机电一体化产品概念设计理论现状与展望摘 要: 探讨了机电一体化产品概念设计理论与方法对产品创新设计的重要性,分析了国内外不同学科背景的学者从不同角度进行研究的现状.国外学者以电子学及控制理论为研究出发点,建立了一些概念设计操作平台.国内学者以现代机构学为研究出发点,研究以运动执行功能为主功能的机电一体化产品概念设计,其设计理论与方法,更具有实用性,更有利于计算机辅助概念设计.并指出了机电一体化产品概念设计理论与方法的发展方向.关键词: 机电一体化;概念设计;系统设计机电一体化(Mechatronics)一词,最早起源于日本,是由机械学“mechanics”与电子学“electronics”结合而成的拼缀词,意思为机械电子学,在我国则称之为机电一体化.自提出机电一体化(Mechatronics)这一概念以来,机电一体化经历了30多年的发展,其内涵随科技的发展不断更新,不断丰富.特别是人类进入21世机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越来越高的要求.而相关学科,如AI技术、计算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的发展,为机电一体化系统开辟了更加广阔的应用前景.尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展,使产品结构发生了革命性的变化.随着信息、传感等技术与传统机械产品的融合,传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进.机电一体化技术已成为一门新兴的交叉学科技术,它涉及到机械制造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技术等关键技术.技术的更新,带动机电一体化产品向更高层次方向发展,以满足人们不断丰富和发展的物质、文化和精神上的需求.机电一体化技术在21世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要作用,其产品是机电一体化技术的载体和体现者,通过机电一体化产品来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平.因此,作为机电一体化产品的设计师,不但要掌握先进的机电一体化技术,而且更重要地是掌握如何在产品设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果.机电一体化系统所具有的学科交叉性、多技术性、集成性、融合性、复杂性给产品设计师提出了更高的要求[1,2].1 建立机电一体化产品概念设计理论与方法的意义设计方法对于指导产品设计具有重要的作用.苏联学者阿切尔康的巨著《机械零件设计》指导了几代人的设计工作,使机械设计理论化、规范化.美国学者铁木辛科的巨著《材料力学》也影响了几代人,奠定了强度设计的基础.设计理论对于设计的指导作用已为世人所公认.最优化原理、智能化原理、柔性化原理、网络化原理、可靠性原理等是从系统的观点和运筹学的角度,针对某项具体指标完成产品局部设计环节的设计理论和方法.由于机电一体化产品设计的复杂性决定,单独应用这些设计理论虽可以对机电一体化产品的原始创新起到一定的作用,但也易于达到设计极限[3-5].概念设计是产品设计的重要阶段,决定了产品设计质量的60%~70% .因而,要建立机电一体化产品的设计理论,必须首先建立机电一体化产品概念设计的理论、方法.基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化产品.因此,建立机电一体化产品的概念设计理论体系是非常必要的[6,7].概念设计思想受到各国学者的重视,相继出现了多种用于概念设计阶段的设计理论,如公理化设计理论、TRIZ设计理论、QFD理论等.这些理论对工程领域的创新设计起到了巨大的推动作用,其成就为世人所关注.但这些设计理论多集中在一般的机械工程领域,或者由多个学科简单组合的工程产品设计.由于机电一体化系统的学科交叉性、集成性、融合性及复杂性等特点,现有的机械产品的概念设计理论不适用于机电一体化产品的概念设计,必须结合机电一体化系统的自身特点,建立一套系统的、完整的概念设计理论和方法,指导机电一体化产品的创新设计.因此认为,机电一体化产品发展到21世纪,应该为其建立系统科学的设计理论和方法了.同时,相关学科的设计理论也为机电一体化建立奠定了必要的理论基础[8,9].
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