)一機電一體化系統設計質量的綜合評價”。由于設計理念的更新，現代機電一體化系統設計具有區別于傳統設計的顯著特征。
①現代設計的實踐活動是由一定的設計原理和設計理論做指導，有意識地按照事(設計活動)物(設計對象)自身的內在規律進行設計，不同于單純依靠經驗的傳統設計工作。因此，必然能夠獲得很高的設計成功率。
②現代設計致力于澄清設計任務與設計目標，全面、系統地確定設計過程的起始條件和最終結果，因此，可以使設計過程始終從實際出發，達到預定的目標，取得優于傳統設計的結果。
③現代設計十分重視設計策略和戰略過程的研究，建立一種合理的設計秩序，并且嚴格按照規范化的設計進程進行工作，求得較高的工作質量和效率。
，④現代設計極其強調抽象的設計構思，防止過早地進入某一已經定型的實體結構的分析，以便對系統的工作原理和結構關系做本質上的和創新型的設計構思。
⑤現代設計經常采用擴展性的設計思維，自始至終地在多種可行的方案中尋求構思，以便從中選擇確定能夠令人滿意的解決方案，改變了傳統設計中慣用的封閉式的設計思維和忽視方案搜索的現象，能夠達到較高的滿意程度。
⑥現代設計十分強調評價決策，盡量避免直接決策，排除決策中的主觀因素，使得在決策中所選定的設計方案能夠達到****的價值水平。
⑦現代設計采用結構優化設計，對結構形式、技術參數和技術性能進行各種不同性質的優化設計，以求得綜合優化的效果。
⑧現代設計重視運用計算機輔助人工設計，使設計人員從繁重的設計作業中解脫出來，致力于創造性的設計研究工作并提高作業質量。
⑨現代設計注重系統地進行概念設計，采用特殊形式表達設計結果。
為此，要進行機電一體化設計，就必須以全新的設計理念，深入探討現代系統設計的特征，大力推廣和盡可能采用現代設計方法。
6)禁忌玩弄花架子、趕時髦、搞擺設，應全力真正在技術、功能和效益上下功夫，并有所突破、有所創新、搞強、搞活、搞大，在激烈的市場中保持明顯優勢和競爭力，就要真正做到：
①縮短產品研發周期，加速產品更新換代。用戶對產品的需求是經常變化的，為T．t應用戶對象和現場條件不斷變化的需求，往往要求及時對產品的結構和生產過程作必要的調整、修改。對于這種調整和修改，機電一體化技術可通過控制程序，即軟件的變更來實現，而無需或很少改裝設備及裝置。由于機電一體化技術具有良好的柔性，特別適合于多品種、小批量產品的生產，是縮短產品開發周期、加速更新換代的重要途徑。
②提高精度，增強功能。機電一體化技術使機械傳動部件減少，使機械磨損、配合同隙及受力變形等因素引起的誤差大大減小。由于采用電子技術實現自動檢測和控制、補償、校正等，克服了各種干擾因素造成的動態誤差，從而達到單純機械裝備所不能實現的工作精度。例如，采用微型計算機誤差分離技術的電子化圓度儀，其測量精度由原來的0·025μm提高到0．01μm；大型鏜銑床安裝感應同步器數顯裝置后，將加工精度從6μm提高到2μm。
現代高新技術的引入，極大地改變了機械工業產品的面貌，并具備多種復合功能，成為機電一體化產品和應用技術的一個顯著特征。例如，加工中心機床可以一次裝卡完成多臺普通機床上的多道工序，還有自動檢測工件和刀具的精度、自動顯示刀具動態軌跡圖形、自動保護和自動故障診斷等極強的應用功能，配有機器人的大型激光加工中心，能夠完成自動焊接、劃線、切割、鉆孔、熱處理等操作，還可以加工金屬、塑料、陶瓷、木材、橡膠等各種材料。這種極強的復合功能，是傳統機械加工系統所不能比擬的。
③簡化結構，減輕重量。機電一體化系統采用新型電力電子器件和傳動技術，代替笨重的老式電氣控制的復雜機械變速傳動，由微處理機和集成電路等微電子元件和程序邏輯軟件，完成過去靠機械傳動鏈來實現的關聯運動，從而使機電一體化產品體積減小，結構簡單，重量減輕。例如，無換向器電動機，其將電子控制與相應的電動機電磁結構相結合，取消了傳統的換向電刷，簡化了電動機結構，提高了電動機壽命和運行特性，并縮小了體積；數控精密插齒機，可節省齒輪等傳動部件；一臺現金出納機用微處理機控制，可取代幾百個機械傳動部件。采用機電一體化技術簡化結構、減輕重量，對于航空航天技術而言，更具有特殊的意義。
④改善勞動條件，有利于自動化生產。機電一體化產品自動化程度高，是知識密集型和技術密集型產品，是將人們從繁重體力勞動中解放出來的重要途徑，可以加速工廠自動化、辦公自動化、農業自動化、交通自動化甚至家庭自動化，從而可促進我國四個現代化的實現。
⑤操作簡便，使用安全可靠。機電一體化產品在設計和制造時，充分考慮用戶操作的方便性，一般都有與用戶友好的接口及界面，用戶很容易掌握和操作。有些產品(如微機控 制全自動洗衣機)操作者只需按下啟動按鈕，機器就可自動完成全部操作。為了適應現場條件的變化(如環境溫度電源電壓變動等)，有些產品可自動進行調整，有些則需人們很少的干預。
在機電一體化產品中，一般都具有自動監視、報警、自動診斷、自動保護甚至自動修復的功能。當遇到過載、過壓、過流、短路、漏電、停電之類的情況，能夠自動采取措施加以保護，避免或減少人身傷亡和設備事故的發生，顯著提高設備使用的安全性。
由于機電一體化產品減少了可動部件和易磨損件，盡量采用可靠性很高的集成電路使產品故障率降低、壽命提高、維護檢修方便，使裝置長期可靠運行，無需維修或只需很少維修。
⑥提高生產效率，降低成本。機電一體化生產系統，能夠減少生產準備和輔助時間，縮短薪產品的開發周期，提高產品合格率，減少操作人員，提高生產效率，降低生產成本。
我國工業鍋爐以燃煤為主，年耗煤量占全國原煤產量的1／3左右。由于多數是人工控制，燃料浪費很大。采用機電一體化的控制設備后，平均熱效率可提高5％左右。據有關部門估算，我國使用鍋爐約43萬臺，按節電率25％計算，年節電量可達58×10skW．h。例如，數控機床生產效率比普通機床高5～6倍，柔性制造系統可使生產周期縮短40％，生產成本降低50％。
⑦節約能源，降低消耗。節約一次和二次能源是國家的戰略目標，也是用戶十分關心的問題。機電一體化產品通過采用低能低耗驅動機構，****的調節控制，以提高設備的能源利用率，可達到明顯的節能效果。例如，汽車電子點火器，由于控制****點火時間和狀態，可大大節約汽車耗油量；若將節流工況下運行的風機、水泵隨工況變速運行，平均可節電30％；工業鍋爐若采用計算機精確控制燃料與空氣的混合比，可節煤5％～20％；還有被稱為電老虎的電弧爐，是****的耗電設備之一，如改用微型計算機實現****功率控制，可節電20％。
⑧增強市場的競爭能力。機電一體化使產品易于實現更新和升級換代，其技術經濟性能指標容易提高，使原來的低、中檔產品性能價格比顯著提高，上升為高檔產品；又由于在功能、水平、質量、品種和使用效果方面，能更好地跟蹤國內外時代發展的需求，與時俱進；因此，具有極強的競爭能力，易于打開銷路，占領國內外市場。
目前我國制造的有些設備，雖然其結構比較先進。但由于控制系統的水平落后，難以為國際市場接受，削弱了與其他國家同類型產品競爭能力，結果難以出口，或者以相當低的價格只出口機械本體，既影響出口量，也減少了刨匯率。因此，無論是生產部還是使用單位，機電一體化技術和產品，都會帶來顯著的社會和經濟效益。所以，我國要成為創新型國家，就應該全力真正在技術、功能和效益上下功夫，大搞開發創新。
機電一體化是微電子技術向傳統機械工業滲透過程中逐漸形成的一個新概念，是機械技術、微電子技術和信息技術相互交叉融合的產物。機電一體化打破了傳統的機械工程、電子工程、化學工程、建筑工程、信息工程、控制工程等舊模塊的劃分，形成了融機械技術、控制技術、微電子(微型計算機)技術、信息技術等多種技術為一體的一門新興的交叉、綜合科學。只有真正掌握了機電一體化系統設計的正確理念和方法，了解了容易出現的認識誤區和禁忌，才能順利地設計出先進而實用的機電一體化系統和產品來。
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