创新设计知识体系所涉及的核心知识

如何搞机电一体化系统(产品)的创新设计在3.1节“机电一体化系统(产品)创新设计思路”中已作了详细说明,机电工程师应当具有什么样的能力在3.2节中也已作了详细介绍,本节的目的是以图3-3为导引,找出学生要具有机电工程师的能力所应当掌握或了解的核心知识。

有了这些核心知识以后,我们有两个用途:一是根据所需的核心知识决定本专业应当开设哪些课程,每门课应当讲述哪些核心知识;二是可以使本专业的学生知道他们在大学期间应当掌握或了解哪些核心知识,如何去选修课程。

至于如何确定图3-3中每个阶段的核心知识,在此进行如下考虑。因为教学的顺序是由基础到专业知识的讲授;而产品(系统)设计是由专业到基础各学科知识的综合应用。因此,按图3-3寻找核心知识时,在方案设计阶段几乎就涉及所有核心知识,这样就不易将所需的核心知识分解到每门课程中。因此,在确定核心知识时,按图3-3通盘考虑,将第一次出现在某个阶段的核心知识,就列在某个阶段,不一定再按图3-3从左至右的顺序列出。下面就按图3-3寻找每个阶段的核心知识。

1.机电一体化系统(产品)总体方案设计

总体方案设计是四年级学生应当掌握的技能,它的基础知识是广义执行子系统和检测控制子系统设计。总体方案设计的内容主要体现在机电一体化产品创新设计思路的第二个阶段——概念设计。

总体方案设计阶段的核心知识有两个方面:其一是设计理念。设计者一定要有系统工程、并行设计、优化设计的思想,会建立自动控制系统的物理数学模型并能进行仿真设计。其二是设计者会进行产品的总体功能需求分析、总体功能模块分解、总体方案构思、总体造型设计和总体方案评价,给出总体方案原理图。

图3-3　机电一体化系统（产品）创新设计知识体系图

2.广义执行子系统方案设计

在上面已讲到,广义执行子系统方案设计的核心知识是机电一体化系统(产品)总体方案设计的基础知识。那么,可以说这部分的核心知识有两个作用:其一是为总体功能模块分解与总体方案构思提供理论和技术依据;其二是为构成合理的广义执行子系统提供合适的原理与技术。由于广义执行子系统的任务就是按其“工作任务”的要求,通过执行机构和某些动作(平动、转动或二者的合成运动)去完成对工作对象的移位或形变,因此,该子系统设计的关键是执行机构设计与驱动装置选择,另外必要时加上传动机构。

因此,其核心知识应包括图3-3所示六个方面的内容,即功能原理方案设计、运动规律设计、机构型式设计、执行系统协调设计、机构尺度及选材设计和驱动装置选择。下面分别加以介绍。

(1)功能原理方案设计

功能原理方案设计的任务是:根据所分解的“功能模块”的功能需求,去寻找实现这些模块功能的某些物理效应及其作用原理。比如,收集机器人的“抓取”动作采用的是气动原理,而其“搬运”动作采用的是电动原理。

本部分的核心知识是:与机电一体化系统(产品)运动相关的物理效应及其作用原理、定律;如力传递与作用原理(牛顿三定理)、能量传递原理(能量守恒、能量等效、动能原理)、摩擦原理(摩擦力、摩擦传动)、电磁驱动原理(电动机、电磁铁)、压电驱动原理(微位移压电驱动器)、液压驱动和传动原理(液压缸、液压马达、液压阀)、气压驱动与传动原理(气压缸、气压马达、气压阀)、机械传动原理、材料变形原理(弹簧驱动)等。

在这里还要注意三点:

第一,在进行功能原理方案设计时,往往是将执行机构与驱动装置结合在一起考虑,不同的功能原理会有不同的执行机构和与其相适应的驱动装置(或有不同的驱动装置和与其相适应的执行机构)。

第二,利用功能原理进行方案构思阶段是机电一体化系统(产品)方案设计中最能发挥创新性的阶段,设计者要充分解放思想,创造性思维,形成“头脑风暴”,应用各种科学原理(如物理的、化学的、生物的),尤其是它们的最新成就,引入新技术、新工艺、新材料,提出尽可能多的备选方案,供优化选择。

第三,功能原理方案设计是产品设计的灵魂,是设计者的看家本领之一,必须下大力气掌握它。

(2)运动规律设计

运动规律设计的任务是:根据机电一体化系统(产品)的“工作任务”和实现动作的功能原理,把系统(产品)运行的工艺过程分解为合理的动作,并将这些动作按工艺流程组成一个合理的运动规律(逻辑)。在设计运动规律时,除了注意运动形式(移动、转动、复合运动)以外,还要考虑运动的变化;速度变化过大(即加速度大),惯性力的冲击会引起机器的振动或破坏。

本部分的核心知识是:机构的运动分析,包括机构上某些标志点的位移、速度和加速度分析。在这里对机构运动分析也要注意两点。

第一,同一个工艺过程可以依不同的功能原理分解成各种不同的动作〔比如,机械零件加工的工艺过程,可以分解为工件转动和刀具移动(如车床);也可以分解为刀具转动、工件移动(如铣床);还可以分解为刀具与工件都既转动也移动(如五轴数控机床)〕,因此,可以组成若干组运动规律,在总体方案构思时,就组成许多备选方案,我们要选择其优(最简单的)作为最终的运动规律方案。

第二,同一个功能(模块)要求,可以采用不同的功能原理来实现,(比如,收集机器人的手爪动作,可以采用气动、液压和电动,只是看哪个原理更好);而同一个功能原理又可以有不同的运动规律构成的不同运动方案(比如,一个直线运动,若采用电动驱动原理,长距离可以采用直线电动机,短距离可采用电磁铁,还可以采用电动机带动的曲柄连杆机构,或齿轮、齿条机构,也是看哪个方案更好)。可见掌握的知识越多,设计方案也越多,最终方案就可能最优。

(3)机构型式设计

机构型式设计的任务是:根据功能原理设计和运动规律设计确定的执行构件(执行机构的输出构件)的数目和各执行构件的运动规律,通过从已有机构中选择、组合或创造新机构的方法,确定执行机构的型式(也可叫机构的型综合)。然后,对上面定型的机构进行自由度分析,依据机构具有唯一运动的条件和机构的组成原理将上述机构的组成确定下来。

因此本部分的核心知识是:现有机构的原理及构成介绍,机构自由度分析和机构组成原理。

在此,需特别提示一下,功能原理方案设计、运动规律设计和机构型式设计这三个部分是互相关联的,在构思总体方案时,几乎要同时考虑,在今后工作中切记这一点。

(4)执行系统协调设计

执行系统协调设计的任务是:使整个系统中各个机构的运动在时间(时序)上和空间(运动轨迹)上都互相协调,且满足提高生产率和机械效率的要求。

时间上协调的要求:各机构的动作顺序(时序)应满足工艺过程的要求,执行系统能够周而复始地循环协调工作。

空间上协调的要求:各机构在空间布置上要保证各构件在运动过程中互不干扰,也不干扰周围环境。

提高生产率的要求:各执行机构空回行程的时间尽量短,可以采用快回机构。

提高能量利用率的要求:保证在整个系统内,能量流向和能量在各机构上的分配都合理,提高能量利用率,提高机械效率。

本部分的核心知识是:会画机械系统运动循环图,会计算机构的行程和关键点的轨迹。

(5)机构尺度及选材设计

机构尺度及选材设计的任务是:对机构的零件进行运动分析、动力分析和工作能力分析,由分析结果决定零件的形状、尺寸和材料。

运动分析:分析计算零件随机构运动时的位移,速度和加速度(包括移动与转动)。计算位移,以控制零件上某些关键点的轨迹;计算速度以控制机构的运动状态;计算加速度,以确定惯性力,既可决定使机构运动的外力,又可控制惯性力过大,避免动力冲击。

动力分析:分析力与能量(功率)在系统中传递的路径、大小及能量损耗;机构的振动及其稳定性、机械平衡等;确定每个零件的受力状况,所具有能量的状态,为确定零件的工作能力和选择驱动装置做准备。

工作能力分析:若我们知道了零件的受力状况和能量状态以后,则可以根据强度、刚度、振动、稳定条件决定零件的形状、尺寸和材料。若我们知道能量在广义执行子系统中的传递状况,则可以根据能量原理(能量守恒、能量等效、动能定理)选择驱动装置的输出功率和力(力矩)。若我们知道能量在系统的每个零件中的状态,则可以方便、合理地进行能量协调,使能量在系统中分配更合理,提高能量的利用率。

本部分的核心知识是:对零件和机构进行运动、动力分析的原理与方法;对零件和系统进行工作能力分析的原理与方法。

(6)驱动装置的选择

驱动装置选择的任务是:选择驱动装置的类型和驱动装置的输出功率和力(力矩)。驱动装置的类型在功能原理方案设计阶段就已经确定了,在这里只需根据执行机构(传动机构)所需的功率〔力(力矩)〕和损耗功率之和去选择驱动装置的型号。要解决此问题,学生应当熟悉各种驱动装置的原理与特性,会根据执行机构的负载大小、行程、速度和所需功率大小选择合适的驱动装置。

本部分的核心知识是:各类驱动装置的原理与特性、能量传递原理和力传递原理。

3.绘制产品(系统)总装图和零部件图

这阶段是设计结果的表达,将所设计的产品用图的形式表示出来。绘制产品(系统)总装图和零部件图的任务是:将前面通过构思、比较评价所确定的产品最终方案的形状、尺寸、材料和加工要求用总装图、部件图和零件图的方式表达出来,以备加工之用。

本部分的核心知识是:构图原理、制图标准与方法、公差配合的原理及其规定、材料的性质及选用、材料的热处理调质改性方法和CAD软件应用。

这里需要特别指出的是,这项工作可以说是工程师的看家本领之一,一定要掌握。

4.零件制造与产品(系统)组装

这阶段是设计结果的实现,是将所设计的图纸变为产品的过程。零件制造与产品(系统)组装的任务是:首先按照零件图和工艺规程选择符合要求的工人、设备和材料,将零件加工出来;经检验合格后,按部件图和总装图依装配工艺规程将所有零件组装到一起,形成一个产品的主机;再经过调试与产品检验,合格后则主机制作成功。

本部分的核心知识是:能看懂图纸;了解各种常用的加工技术与设备(包括通用的和数控的),掌握基本的机床和钳工的加工技术,了解铸锻焊技术;会编制工艺规程;会使用检测仪器对零件进行质量检测;了解组装工艺与系统调试规程;会检测机器的动平衡;会检测机械的振动参数,懂减振技术与方法。

这部分对设计者也很重要。原因有二:其一,只有懂得制造的人设计出的零件才能有很好的加工工艺性;其二,在创新设计时,设计者必须懂制造,这样自己才能知道所设计的新产品是否能够制造出来。

5.检测控制子系统方案设计

与广义执行子系统方案设计一样,检测控制子系统方案设计的核心知识也是机电一体化系统(产品)总体方案设计的基础知识。其作用也如前述有两个,即为总体功能模块分解与总体方案构思提供理论和技术依据;为构成合理的检测控制子系统提供合适的原理与技术。由于检测控制子系统的任务是控制广义执行子系统中的各执行机构按照工艺过程规定的运动规律(动作逻辑)去动作,所以该子统设计的关键是传感检测模块设计与信息处理与控制模块的设计。

因此,其核心知识包括图3-3所示五个方面的内容,即选择传感器与数据采集模块;选择微处理器及其开发板;搭建自动控制系统,编写接口驱动程序;选择控制算法编写控制程序;系统建模与仿真,修正系统参数。

下面分别加以介绍。

(1)选择传感器与数据采集模块

选择传感器与数据采集模块的任务是:首先根据机电一体化系统自动控制的需要决定要采集的信息(信号);然后由信号的性质与特点去选择合适的传感器、前置放大器、测量电路、滤波器等,组成数据采集模块;或直接选择合适的数据采集模块(将上述各种单元集成在一起的芯片),构成传感检测模块且保证信号传输不失真。以备组成自动控制系统之用。

本部分的核心知识是:传感器的类型、基本原理、用途和选用方法;采样定理;电路分析的基本原理,典型电路(放大器,测量电路,一阶、二阶电路,A/D转换等)特性;信号处理技术与相关电路(滤波器、各种运算电路);信号与系统传输原理。

(2)选择微处理及其开发板

为了进行数据处理和控制广义执行子系统按规定的运动规律动作,必须使用微处理器(单片机ARM、DSP等),而要使这些微处理器运转起来,必须有操作系统和与外界联系的各种接口(如电源、输入、输出、时钟等),还要编写接口的驱动程序,这就需要有一个以微处理器为核心的开发板,将上述元器件集中在一起,供开发微处理器的数据处理与控制功能之用。现在根据不同的微处理器和不同的用途已制作了各种各样的开发板,我们只要根据需要选用即可,本阶段的任务就是选择合适的微处理器及其开发板。

本部分的核心知识是:各种微处理器的原理、特性与使用方法;接口技术和与之相配的元器件的原理、特性与使用方法;常用开发板的特性及使用方法。

(3)搭建检测控制子系统编写接口驱动程序

有了传感检测模块和微处理器开发板以后,就可以将它们连接起来构成检测控制子系统。对于一般的机电一体化系统来说,检测控制子系统不只有一个(如收集机器人就有11个),应当按3.1.2小节中详细设计阶段所讲的方法将这些检测控制子系统都建立起来。然后编写好接口的驱动程序,置入微处理器。本阶段的任务就是上述这些。

本部分的核心知识是:建立检测控制子系统的原理与方法;检测控制子系统的连接方法;微机接口技术与驱动程序编写方法。

(4)选择控制技术编写控制程序

本阶段工作的任务是:根据被控对象(广义执行子系统)的特点寻找合适的控制技术和控制算法去控制广义执行子系统按其运动规律(工艺过程动作逻辑)而动作;同时要将上述控制算法编成程序,置入微处理器中,从而实现对广义执行子系统的控制。

本部分的核心知识是:计算机控制技术和控制算法;计算机语言与程序设计;编写应用程序的能力。

(5)自动控制系统建模与仿真、修正系统参数

广义执行子系统设计完以后,执行机构、传动机构和驱动装置的几何尺寸、质量(转动惯量)、弹性模量就都知道了,从而可以建立起被控对象的传递函数;检测控制子系统搭建完成以后,系统中的电阻、电感、电容等参数就都知道了,从而也可以建立起控制器的传递函数。然后根据3.1.2小节详细设计所介绍的构建自动控制系统模型的方法,将上述属于同一“闭合流线”的被控对象的传递函数和控制器的传递函数组合到一起并确定输入与输出,则构建了一个自动控制系统的数学模型。这时我们就可以根据信号在系统中传输的原理利用计算机仿真软件对自控系统进行动态分析与系统优化,看自动控制系统本身是否具有良好的稳定性;看整个系统是否与输入信号相匹配,具有良好的定点跟踪能力(稳态输出与输入相比较误差甚小)、超调抑制能力(瞬态响应的上冲量小)和尽快的响应能力(上升时间和调整时间都很短)。若达不到要求,就应当对被控对象和控制器的参数进行适当的修正,直到满足上述要求为止。

本阶段的任务就是建立自动控制系统的数学模型,并对所建立的每一个自动控制系统都进行动态分析,看其是否满足要求,不满足则进行参数修正。

本部分的核心知识是:信号在系统中传输的理论;控制理论;仿真技术。

6.制作控制器电路板、组成控制系统联调

本阶段的任务是:首先按所建自动控制系统的要求,将开发板中对本系统有用的电路(包括元器件)裁剪出来,做成一个弱电控制板(或叫控制器);然后把已做好的(或选好的)传感检测模块与本弱电控制板相连,再接到模拟的被控制对象上(例如,与仿真所得参数相当的电动机、气压阀、液压阀、继电器等)构成一个实际的自动控制系统(这样的系统可能不止一个);再给传感器输入模拟的信号,对该系统进行调试,直到它输出的信号满足要求为止。具体做法如下。

(1)电路板原理图设计

本阶段的任务是:按我们所建立的自动控制系统的要求,将开发板中对本系统有用的部分裁剪出来,画成控制板原理图。

本部分的核心知识是:电路板原理图的画法和电路图绘制软件的应用。

(2)控制电路板制作

控制电路板一般都是交给生产厂家去制作,只要将上述原理图交给厂家就可以。电路板的制作流程是,先将原理图变成电路板用电路版图,在每个版面内应注意每条导线的宽度与长度(电阻)要合理,导线之间的缝隙(电容)要合适。对于非常复杂的电路图,可能做成多层板,这时要注意每层之间的连接问题。整块电路板的地线一定要布置好,解决好接地问题,对于磁场干扰还要考虑屏蔽问题。

对于简单电路板也可以自己做。买一块大小合适的原板,放到刻版机上按版图刻制。

本部分的核心知识是:电路板版图设计技术及制作工艺。

(3)控制电路板焊装

本阶段的任务是:按照电路版图将元器件焊接到已做好的控制电路板上。

本部分的核心知识是:掌握一定的焊接技术,能将元器件焊接到电路板上。

(4)控制系统调试

本阶段的任务是:先将传感检测模块与所做的控制电路板连接起来,接着连上被控对象,然后将各控制路径全部调通,保证自动控制系统能正常工作。

具体做法是:首先焊装调试好控制电路板。安装好各接口的驱动程序,对每个接口的通信状况和内部通信通道都逐个进行检测,发现问题及时解决,直到好用为止。然后将控制电路板与事先做好的(或选好的)传感检测模块连接在一起,构成实用的控制器(不止一个),再连上被控对象,用同前面一样的(前面是开发板与传感检测模块相连)方法将系统调测好备用。如调试过程中发现系统特性有问题,还可以局部地调整一些元器件或电路,保证系统性能良好。在下面将这里所做的控制电路板称为弱电控制板,以区别于强电控制板。

本部分的核心知识是:电路板的制做与调测;测控系统的搭建;会使用常用仪表对检测控制系统进行调试。

7.控制柜制作与电气安装、调试

传感器一般是安装在执行机构处,而控制板通常是安装在控制柜中。本阶段的任务是:将设计好的强电与弱电控制板都安装到控制柜中,调试完以后备用。本阶段具体工作如下。

(1)强电控制电路设计

广义执行子系统的驱动装置常常选用电动机,电动机所需电压一般都比较高(110V、220V、380V),所以称为强电。对电动机的控制动作有启动、制动、正转、反转、调速五类。实现电动机的这五类动作或动作之间的转换,需要强电控制电路。强电控制电路一般由主令电器(按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等)、接触器、继电器(时间继电器、热继电器、温度继电器、速度继电器等)、配电电器(刀开关、熔断器、低压断路器等)、输电线组成,其作用是控制电动机按一定的逻辑去实现执行机构的预定动作。该逻辑就是执行机构的运动规律。

强电控制电路设计的任务就是依据系统(产品)在生产过程中各执行机构的运动规律(动作逻辑),选择合适的低压电器(主令电器、接触器、继电器、配电电器),由电线连接起来构成一个控制电路,去控制电动机的转动状态,使执行机构完成其工艺动作。该设计的结果出一张控制电路图。

本部分的核心知识是:电动机的原理特性与用途;低压电器的原理特性与用途;电动机控制电路设计。

(2)强电控制板制作

强电控制板制作的任务是:按上述控制电路图,选用合适的电器,遵循一定的规则将这些电器安装在绝缘板上,然后用电线连起来。

本部分的核心知识是:低压电器在控制板上的布置规则和制作控制板的工艺。

(3)控制柜设计与制造

强、弱电控制板都要装在一个柜子(或箱子)内,以便对它们加以保护。然而,这种柜(箱)子不是随便找一个即可,而是要经过设计。

本阶段的任务是:设计控制柜(箱)并把它制造出来。设计控制柜要考虑以下几个问题:散热通风(电子元器件怕热)、电磁屏蔽与接地、柜体强度与刚度、防振减振、防潮、防尘、防腐蚀等;另外,还要考虑柜体的造型要美观,颜色要宜人,按钮布置要适合人员操作,要便于维修与检查。至于制造方法与一般机械加工相似,只不过加工设备多为剪板机、压弯机、冲床和焊机,另外还可能用到模具。

本部分的核心知识是:电子设备结构的设计制造知识;有关模具的一些知识。

(4)强、弱电控制板安装、联调

本阶段的任务是:将做好的强、弱电控制板安装到控制柜中,并将弱电控制板的输出端与强电控制板控制信号的输入端连接起来(通常是弱电控制板控制强电控制板中的电器动作)。安装时应注意两类板的相互位置要合理;导线布置要有序,一般是放在线槽里,还要注意避免导线之间的干扰;全部安装好以后,还要将传感检测模块连接上,再进行一次调试,看是否有接触不良或电磁干扰的问题。若存在问题及时解决。

本部分的核心知识是:控制板安装工艺与控制系统联调。

8.总装成机电一体化系统(产品)

本阶段是实战阶段,将主机与控制柜(箱)放到一起,并把传感检测模块的输出端与控制柜中弱电控制板的输入端连接起来。本阶段的任务是样机试制(创新设计的第四阶段)、通电联调。

因为我们前面的创新设计采用的是在系统工程思想指导下的并行设计方法;在进行系统(即自动控制系统)动态分析与系统优化时,又是采用的以系统物理数学模型为依据的计算机仿真方法;尽管仿真时所建立的物理数学模型的参数已采用了实际(设计)的数据,但该物理模型中的参数(或模型本身)仍会与实际生产出来的主机和控制板的参数有一些差别,有时甚至物理模型的性质都不一样(如模型是线性的,而实际系统是非线性的),因此,总装成机电一体化实际系统(产品)以后,再进行联调实在是太重要了,对这项工作一定要特别重视,认真对待。

调试时,首先看总装成的实际系统是否具有良好的稳定性,是否与输入信号相匹配,具有良好的定点跟踪能力、超调抑制能力和尽快的响应能力。若上述性能不好,需再次修正系统的几何、物理参数,严重的也可能要修改物理模型,再重复前面的某些设计、计算步骤。若上述性能良好,则设计工作圆满结束。

本部分的核心知识是:系统工程、并行设计、知识融合、系统优化等各种思想与方法的总结与深入理解;对物理模型的深入认识与理解;对系统调试重要性的认识与理解。

9.系统(产品)评价

在3.1节介绍的设计过程中,有好几处都提到“评价”,评价是人们对设计和产品(系统)质量好坏的评判。评判的依据是社会标准和技术标准;标准又分国家标准、行业标准和企业标准,它们的权威性不一样,最高的是国家标准。评价的方法也不同,有定性方法和定量方法。参加评价的人员一般是各方面的专家和有丰富经验的人员。

本部分的核心知识是:国家标准(或行业、企业标准);国家的相关法律法规、相关的基础理论、基本技术和丰富的工程实践经验。

10.编写操作手册

当产品(系统)通过评价(或产品鉴定)以后,应当编写一本操作手册。

内容包括:

(1)安全注意事项。尤其是对电源的要求。

(2)产品结构图。各部件名称和附件名称及其功能简介。

(3)产品操作步骤。尽量写详细,使初学者照操作步骤会使用产品。

(4)常见故障及排除方法。