机电一体化设计的介绍

第1章　机电一体化设计的介绍

设计是为了满足客户需求、工程团队创造产品的一个过程。由于客户需求、客户支付能力、客户购买时间以及能生产出来的成品具有不确定性，因此，设计是一个具有周期性和重复性的过程。为了提高产品性能，满足客户需要，适应新的法律要求，设计是需要不断完善的。

机电一体化设计是与具备机械、电子和计算机等元素的一类产品有关的设计。鉴于其多学科性，机电一体化设计团队的成员必须具有广泛知识面和丰富技能。此外，这些人员必须协作良好，以便他们能将各自的知识和经验融汇到一个好的集成产品中。

考虑到现实世界的不确定性和需求的不断变化，设计中的问题不会只有唯一的、最佳的解决方法。反之，它会是一个符合众多设计约束且满足客户需求的解决方案的集合。这会让前言中所讲的工程类学生感到沮丧，因为他们习惯于寻找一个最佳的答案以获得优异的成绩。但对实际设计问题则不存在这样的解决方法。

起重机是建筑业中使用的历史悠久的重负荷机器之一。我们不能确定古埃及人是否使用了起重机帮助他们完成金字塔这项巨大的建筑工程。但是，可以确定的是，古希腊人在公元前6世纪^［2］已经开始使用起重机了。这样算来，起重机的使用历史至少有2500年。鉴于起重机的悠久历史以及其对工业和建筑业的至关重要性，人们可能会认为已经存在一个最好的起重机设计方案。事实证明，目前存在数以百计的不同的起重机设计方案——这些方案分别满足不同起重机市场的需要。例如，图1.1所示为用于巴塞罗那圣家赎罪（La Sagrada Família）大教堂的施工现场的塔式起重机。图1.2所示为在佐治亚州萨凡纳（Savannah）的港口起重机。

不同的起重机不仅大小和外形截然不同，而且它们的电气和控制系统往往存在很大差异。例如，图1.2所示的港口起重机，由坐在起重机顶端操作室内的工作人员操纵。操作员低头透过两脚的空间确定载荷和空间位置，然后他们通过挂不同挡位将动力传送到不同的电动机以操纵起重机。而如图1.1所示的塔式起重机则通常由地面上的操作员操纵，他们使用无线控制盒将信号向上传送给起重机电动机。若不能传送正确信号，起重机的载荷会产生较大幅度的波动，从而引起安全隐患。载荷波动也将降低起重机的定位精确度^{［9，10，15］}。

图1.1　巴塞罗那圣家赎罪（La Sagrada Família）大教堂施工现场塔式起重机

图1.2　佐治亚州萨凡纳（Savannah）的港口起重机

客户的不同需求是起重机种类繁多的一个主要原因。实际上，没有客户就没有产品。因此，在设计过程开始之前了解客户需求是十分必要的。此外，在设计过程中，应时常评估和更新客户需求。要求工程师明确地考虑、评估客户需求的工具将在第2章陈述。

理解了客户的需求自然也就了解了一个产品应具有的功能。以人们对交通工具的需求为例。人们可选择的交通工具有很多种，如船舶、火车、飞机、汽车等。如果我们考虑一次只运送一个人抵达较近目的地的交通工具，潜在的选择可以有像自行车、摩托车、踏板车、轿车这样的工具。图1.3所示的双轮电动车——思维车（Segway）是一种满足顾客此类需求的有趣的产品。它是一个倒立摆，在力学上是不稳定的——若不能积极有效地控制轮子前后运动以控制平衡，将会导致翻车^［11］。思维车是一个复杂的机电系统，此系统必须拥有可靠的机械、电气部件以供具有鲁棒性的控制系统驱动。若机器的控制系统，如它的传感器或电池发生故障，骑车人则不得不跳下车，力求平稳落地而不受伤害。图1.4所示的就是这样的一次跌落事故。尽管受到全世界关注，但因其缺少客户需要的一些至关重要的功能，该产品还没有成功投入市场。

图1.3　双轮电动车

图1.4　从失控的电动车上跌落

考虑到客户需求的不断变化、科技的进步、经济条件的波动这些因素，设计是一个反复的过程。它包括信息收集、设计变更与改进、修正、可替换选择的开发、评估、失败与期待一系列环节，最后才能达到成功。这个过程不是一帆风顺的，初学者乃至有经验的工程师也会对此感到沮丧。问题的关键在于我们所有人都试图固守某一设计理念进行设计，即使证明这个理念是错误的证据越来越多，我们或许仍旧会拒绝放弃这个设计理念或原型。敢于放弃最初的设计并从头再来，是一个优秀工程师的标志。在所有类型的有意义的设计项目中，没有一个设计团队曾经从始至终都顺利而不经历挫折。在一个设计项目中，许多成果都不得不放弃，设计者应该将设计过程中的从头再来（拥有更多知识）看成是一种进步。

没有任何两种产品的开发过程完全一样的，但是可以认为，一个产品的生命周期有如下八个阶段:

（1）问题理解；

（2）技术参数设定；

（3）概念设计；

（4）细节设计；

（5）生产规划；

（6）生产制造；

（7）工作寿命期；

（8）循环利用。

设计工作主要集中在前六个阶段，然而，设计者也需要考虑当产品达到有效寿命后的循环再利用。在第一阶段，设计团队必须深入研究客户的需求以及设计空间的限制。比如，一个项目可能缺少经费去完成设计或者缺少设备去生产产品，因此，对这些限制必须在设计初始就了解清楚。在第二阶段，团队拟订出产品所要达到的性能参数表，这些性能参数直接来源于客户需求。在第三阶段，设计者需要开发出能体现产品功能的概念设计。这些概念中无须包含像尺寸规格、颜色和材料这些细节，而应着重关注产品的基本功能以及这些功能应该如何实现的具体说明。概念设计需要有大量的可替代设计，对这些可替代设计的评估会缩小可能方案的选择范围。本书主要介绍产品周期中的前三阶段，细节设计、生产规划、生产制造在其他书中会有更深入的讲解。

在评估了大量的概念设计并将范围缩小到最有希望的设计方案后，就到了第四阶段。在这个阶段中，设计者将完善他们的设计并绘制详细的产品图样。在第五阶段，设计团队必须制订一个生产计划，这一任务往往要与生产厂商的工程师和管理者共同完成。第六阶段是对一个产品的实际生产。如果一切顺利，一旦开始这个环节，几乎不会对设计再做修改。

需要说明的是，设计者在设计时不是按产品生命周期的顺序一步接一步进行的。例如，在理解问题、拟订性能参数表、进行概念设计后，当设计者发现客户需求与其最初了解的需求情况有本质不同时，必须返回第一阶段，对所要解决的问题作出更好的理解。修改设计在生产规划阶段会经常发生，然而，在生产制造阶段，设计的修改和修改后的实施代价都是十分高昂的，而且会导致多种型号的产品在市场流通，这种结果会使客户迷惑并且降低产品质量。