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機電一體化系統功能原理
摘要：建立了機電一體化系統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電一體化系統功能原理求解典型進程、機電單元功能原理求解與接口匹配并行策略．開發了一個支持電腦刺繡機、多功能縫紉機等機電產品功能原理求解的計算機輔助系統，進行了實例驗證．
關鍵詞：接口匹配；機電一體化系統；功能原理求解
機電一體化系統是機械、電子和信息等功能各異的技術融為一體的綜合系統，其構成要素或子系統之間的接口極為重要，從某種意義上說，機電一體化系統設計歸根結底就是接口設計[1]．概念設計是產品設計進程中最富創新性的階段之一，原理方案設計則是概念設計的核心，對提高產品性能、降低產品成本有決定性的影響[2]．近年來，國內外研制了一些能夠實現特定功能的功能原理解的設計知識目錄或知識庫，探索了單一功能原理解的計算機表達及智能搜索策略，研制了能對單一功能求解的試驗系統口。5]．但對多學科領域集成的機電一體化系統概念設計階段的功能原理求解，尤其是基于接口特征匹配的機電一體化系統功能原理求解的研究卻很少見到報道．本文著重探討了基于接口特征匹配的機電一體化系統功能原理求解策略和實現方法．
1功能原理解的接口特征模型
機電一體化系統由許多子系統或元件構成，把能夠實現單一功能(功能單元)的子系統或元件稱為機電系統中的機電單元．各機電單元之間必須能夠順利進行物質、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系條件，即接口．，大部分機電一體化產品的總功能是通過多個相異和(或)相同分功能或子功能的協同作用來實現的，稱之為系統功能．與各機電單元功能原理求解相比，機電系統功能原理求解除了需要研究每個機電接口特征單元原理解的獨立的功能可行性之外，還需要研究各個單元原理解作為整體的有機組成部分相聯接時，接口的適配性．為解決該問題，本文提出了機電一體化系統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詞、／，功能類別、廠作用對象、／，關聯對象特征／＼特征／＼特征／＼特征輸入對象特征輸出對象特征作用環境特征輸入物料、／，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、／運他I力I動特J特l特征八征八征圖1 機電一體化系統功能原理解的接口特征模型接口特征模型定義了機電一體化系統功能原理解在功能、效應、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庫中搜索可行解，是進行系統級功能原理求解的核心知識．
2功能原理的求解策略
2．1功能原理求解典型進程機電一體化系統功能原理求解的核心問題是檢驗系統中各單元功能解與其相關聯的其他單元功能解的接口的適配性．機電系統功能求解過程可以分為2個分過程：
�、倬唧w化、結構化分過程，解決機電單元功能解的可行性問題，即通過功能一效應一作用原理映射過程生成作用原理解(即實現給定功能的物理結構)；②綜合化、集成化和系統化分過程，解決機電單元功能解集成時的接口適配性問題．
2．2功能原理求解與接口匹配策略機電一體化系統功能原理求解的前提和基礎是機電單元功能原理的獨立求解，按相關性次序，分層次地進行相關部分單元功能解的接口適配性檢驗，及時淘汰在前一層次已經不適配的系統解，以減少下一層次的接口適配性檢驗工作．設計學分析表明，機電一體化系統的總功能一般都由目的功能(通常為運動執行功能)、驅動功能、傳動功能、傳感檢測功能、控制功能和輔助功能單元組成嘲，如圖2所示．其中，目的功能的解是機電一體化系統功能原理解的核心．因此，由初選的一個目的功能解出發，先配之以可行的驅動功能解，接著考察在運動執行功能解與驅動功能解之間選配傳動功能解的必要性，并在通常必要的情況下尋找其輸入接口與驅動功能解適配、輸出接口與運動執行功能解適配的傳動功能解．在此基礎上，再依次選配合適的傳感檢測功能解、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現方法機電單元功能求解過程是從功能至效應，最終至原理解的具體化和結構化過程．在系統級功能原理求解過程中，所謂單元功能解的接口特征實際上包含有功能接口特征、效應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系，后者是前者的具體化和結構化，是前者的物化和實現，因而在內涵上存在著嵌套的關系．原理解接口特征在內涵上的分層嵌套性質體現了接口信息從粗略到詳細的層層相扣的特點，提供了按功能接口、效應接口和原理解接口分層先后進行適配性檢驗的可能．功能接口特征和效應接口特征所包含的信息量相對較少，不必再對其劃分層次．但作用原理接口特征包含的信息量很大，有必要再對其細分層次．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、作用環境接口7個分特征，它們大致可以被劃分為作用對象層次和關聯對象層次．作用對象是指直接參與功能實現，構成功能的輸入和輸出的對象．作用對象還可以細分為主要作用對象和非主要作用對象2個層次，主要作用對象就是通過運動執行功能實現轉換的對象．關聯對象是指不直接參與功能實現，而是通過作用對象間接與原理解產生關系的對象，這里主要指作用環境．基于以上對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：先進行主要作用對象接口特征匹配，再進行非主要作用對象接口特征匹配，最后進行關聯對象接口特征匹配．由于關聯對象接口特征所包含的接口信息比較簡單，故只討論作用對象接口特征匹配的有關問題．作用對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個層次：①效應層．描述與效應直接相關的接口特征；②作用原理層．對效應層物理量或者對象加以更加詳細描述的其他接口特征；③物理實現層．描述該原理解的結構、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層、作用原理層、物理實現層3個層次．基于以上對作用對象接口特征的層次劃分，作用對象接口特征匹配策略為：效應層接口特征匹配一作用原理層接口特征匹配一物理實現層接口特征匹配．
3 應用實例基于以上思想，筆者開發了一個支持電腦刺繡機等機電產品功能求解的計算機輔助原理方案設計原型系統．限于篇幅，本文主要介紹電腦刺繡機繡框傳動機構的功能原理求解過程．
3．1系統工藝原理刺繡工藝原理如下：繡針在織物之上時，繡框沿z、y兩個方向移動到規定的位置，當繡針自上而下落到織物表面時，停止繡框移動，刺料機構便完成一針線跡的動作．線跡的長度和方向由繡框在z、y兩個方向的移動距離決定，線跡的集合構成了繡品．
3．2運動執行單元功能原理求解從電腦刺繡機要實現的功能、系統輸入輸出接口、作用環境等信息出發，首先與知識庫中的原理解進行功能接口和效應接口的匹配，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詞的匹配．效應接口的匹配包括效應推理和效應特征匹配2個步驟：①效應推理是對輸入輸出對象的幾何、物理、化學等特征進行分析、比較，以查找出有可能被用于實現該產品功能的效應特征．此例中，可以推理到的效應特征是空間相對運動效應．②效應特征匹配是指把效應推理得到的效應特征與知識庫中原理解的效應接口特征進行匹配，以確定該解是否滿足功能可行性．然后檢驗原理解的作用原理接口特征與產品功能特征之間的適配性．本例中，刺繡工藝的動作正是通過繡框在z、y兩個方向的直線往復運動與繡針在z方向的連續上下往復直線運動的配合，在刺料機構的作用下形成線跡。
3．3驅動單元功能原理求解在最終確定驅動功能原理解前，必須首先根據產品設計的實際要求對可行的運動執行功能原理解的輸入能量接口特征加以修改和充實．本例中，刺料工藝所需的機構運動執行功能解(繡框在z、y兩個方向的直線往復運動與繡針在z方向的連續上下往復直線運動相配合，在刺料機構的作用下形成線跡)與其驅動功能解(主軸電機、z及y向移框步進電機)不完全匹配，因此，有必要進行傳動功能求解．
3．4傳動單元功能原理求解針對電腦刺繡機運動執行功能解與其驅動功能解不完全匹配的情況，求得傳動功能原理解為：移框機構采用同步齒形帶實現步進電機軸轉動到繡框z／y方向獨立往復直線運動的轉換．z、y方向的繡框傳動方式完全相同且相互獨立．在已知刺繡機系統各單元功能原理解的基礎上，可明確整個系統的工作過程如下：控制計算機啟動主軸運轉，由刺料機構帶動針桿及旋梭運動，計算機從刺繡數據文件中順序讀取每一針的z、y相對位移坐標，根據坐標數據驅動繡框移動，計算機通過讀取針桿位置傳感器的信號使繡框移動與刺料機構的運動相配合．
4 結語
實踐證明，筆者提出的機電一體化系統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功能求解向系統級功能求解轉變中所面臨的解的可行性判斷和接口相容性判斷問題，有助于設計師在原理方案設計階段快速搜索到多解，為機電產品的創新設計提供依據．參考文獻：
[1]張建民，唐水源，馮淑華．機電一體化系統設計[M]．北京：高等教育出版社，2001．
[2]張建明，魏小鵬，張德珍．產品概念設計的研究現狀及[6]
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