机电一体化系统的组成及结构模型

　　
　　机电一体化系统的组成及结构模型
　　摘要:首先介绍了机电一体化系统的主要功能,即变换功能、目的功能和状态变迁。详细说明了机电一体化系统的信息结构和从属功能。从变换功能、目的功能和状态变迁角度出发,建立了机电一体化系统新的、完整的功能结构模型,为机电一体化系统的设计奠定了基础。
　　关键词:机电一体化系统;结构模型;主要功能;从属功能
　　0引言
　　技术系统(包括机电一体化系统)的目的是运用一定的物理效应促使过程对象的变换过程实现。变换所需效应通常由系统在操作者和?或其他系统的协同下生成,并通过其交互来进行传递。机电一体化系统方案设计的研究主要集中在欧洲,德国Darmstadt大学的R1Iserrmann[1]等人认为,机电一体化系统的驱动器、传感器及机械部分都是作为控制系统设计的外界环境而存在的,控制系统设计是机电一体化设计的主体。加拿大多伦多大学的MuraliBarathwajJayaram[2]
　　从设计理论的角度考察机电一体化的系统设计,提出了基于质量功能布置、发明问题解决理论(TRIZ)、公理化设计、层次分析法(AHP)和偏爱建模法的4阶段方案设计方法。大量的文献已经研究了技术系统的功能和功能性质的定义和表达。遗憾的是,由于对机电(本文转载自 www.yzbxz.com 一枝笔写作网)一体化系统的功能本质和特征缺乏充分的洞察,仅有极少数文献对于机电一体化系统具有实质上的针对性。本文从变换功能、目的功能和状态变迁角度出发,建立了机电一体化系统新的、完整的功能结构模型。
　　1机电一体化系统的主要功能机电一体化是使机械制造技术与电子技术、信息技术在部件、模块和系统层次上实现功能交互和空间集成的学科。机电一体化系统的显著特点是,为了实现预期的机械变换过程,机械技术和信息处理与控制技术需要紧密协同和集成,这种协同和集成使得设计者在生成建设性的方案解方面拥有更大的自由度,更能满足多样化的用户需求。机电一体化系统抽象、完整的功能结构模型,由变换功能、目的功能和状态变迁部分组成。
　　变换功能通过物质、能量、信息的输入输出流转换来描述系统的功能,其主要任务是通过人机协作,将过程对象(物质、能量、信息)的输入状态有目的地变换为期望的输出状态。可将变换功能系统视为输入输出已知而内部未知的“黑箱”。变换功能表达方式反映了功能的本质特征,易于实现功能的推理和运算。变换功能中的单一步骤称作操作,每个操作都改变了过程对象的若干性质和特征。为了获得所需的过程对象的输出状态,通常需要更多的其他操作。技术系统本身并不是技术过程,它只是运用必需的效应来推动技术过程的实现。如录像机是一个技术(机电)系统,而录像带的播放是一个功能变换过程。该变换过程的输入过程对象是储存于录像带上的磁信号,而输出过程对象是发送至显示屏的电信号。为完成录像带播放过程,操作者发送“播放”信号给录像机,由录像机完成磁信号到电信号的变换。
　　目的功能是指技术系统生成功能变换所需物理效应的能力,物理效应的全体构成了系统的目的功能。目的功能依据显现出的物理效应来表达功能,效应可由操作者、系统(部件)或两者协同生成。笔者认为,目的功能表达方式更符合设计者的思维习惯,更接近于设计者对系统功能理解的实际经验,能够有效地表示设计意图。例如,球轴承或静态结构的功能用效应来表达比用输入输出变换来表达更容易让人理解。
　　在连续类型的功能变换过程中,功能被描述为物质、能量和信息的连续流。变换过程的输出具有连续性,即输出状态仅仅取决于输入状态(如传导功能、放大功能、转换功能等就是如此)。但是,连续性变换功能结构无法明确地表达不同的系统状态。因此,机电一体化系统的功能结构不能仅用变换功能来表达。
　　机电一体化系统工作在不同的状态(至少有“开”和“关”两个状态),系统的功能依赖于系统的状态,不同状态间的变迁受一定的逻辑条件控制(例如,如果操作者按下开关,系统就处于“开启”状态)。然而,当为系统的状态变迁行为建模时,系统中的信息流却并不清楚,而信息又是状态变迁所必需的。因此,机电一体化系统的功能结构同样不能仅用系统的状态变迁来表达。
　　2机电一体化系统的信息结构信息由人产生,为人服务,人和人之间相互交流的数据和消息都是信息。这里的“信息”指的是控制论意义上的信息,即信息是独立于物质和能量的一类功能变换对象。机电一体化系统主要处理以下两类信息:①过程信息:被系统所变换(处理)的信息;②控制信息:用于控制系统中能量和物质变换过程的信息,是能够被系统所“理解”的信息。
　　机电一体化系统中的过程信息和控制信息划分在不同的信息层次上被证实存在着相对性。例如,机器人中的电子反馈回路无疑是传递控制信息的,即这个装置的目的是控制系统的运动,但是,若从局部来看其中的反馈传感器和信号调节电路的话,就会发现被它们处理的信息具有过程特征,同时,过程信息的语义值对传感器和前置放大器等的功能并无影响。机电一体化系统中的过程信息和控制信息通常在系统的信息层次结构中交替出现(控制信息需要变换功能,而变换功能在下一层次上又可能被控制信息所支配。例如,由一个图像传感器而来的信息在用来控制下一较高层次上的机器人程序之前必须被处理)。

　　3机电一体化系统中的从属功能机电一体化系统中主要功能的实现离不开一些从属功能的协同。机电一体化系统中的主要从属功能包括动力功能、控制功能、接口功能、保护功能、通讯功能和结构功能。
　　(1)动力功能为系统主要功能的实现提供必需的能量。如果系统主要部件的输入或输出与系统所处环境的相应输入或输出不能直接匹配,接口功能就是必要的了。例如,当选用电动机去驱动一个直线移动机构时,就需要能够将旋转运动转换为直线运动的接口部件。
　　(2)保护功能确保系统的重要部件的功能参数处于可允许的范围内。另外,保护功能也防止系统部件对环境产生不利影响。
　　(3)通讯功能使系统部件能够与环境交换(状态)信息。例如,激光系统会发出警报信号(输出)以表明其处于运行状态,同时又可根据一些参考设置(输入)进行运转。通讯功能主要向功能结构上层的控制回路提供信息。
　　(4)结构功能确保主要部件正常工作时所需的空间条件能够得到满足。例如,电灯插座就有结构上的用途,同时它还提供了一个电气接口。控制功能管理着系统中部件的状态,并能根据外部输入控制系统的功能特性。　　从属功能本身可被视为下一较低功能层次上的主功能,每个这样的功能又需要新的从属功能。正是实现主功能的方法决定了在功能结构的下一层次上需要什么样的从属功能。
　　4机电一体化系统的功能模型机电一体化系统的功能模型必须符合以下两个原则:①包括所有从属功能;②维持功能方法树因果链层次的递归性。所有的从属功能均被置于系统边界上以表明它们可以被相联的系统所共用。
　　因为它不宜用变换术语表达。同样,将保护功能表达为输入?输出关系可能会妨碍到对它的全面理解。如机械安全销的功能是防止机构移出安全区域,这样的保护功能就不能够用变换术语来表达。以上功能模型可以清楚地解释从属功能以及主功能与从属功能之间的(本文转载自 www.yzbxz.com 一枝笔写作网)输入输出关系结构。
　　但将此模型作为设计工具(即抽象地描述产品的功能结构)是不太合适的,因为当多个系统集成时,系统之间的关系将变得相当复杂因而难以清楚地表达。
　　5结论
　　本文首先对复杂机械系统的一般建模过程进行了分析,描述了多体动力学基本元素。随后对面向对象的建模技术进行了介绍,并运用面向对象的方法得到了基本模型元素的属性。讨论了模型元素的种类,对其进行了分类处理,根据这些分类,设计出机械多体动力学模型组件,并给出了复杂机械系统的类体系结构。
　　

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