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機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理
摘要：建立了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型，提出了基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解典型進(jìn)程、機(jī)電單元功能原理求解與接口匹配并行策略．開發(fā)了一個(gè)支持電腦刺繡機(jī)、多功能縫紉機(jī)等機(jī)電產(chǎn)品功能原理求解的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證．
關(guān)鍵詞：接口匹配；機(jī)電一體化系統(tǒng)；功能原理求解
機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，從某種意義上說，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)歸根結(jié)底就是接口設(shè)計(jì)[1]．概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程中最富創(chuàng)新性的階段之一，原理方案設(shè)計(jì)則是概念設(shè)計(jì)的核心，對(duì)提高產(chǎn)品性能、降低產(chǎn)品成本有決定性的影響[2]．近年來，國(guó)內(nèi)外研制了一些能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的功能原理解的設(shè)計(jì)知識(shí)目錄或知識(shí)庫(kù)，探索了單一功能原理解的計(jì)算機(jī)表達(dá)及智能搜索策略，研制了能對(duì)單一功能求解的試驗(yàn)系統(tǒng)口。5]．但對(duì)多學(xué)科領(lǐng)域集成的機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段的功能原理求解，尤其是基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的研究卻很少見到報(bào)道．本文著重探討了基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解策略和實(shí)現(xiàn)方法．
1功能原理解的接口特征模型
機(jī)電一體化系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)或元件構(gòu)成，把能夠?qū)崿F(xiàn)單一功能(功能單元)的子系統(tǒng)或元件稱為機(jī)電系統(tǒng)中的機(jī)電單元．各機(jī)電單元之間必須能夠順利進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換，為此，各單元相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，即接口．，大部分機(jī)電一體化產(chǎn)品的總功能是通過多個(gè)相異和(或)相同分功能或子功能的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)的，稱之為系統(tǒng)功能．與各機(jī)電單元功能原理求解相比，機(jī)電系統(tǒng)功能原理求解除了需要研究每個(gè)機(jī)電接口特征單元原理解的獨(dú)立的功能可行性之外，還需要研究各個(gè)單元原理解作為整體的有機(jī)組成部分相聯(lián)接時(shí)，接口的適配性．為解決該問題，本文提出了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型(見圖1)．作用原理接口特征功能動(dòng)詞、／，功能類別、廠作用對(duì)象、／，關(guān)聯(lián)對(duì)象特征／＼特征／＼特征／＼特征輸入對(duì)象特征輸出對(duì)象特征作用環(huán)境特征輸入物料、／，輸入能力、／，輸入信息、／輸出物料、／，輸出能量、／，輸出信息接口特征／／＼接口特征／＼接口特征／＼接口特征／＼接口特征／／＼接口特征箍纂)人(茬萎)人(差鎣)人(差茬)人(茬鍪)人(茬霾鍪Y華Y待特J特I特征八征八征其、，動(dòng)、／運(yùn)他I力I動(dòng)特J特l特征八征八征圖1 機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型接口特征模型定義了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解在功能、效應(yīng)、作用原理等不同層面上的接口約束，主要用于從原理解知識(shí)庫(kù)中搜索可行解，是進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)功能原理求解的核心知識(shí)．
2功能原理的求解策略
2．1功能原理求解典型進(jìn)程機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的核心問題是檢驗(yàn)系統(tǒng)中各單元功能解與其相關(guān)聯(lián)的其他單元功能解的接口的適配性．機(jī)電系統(tǒng)功能求解過程可以分為2個(gè)分過程：
�、倬唧w化、結(jié)構(gòu)化分過程，解決機(jī)電單元功能解的可行性問題，即通過功能一效應(yīng)一作用原理映射過程生成作用原理解(即實(shí)現(xiàn)給定功能的物理結(jié)構(gòu))；②綜合化、集成化和系統(tǒng)化分過程，解決機(jī)電單元功能解集成時(shí)的接口適配性問題．
2．2功能原理求解與接口匹配策略機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的前提和基礎(chǔ)是機(jī)電單元功能原理的獨(dú)立求解，按相關(guān)性次序，分層次地進(jìn)行相關(guān)部分單元功能解的接口適配性檢驗(yàn)，及時(shí)淘汰在前一層次已經(jīng)不適配的系統(tǒng)解，以減少下一層次的接口適配性檢驗(yàn)工作．設(shè)計(jì)學(xué)分析表明，機(jī)電一體化系統(tǒng)的總功能一般都由目的功能(通常為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能)、驅(qū)動(dòng)功能、傳動(dòng)功能、傳感檢測(cè)功能、控制功能和輔助功能單元組成嘲，如圖2所示．其中，目的功能的解是機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的核心．因此，由初選的一個(gè)目的功能解出發(fā)，先配之以可行的驅(qū)動(dòng)功能解，接著考察在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能解與驅(qū)動(dòng)功能解之間選配傳動(dòng)功能解的必要性，并在通常必要的情況下尋找其輸入接口與驅(qū)動(dòng)功能解適配、輸出接口與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能解適配的傳動(dòng)功能解．在此基礎(chǔ)上，再依次選配合適的傳感檢測(cè)功能解、控制功能解和輔助功能解．這是一種效率較高，也比較可行的匹配策略．
2．3功能原理解接口特征匹配的實(shí)現(xiàn)方法機(jī)電單元功能求解過程是從功能至效應(yīng)，最終至原理解的具體化和結(jié)構(gòu)化過程．在系統(tǒng)級(jí)功能原理求解過程中，所謂單元功能解的接口特征實(shí)際上包含有功能接口特征、效應(yīng)接口特征和原理接口特征(見圖1)．這三者之間不是并列的關(guān)系，后者是前者的具體化和結(jié)構(gòu)化，是前者的物化和實(shí)現(xiàn)，因而在內(nèi)涵上存在著嵌套的關(guān)系．原理解接口特征在內(nèi)涵上的分層嵌套性質(zhì)體現(xiàn)了接口信息從粗略到詳細(xì)的層層相扣的特點(diǎn)，提供了按功能接口、效應(yīng)接口和原理解接口分層先后進(jìn)行適配性檢驗(yàn)的可能．功能接口特征和效應(yīng)接口特征所包含的信息量相對(duì)較少，不必再對(duì)其劃分層次．但作用原理接口特征包含的信息量很大，有必要再對(duì)其細(xì)分層次．從圖1可以看出，作用原理接口特征包括輸入／輸出物料接口、輸入／輸出能量接口、輸入／輸出信息接口、作用環(huán)境接口7個(gè)分特征，它們大致可以被劃分為作用對(duì)象層次和關(guān)聯(lián)對(duì)象層次．作用對(duì)象是指直接參與功能實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成功能的輸入和輸出的對(duì)象．作用對(duì)象還可以細(xì)分為主要作用對(duì)象和非主要作用對(duì)象2個(gè)層次，主要作用對(duì)象就是通過運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的對(duì)象．關(guān)聯(lián)對(duì)象是指不直接參與功能實(shí)現(xiàn)，而是通過作用對(duì)象間接與原理解產(chǎn)生關(guān)系的對(duì)象，這里主要指作用環(huán)境．基于以上對(duì)作用原理接口特征的層次劃分，作用原理接口特征層面上的逐層次匹配策略為：先進(jìn)行主要作用對(duì)象接口特征匹配，再進(jìn)行非主要作用對(duì)象接口特征匹配，最后進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)象接口特征匹配．由于關(guān)聯(lián)對(duì)象接口特征所包含的接口信息比較簡(jiǎn)單，故只討論作用對(duì)象接口特征匹配的有關(guān)問題．作用對(duì)象接口特征包括能量接口特征、物料接口特征、信息接口特征3類．能量接口特征可以被劃分為3個(gè)層次：①效應(yīng)層．描述與效應(yīng)直接相關(guān)的接口特征；②作用原理層．對(duì)效應(yīng)層物理量或者對(duì)象加以更加詳細(xì)描述的其他接口特征；③物理實(shí)現(xiàn)層．描述該原理解的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等物理層面的具體接口特征．同樣，物料接口特征、信息接口特征也可以劃分為效應(yīng)層、作用原理層、物理實(shí)現(xiàn)層3個(gè)層次．基于以上對(duì)作用對(duì)象接口特征的層次劃分，作用對(duì)象接口特征匹配策略為：效應(yīng)層接口特征匹配一作用原理層接口特征匹配一物理實(shí)現(xiàn)層接口特征匹配．
3 應(yīng)用實(shí)例基于以上思想，筆者開發(fā)了一個(gè)支持電腦刺繡機(jī)等機(jī)電產(chǎn)品功能求解的計(jì)算機(jī)輔助原理方案設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)．限于篇幅，本文主要介紹電腦刺繡機(jī)繡框傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能原理求解過程．
3．1系統(tǒng)工藝原理刺繡工藝原理如下：繡針在織物之上時(shí)，繡框沿z、y兩個(gè)方向移動(dòng)到規(guī)定的位置，當(dāng)繡針自上而下落到織物表面時(shí)，停止繡框移動(dòng)，刺料機(jī)構(gòu)便完成一針線跡的動(dòng)作．線跡的長(zhǎng)度和方向由繡框在z、y兩個(gè)方向的移動(dòng)距離決定，線跡的集合構(gòu)成了繡品．
3．2運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元功能原理求解從電腦刺繡機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能、系統(tǒng)輸入輸出接口、作用環(huán)境等信息出發(fā)，首先與知識(shí)庫(kù)中的原理解進(jìn)行功能接口和效應(yīng)接口的匹配，以解決單元功能解的可行性問題．功能接口匹配主要是指功能動(dòng)詞的匹配．效應(yīng)接口的匹配包括效應(yīng)推理和效應(yīng)特征匹配2個(gè)步驟：①效應(yīng)推理是對(duì)輸入輸出對(duì)象的幾何、物理、化學(xué)等特征進(jìn)行分析、比較，以查找出有可能被用于實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品功能的效應(yīng)特征．此例中，可以推理到的效應(yīng)特征是空間相對(duì)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)．②效應(yīng)特征匹配是指把效應(yīng)推理得到的效應(yīng)特征與知識(shí)庫(kù)中原理解的效應(yīng)接口特征進(jìn)行匹配，以確定該解是否滿足功能可行性．然后檢驗(yàn)原理解的作用原理接口特征與產(chǎn)品功能特征之間的適配性．本例中，刺繡工藝的動(dòng)作正是通過繡框在z、y兩個(gè)方向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)與繡針在z方向的連續(xù)上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的配合，在刺料機(jī)構(gòu)的作用下形成線跡。
3．3驅(qū)動(dòng)單元功能原理求解在最終確定驅(qū)動(dòng)功能原理解前，必須首先根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際要求對(duì)可行的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能原理解的輸入能量接口特征加以修改和充實(shí)．本例中，刺料工藝所需的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能解(繡框在z、y兩個(gè)方向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)與繡針在z方向的連續(xù)上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)相配合，在刺料機(jī)構(gòu)的作用下形成線跡)與其驅(qū)動(dòng)功能解(主軸電機(jī)、z及y向移框步進(jìn)電機(jī))不完全匹配，因此，有必要進(jìn)行傳動(dòng)功能求解．
3．4傳動(dòng)單元功能原理求解針對(duì)電腦刺繡機(jī)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行功能解與其驅(qū)動(dòng)功能解不完全匹配的情況，求得傳動(dòng)功能原理解為：移框機(jī)構(gòu)采用同步齒形帶實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到繡框z／y方向獨(dú)立往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換．z、y方向的繡框傳動(dòng)方式完全相同且相互獨(dú)立．在已知刺繡機(jī)系統(tǒng)各單元功能原理解的基礎(chǔ)上，可明確整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如下：控制計(jì)算機(jī)啟動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，由刺料機(jī)構(gòu)帶動(dòng)針桿及旋梭運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)從刺繡數(shù)據(jù)文件中順序讀取每一針的z、y相對(duì)位移坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)繡框移動(dòng)，計(jì)算機(jī)通過讀取針桿位置傳感器的信號(hào)使繡框移動(dòng)與刺料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相配合．
4 結(jié)語(yǔ)
實(shí)踐證明，筆者提出的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型及接口特征分層面、逐層次匹?
配策略，能較好地解決由單元級(jí)功能求解向系統(tǒng)級(jí)功能求解轉(zhuǎn)變中所面臨的解的可行性判斷和接口相容性判斷問題，有助于設(shè)計(jì)師在原理方案設(shè)計(jì)階段快速搜索到多解，為機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供依據(jù)．參考文獻(xiàn)：
[1]張建民，唐水源，馮淑華．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2001．
[2]張建明，魏小鵬，張德珍．產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及[6]
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