1. 機電一體化系統的設計理念
機電一體化技術是利用微電子技術賦予機械系統“智能”，使其具有更高的自動化程度，****限度地發揮機械能力的一種技術。為使系統(產品)得到****性能，設計人員應從其通用性、環境適應性、可靠性、經濟性等方面進行綜合分析。一方面要求設計機械系統時應選擇好與控制系統的電氣參數相匹配的機械系統參數，同時也要求設計控制系統時，應根據機械系統的固有結構參數來選擇和確定電氣參數，綜合應用機械技術與微電子技術，使二者緊密結合、相互協調、相互補充，充分體現機電一體化的優越性。
1.1 設計思想機電一體化系統(產品)設計的設計思想通常有以下3種：機電互補法、結合法(融合法)和組合法，其宗旨都是綜合運用機械技術和微電子技術各自的特長，設計出****的機電一體化系統(產品)。
(1)機電互補法機電互補法也可稱為取代法，是利用通用或專用電子部件取代傳統機械產品中的復雜機械功能部件或功能子系統，如用可編程序控制器(PLc)或計算機來取代機械式變速機構等；采用步進電動機來代替某些條件下的凸輪機構；用電子式傳感器(光電開關、磁尺等)取代機械擋塊、行程開關等，可大大提高檢測精度、靈敏度。總之，用電子技術的長處來彌補機械技術的不足，達到簡化機械結構、提高系統性能的目的。
(2)結合(融合)法結合(融合)法是將各組成要素有機地結合為一體，構成專用或通用的功能部件(子系統)，要素之間機電參數的有機匹配比較充分。例如，將電子凸輪、電子齒輪作為產品應用在機電一體化系統中，就是結合法的具體應用。在大規模集成電路和計算機不斷普及的今天，隨著精密機械技術的發展，完全能夠設計出執行元件、運動機構、檢測傳感器、控制與機體等要素有機地融為一體的機電一體化系統。
(3)組合法組合法是將結合法制成的功能部件(子系統)、功能模塊，像搭積木那樣組合成各種機電一體化系統(產品)，故稱組合法。例如，將工業機器人各自由度(伺服軸)的執行元件、運動機構、檢測傳感元件和控制器等組成機電一體化的功能部件(或子系統)，用于不同的關節，可組成工業機器人的回轉、伸縮、俯仰等各種功能模塊系列，從而組合成結構和用途不同的工業機器人。在新產品系列及設備的機電一體化改造中，應用這種方法可以縮短設計與研制周期、節約工裝設備費用，且有利于生產管理、使用和維修。
1.2．設計類型機電一體化系統(產品)的設計類型一般可分為開發性設計、適應性設計和變型設計。
(1)開發性設計在工作原理、結構等完全未知的情況下，沒有參照產品，應用成熟的科學技術或經過試驗證明是可行的新技術，設計出質量和性能方面滿足目的要求的新產品；這是一種完全創新的設計。最初的錄像機、攝像機、電視機的設計就屬于開發性設計。
(2)適應性設計在總的方案原理基本保持不變的情況下，對現有產品進行局部更改，或用微電子技術代替原有的機械結構，或為了進行微電子控制對機械結構進行局部適應性設計，以使產品的性能和質量增加某些附加價值。例如，電子式照相機采用電子快門、自動曝光代替手動調整，使其小型化、智能化；汽車的電子式汽油噴射裝置代替原來的機械控制汽油噴射裝置；電子式縫紉機使用計算機控制就屬于適應性設計。
(3)變型設計在已有產品的基礎上，針對原有缺點或新的工作要求，從工作原理、功能結構、執行機構類型和尺寸等方面進行一些變異，設計出新產品以適應市場需要，增強市場競爭力。這種設計也可包括在基本型產品的基礎上，工作原理保持不變，開發出不同參數、不同尺寸和不同功能和性能的變型系列產品。
機電一體化領域多變的設計類型，要求我們摸索一套現代化設計的普遍規律以適應不斷更新換代的需要。所有機電一體化設計都是為了獲得用來構成產品(或系統)的有用信息，因此，必須從信息載體中提取可感知的或不可感知的、真偽難辨的信息，促進機械與電子的有機結合，滿足人們的多樣化需要。
1.3．設計準則
設計準則主要考慮“人、機、材料、成本”等因素，而產品的可靠性、實用性與完善性設計最終歸結于：在保證目的功能要求與使用壽命的前提下不斷降低成本，以降低成本為核心的設計準則不勝枚舉。產品成本的高低70％決定于設計階段。因此，在設計階段可以從新產品和現有產品改型兩方面采取措施，一是從用戶需求出發降低使用成本，二是從制造廠的立場出發降低設計與制造成本。從用戶需求出發就是減少綜合工程費用，它包括為了讓產品在使用保障期內無故障地運行而提高功能率，延長平均無故障時間(MTBF，即從一個故障排除后到下一個故障發生時的平均時間)，減少因故障停機給用戶造成的損失，進一步提高產品的工作能力。
1.4．設計規律
總結機電一體化系統的設計，通常具有以下規律：根據設計要求首先確定離散元素間的關系，然后研究其相互間的物理關系，這樣就可根據設計要求和手冊確定其結構關系，最終完成全部設計工作。其中確定邏輯關系階段是關鍵，如邏輯關系不合理，其設計也必然不合理。在這一階段可分為兩個步驟完成：首先進行功能分解，確定邏輯關系和功能結構；然后建立其物理模型，確定其物理作用關系。所謂功能就是使元素或子系統的輸出滿足設計要求。一般來說，不可能用某種簡單結構一下子就滿足總功能要求，需要進行功能分解，總功能可以分解成若干子功能，子功能還可以進行進一步分解，直到功能元素。將這些子功能或功能元素按一定邏輯關系連接，來滿足總功能的要求，這樣就形成所謂的功能結構。
2機電一體化工程路線
機電一體化工程是應用機電一體化技術進行產品開發研制的整個過程體系。機電一體化工程包括市場調研、產品構思、方案設計和評價、詳細設計、質量規劃、制造工藝規劃、樣機試制、正式生產、用戶意見反饋、修改與完善等各個階段，其工程路線如圖1．8所示。
在實施機電一體化工程中，要正確處理好質量和成本、市場需求與技術經濟實力、長期發展與短期利益等矛盾的關系，以保證既滿足市場需求，使產品具有足夠的市場競爭力，又符合當前的實力情況，可從中獲得較大的技術經濟效益和社會效益，為進一步發展奠定良好的基礎。
3機電一體化系統設計流程
所謂設計是指為某一技術任務給出一個盡可能好的解決方法所必需的一切綜合和分折活動。而盡可能好的解決方法則是指一個十分可靠的、經濟可行的、能滿足各種限制條件的解決方法機電一體化產品覆蓋面很廣，在系統構成上有著不同的層次，但在系統設計上有著共同的規律．系統設計是根據系統論的觀點，運用現代設計的方法構造產品結構賦予產品性能并進行產品設計的過程。機電一體化系統設計流程如圖1—9所示。
主要設計過程可分為5個階段：產品規劃、概念設計、詳細設計、設計實和設計定型 階段。
第1階段：產品規劃階段。產品規劃要求進行需求分析、需求設計、可行性分析，確定設計參數及制約條件，最后給出詳細的設計任務書，作為設計、評價和決策的依據。
第2階段：概念設計階段。由于需求是以產品的功能來體現的，功能與產品設計的關系是因果關系，概念設計是根據系統的總功能要求和構成系統的功能要素進行總功能分解，劃分出各功能模塊，確定它們之間的邏輯關系；然后對各功能模塊輸入輸出關系進行分析，確定功能模塊的技術參數和控制策略、系統的外觀造型和總體結構；最后以技術文件的形式交付設計組討論、審定。由于體現同一功能的產品可以有多種多樣的工作原理，一項設計通常有幾種不同的設計方案，每一種方案都有其優點和缺點，所以在概念設計階段應對不同的方案進行整體評價，選擇綜合指標****的設計方案。
因此，這一階段的最終目標就是在功能分析的基礎上，通過構想設計理念、創新構思、搜索探求、優化篩選取得較理想的工作原理方案。
第3階段：詳細設計階段。該階段根據設計目標，對各功能模塊進行設計，繪制相應的工程圖；對于有過程控制要求的系統應建立各要素的數學模型，確定控制算法；計算各功能模塊之間接口的輸入輸出參數，確定接口設計的任務歸屬。然后以功能模塊為單元，根據接口參數的要求對信號檢測及轉換、機械傳動及工作機構、控制計算機、功率驅動及執行元件等進行功能模塊的選型、組配和設計；最后對所做的設計進行整體技術經濟評價、設計目標考核和系統優化，挑選出綜合性能指標****的設計。功能模塊是實現菜一特定功能的具有標準化、通用化或系列化的技術物理效應。功能模塊在形式上，對于硬件表現為具體的設備、裝置或電路板，對于軟件則表現為具體的應用子程序或軟件包。
這個階段的工作量較大，既包括機械、電氣、電子、控制與計算機軟件等系統的設計，又包括總裝圖和零件圖的繪制。應該盡量應用各種cAD工具，以提高工效；設計應盡量模塊化和結構化，以利于改進，或進行產品換代時參考。
第4階段：設計實施階段。在這一階段中首先根據機械、電氣圖樣和算法文件，制造、裝配和編制各功能模塊；然后進行模塊的調試；最后進行系統整體的安裝、調試，復核系統的可靠性及抗干擾性。
第5階段：設計定型階段。這個階段的主要任務是對調試成功的系統進行工藝定型，整理出設計圖樣、軟件清單、零部件清單、元器件清單及調試記錄等；編寫設計說明書，為產品投產時的工藝設計、材料采購和銷售提供詳細的技術檔案資料。
縱觀系統的設計流程，設計過程的各階段均貫穿著圍繞產品設計的目標所進行的“基本原理一總體布局一細部結構”三次循環設計，每一階段均構成一個循環體，即以產品的規劃和討論為中心的可行性設計循環；以產品的****方案為中心的概念性設計循環；以產品性能和結構優化為中心的技術性設計循環。循環設計使產品設計在可行性規劃和論證的基礎上求得概念上的****方案，再在****方案的基礎上求得技術上的優化，使系統設計的效率和質量大大地提高。
4 機電一體化系統的四視圖設計傳統機械主要是由機械結構完成其功能。因此，在描述和設計傳統機械時，表達機械結構的“三視圖”，就成為主要的工具。而現代機械系統是由計算機信息系統協調控制的機電一體化系統，機械設計的“三視圖”顯然不足以用來設計機電一體化系統。仿照“三視圖”
的提法，目前多采用功能視圖、結構視圖、控制視圖和信息視圖的“四視圖”來設計機電一體化系統。
4.1．功能視圖所謂功能視圖就是對機電一體化系統的基本功能以及為實現基本功能的輔助功能的描述與設計。從價值工程角度出發，通過功能視圖，可以對機電一體化系統應具備的功能加以確定，并加深理解和搞清各類功能之間的關系，適當調整功能比重，使產品的功能結構更加合理。在功能設計時，合理賦予機電一體化產品各種功能，不僅要從當前市場需求及使用需要出發，還要把握技術的進步和社會的發展，引導對功能“消費”的需求，例如：給手機賦予上網功能等。從設計創新角度出發，在確定系統的總體功能基礎上，研究功能實現的原理，通過細致的功能分解，以形態矩陣的方式，羅列出實現功能的可能的技術方案，經過評價決策，開發出實現主功能的****技術系統。
因此，在機電一體化產品(系統)的功能視圖中，應包括以下內容：
1)功能組成圖。描述系統的基本功能和輔助功能組成。用功能樹進行功能的細分，直至分解成功能元。
2)主功能的功能原理圖。采用成熟的技術方案或新的技術方法、科學原理，實現主功能和其他功能，并用簡明的原理圖進行說明。
3)形態矩陣圖。在進行創新設計時，為了優化技術方案，對功能細分后得出的功能元，用形態矩陣羅列出實現功能的可能的技術方案。
4)從價值工程出發進行方案比較和評價，形成優化的技術系統。
4. 2．結構視圖機電一體化中的機械是集動力功能、作業功能、連接功能為一體的系統。結構是機械產品的基礎，也是系統集成的基礎。設計者在結構視圖中，通過選取已系列化的機電部件以及設計制作適當的元器件和零件，圍繞實現主功能，來實現設計的集成化，以及創新的總體結構、部件結構和零件結構。這就要求設計者除了自己能獨立研究工作外，還要不斷跟蹤市場****信息，分析比較不同產品的特點和價格，并運用現代的設計軟件和工具，才能在接到設計任務后，快速反應，設計出價值****的創新產品，達到敏捷制造的要求。在系統方案設計或初步設計階段，結構視圖應表達出以下內容：
(1)總體布局圖機電一體化系統(產品)的總體布局與系統的功能、傳動方式、集成工藝等有關，也涉及人機工程、外觀功能等工業設計因素，還要考慮環境的約束等。由于機電一體化系統一般是由多個機電一體化部件和單元集成起來的，在總體布局時可以利用三維設計軟件，以利于形象表達及修改比較。
(2)傳動系統圖 用簡圖描述各個運動部件的運動原理、傳動方式、運動的相互關系，具體表明工作原理、運動關系，便于進一步的分析和設計。
(3)特殊結構的原理圖對于在總體布局及傳動系統圖中未表達清楚的、對整個系統功能有較大影響的或有較大創新結構的，應在結構視圖中專門給予描述，以利于進行評價。
4. 3．控制視圖機電一體化系統可以解耦為由信息系統耦合、協調起來的若干個機電一體化單元；控制視圖用來描述及設計這些機電一體化單元的原理組成及協調控制的方法，同時描述信息系統的組成及接口。在系統的總體設計或方案設計時，控制視圖由以下部分組成：
(1)機電一體化單元對核心的、主要的機電一體化單元，例如：電主軸系統和由伺疆電動機、傳動機構、工作臺及編碼器組成的進給系統是數控機床的主要機電一體化單元，需要采用框圖、原理結構圖描述其工作原理、組成、控制檢測方法。通過這些描述和分析，明確控制要求、指令形式及連接方法，也為進一步的分析、設計打下基礎。
(2)控制器框圖 機電一體化系統的控制器是由計算機為核心組成的信息系統。控制器框圖應描述控制器的硬件組成、資源配置以及cPu與接日器件、控制器與操作者、控制器與機電一體化單元及機械本體的連接關系，在控制器框圖中可以分析出接口的需求。
控制視圖的核心部分是對控制計算機的功能結構的分析與描述。控制計算機由硬件和軟件組成，在分析時，需要確定硬件和軟件的功能界面，哪些功能由硬件實現****，哪些功能由軟件實現****，即考慮如何從硬、軟件兩方面統一實現一個****的計算機控制系統。因此，需要研究控制器各功能部件(或模塊、接口卡)之間的邏輯關系、指令系統、數據類型和格式、編址和尋址方式、輸入輸出系統連接方式、中斷系統的功能等。分析和設計的主要任務包括需求分析、需求說明、概念性設計、具體設計、優化和評價等。
由于信息技術、微電子技術、電力電子技術等的飛速發展，提供給設計者大量高性能的控制板卡及產品供設計選擇，因此，要求設計人員隨時跟蹤市場****技術，優化設計出性價比****的控制系統。
4. 4．信息視圖機電一體化產品和傳統機械產品的最本質區別就在于機電一體化產品具有信息系統。它能理解操作者發出的控制命令或信息，并轉換成機器運動控制信息。機器對信息的理解和轉換的過程深刻地反映了機電一體化系統的工作原理、控制方法和信息功能。信息視圖就是用來描述機電一體化系統中信息流的工具。機電一體化產品中的信息流包括由人機界面輸入的命令轉換為對機電一體化基本單元控制輸出的信息流，協調各信息變換模塊工作的控制流等。在計算機控制的機電一體化系統中的信息流主要是經過軟件變換的數據流。因此，信息流的分析又是系統軟件設計的基礎。
信息視圖主要描述機電一體化系統從人機界面上輸入的控制信息是如何一步一步變換成為對機器各執行部件的控制信號的輸出的，特別是在計算機中流經軟件的數據流。數據流程圖提供了描述系統內信息流特征的圖形方式，它主要描述信息的傳遞與變換。數據流程圖在分析時要盡量細化，并確定一些中間信息，但它不是程序框圖，在圖中不需要標出判斷、控制流、循環以及軟件的過程。
在分析和完善數據流的基礎上，研究數據流的特點，可以確定軟件的結構。由于數據流程圖和軟件的頂層結構有明確的對應關系，完善和細化數據流程圖的過程，也就是完善軟件結構圖的過程。在完成了軟件結構的初步設計后，按照軟件工程的方法可以寫出軟件的需求書，進一步完成軟件設計。
在當今信息化的時代，對于機電一體化產品來說，為凸現信息流設計的重要性，信息視圖的提出是必要的。某些機電一體化新產品除了從機械本體上設計信息流，把輸入控制信息變換為機械控制信息的過程之外，作為信息視圖的一部分，還把機械設備的信息流通過網絡與管理層、用戶和有興趣的訪客等聯系起來，使管理層能實時查詢機械工作情況，進行計劃調度；用戶可以遠程監控，故障排除；有購買意向的訪客可以了解產品的工作性能和狀態等。如日本Mazak公司新推出的e一410H型臥式加工中心，作為機床的一個部件設計了信息塔(e Tower)。該機床可通過信息塔與工廠計算機管理系統聯網，實現加工過程和管理信息的實時交互，還可以擴展完成其他網絡功能。
視圖顯示了設計者的視角，四視圖的概念源于機械制圖的三視圖。三視圖顯示從各個側面去描述機械零件、部件或產品的幾何形狀、相互關系等。由于三視圖描述的是同一個機械對象，三個視圖相互是有關系的。因此，設計者在繪制三視圖時需要統一思考。四視圖可以對復雜的機電一體化系統進行全面地描述和設計。四視圖描述的也是同一個對象，它們的視角不同，但各個視圖之間也是相互聯系的。例如：在功能設計中就要考慮功能的實現結構，在控制硬件設計時，就需要同時考慮信息處理的方法，在分析信息流時需要考慮信息流的載體。而結構設計與系統的功能、控制方法就有更加密切的關系了。因此，機電一體化系統的設計者應該努力把握全面的相關知識。
四視圖作為視圖，就需要采用圖形方法，以便形象、簡明、準確地表達設計意圖。在機 械、電氣、控制、計算機等設計中已形成完整的圖形規范和方法，我們可以充分利用這些工具，同時努力創造新的表達方法，以利于采用計算機表達。
在產品的概念設計階段，四視圖是有力的工具。一方面，從功能視圖開始的四視圖設計，有利于創新方案的形成；另一方面，對于一個設計方案，完成本節上述四視圖的設計要求后，就提供了評價決策的基礎。通過對各種不同方案的四視圖加以評價、比較，可以獲得優化的、完整的、正確的設計方案。
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