机械电子系统设计概述

在设计一个机电一体化系统时，必须确定一系列的设计指标。也就是说，对所设计的系统提出必须满足的技术要求，然后才能着手具体系统的设计。同时，在设计时，应遵照机械电子工程的新概念，即机械系统与电子系统协同组合的原则。

1.技术要求

对于任何一个机电一体化系统，一般性的技术要求大体上应包括以下几个方面。

1）系统功能

任何系统都是供给最终用户使用的。最终用户添置该系统后，能够具有哪些用途，这是人们首先关心的问题，同时也是系统生产者预测市场需求的大事。任何系统的功能要求，都应该从市场需求出发，尊重最终用户的意见，结合技术上的可行性，再做出抉择，切不可片面追求功能的多寡。

2）性能指标

当系统功能确定后，每一项功能都应该满足一定的性能指标。只有这样，该项功能才具有实用价值。例如，一台数控系统具有轮廓切削的功能，但是它的定位精度很差，最终还是不能达到加工出合格零件的目的，这项功能如同虚设。所以，性能指标是系统功能的定量度量。

性能指标有分辨率、灵敏度、精度、线性度、速度和位移范围以及承载能力、功耗、体积、重量等。制定性能指标时，必须有科学的依据，切不可轻率从事。否则，将会造成巨大的浪费。性能指标定低了，设计出来的系统不实用；而性能指标定高了，将会加大实现的难度和代价。

3）使用条件

任何系统都是在一定条件下运行的，其中包括客观的环境条件和主观的人员素质。客观的环境条件有温度、湿度、振动、冲击、噪声、电磁干扰等；主观因素应考虑系统适合何种文化水平的人员使用。这里必须满足可操作性、可维修性、安全性及可靠性等一系列有关人员和设备正常运转的要求。在满足客观环境和主观因素这两方面的使用条件下，系统应具有一定的平均无故障时间和足够的使用寿命。只有这样，系统才能经久耐用，具有实用价值。

4）经济效益

在社会主义市场经济时代，任何新产品的开发，都应该考虑经济效益。所谓经济效益，应从两个方面考虑：一是从投资一方，花多少经费、人力及时间可以开发出新一代产品并投放市场，估计在市场上占有多大的份额，将有多大的收益。二是从最终用户这一方，分析它们的费效比和经济承受能力。只有在这两方面都考虑成熟了，才能制定出好的新产品开发策略。

总之，在设计机电一体化系统时，应全面考虑各项技术指标，力求做到系统功能相对齐全、性能指标比较合理、实用性强、安全可靠性高、经济效益好。同时，在开发新产品时，还应该与世界同类产品比较，注意它们的技术特点、先进性 （费效比、节能节材、工作柔性等）以及社会效益等。

2.设计原则

在采用机械电子工程新概念进行工程设计时，为了提高系统的性能和柔性，要求广泛的物质和信息的集成。无论在概念设计阶段或者详细设计阶段，都必须始终贯彻机械系统与微电子系统协同组合原则。换言之，在整个机电一体化系统的设计过程中，都必须考虑机械技术与电子控制技术的集成，创造出机械、电子以及软件等有机结合的新产品。

机电一体化系统设计往往伴随着机械系统的再设计，而且机械系统的再设计还不是全部。许多现代的机电一体化工程设计不是被动的依靠机遇来革新机电产品，而是预先精心计划应用，并充分集成电子技术和机械技术，有目的地创造出最优的新产品，以达到新的系统比它们的原有产品更便宜、更简单、更可靠以及更具有工作柔性。

机械电子工程方法将给产品设计带来各种发展机会。在进行机电一体化系统设计时，通常应遵循如下原则来处理 “机”与 “电”的关系。

1）替代机械系统

在极端情况下，机械的功能可以完全由微处理机和执行器取代，从而使机械产品变成电子产品。如电子手表取代机械手表，由微处理机、信号线及执行器组成的电操纵取代飞机上笨重的驾驶杆和控制面之间的连杆机构。

2）简化机械系统

在许多情况下，机械系统可采用机械电子工程方法加以简化。依靠微处理机和执行器可以提供诸如轮廓、速度以及定位控制任务的功能。例如，传统的打字机为了移动打字头和带动纸前进，需要几套机械系统。现代的打印机，特别是激光打印机，附加了电子控制装置和微处理机，不仅能自动打印文字，而且还具备绘图能力。再如，安装在地面上的大型天体望远镜和卫星跟踪天线，采用轻巧的二自由度平衡环结构和计算机控制方法，可以跟踪空间的任意目标。

3）增强机械系统

将正常设计的机械结构与闭环控制回路相结合，可以实现增强机械系统的运动速度、精度以及柔性。有关的部件可以做得更轻、惯量更小。例如，某些早期的机器人用开关控制终点急刹车的方式工作，还有一些为了实现它们的手爪沿直线路径运动，采用了复杂的机械系统。自从在机器人的每个轴上用了直流驱动电动机和谐波齿轮传动后，设计就进步多了，可以对每一根传动轴提供编程的比例速度。但是由于这些电动机在空间运动，其惯性效应比较严重。更现代的方法是采用扁平型电动机直接安装在机器人的基座上，依靠同轴软管和钢管驱动每一根轴。

4）综合机械系统

综合机械系统采用嵌入式微处理机系统，有能力综合不同的机械系统以及相关的功能。总之，机械电子工程设计方法应在一开始就注意充分发挥机械和电子的综合优势，通过机电的互补和集成，以求达到设计出最优的新产品，适应竞争日益激烈的世界市场。在这个市场上，工业产品的制造和销售能否获得成功，越来越依赖于机械电子工程的设计能力。