机电产品创新设计论文

机电一体化产品概念设计理论现状与展望摘 要: 探讨了机电一体化产品概念设计理论与方法对产品创新设计的重要性,分析了国内外不同学科背景的学者从不同角度进行研究的现状国外学者以电子学及控制理论为研究出发点,建立了一些概念设计操作平台国内学者以现代机构学为研究出发点,研究以运动执行功能为主功能的机电一体化产品概念设计,其设计理论与方法,更具有实用性,更有利于计算机辅助概念设计并指出了机电一体化产品概念设计理论与方法的发展方向关键词: 机电一体化;概念设计;系统设计机电一体化(Mechatronics)一词,最早起源于日本,是由机械学“mechanics”与电子学“electronics”结合而成的拼缀词,意思为机械电子学,在我国则称之为机电一体化自提出机电一体化(Mechatronics)这一概念以来,机电一体化经历了30多年的发展,其内涵随科技的发展不断更新,不断丰富特别是人类进入21世机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面提出了越来越高的要求而相关学科,如AI技术、计算机技术、传感技术、网络技术、信息技术等的发展,为机电一体化系统开辟了更加广阔的应用前景尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的发展,使产品结构发生了革命性的变化随着信息、传感等技术与传统机械产品的融合,传统机械产品正向着智能化、网络化、模块化、柔性化、微型化、自动化等机电一体化新阶段迈进机电一体化技术已成为一门新兴的交叉学科技术,它涉及到机械制造技术、信息处理技术、传感器技术、伺服驱动技术、接口技术、自动控制技术等关键技术技术的更新,带动机电一体化产品向更高层次方向发展,以满足人们不断丰富和发展的物质、文化和精神上的需求机电一体化技术在21世纪机械产品的设计和开发中将发挥重要作用,其产品是机电一体化技术的载体和体现者,通过机电一体化产品来实现和反映当今的机电一体化技术的发展水平因此,作为机电一体化产品的设计师,不但要掌握先进的机电一体化技术,而且更重要地是掌握如何在产品设计中充分展现现代机电一体化技术的最新成果机电一体化系统所具有的学科交叉性、多技术性、集成性、融合性、复杂性给产品设计师提出了更高的要求[1,2]1 建立机电一体化产品概念设计理论与方法的意义设计方法对于指导产品设计具有重要的作用苏联学者阿切尔康的巨著《机械零件设计》指导了几代人的设计工作,使机械设计理论化、规范化美国学者铁木辛科的巨著《材料力学》也影响了几代人,奠定了强度设计的基础设计理论对于设计的指导作用已为世人所公认最优化原理、智能化原理、柔性化原理、网络化原理、可靠性原理等是从系统的观点和运筹学的角度,针对某项具体指标完成产品局部设计环节的设计理论和方法由于机电一体化产品设计的复杂性决定,单独应用这些设计理论虽可以对机电一体化产品的原始创新起到一定的作用,但也易于达到设计极限[3-5]概念设计是产品设计的重要阶段,决定了产品设计质量的60%~70% 因而,要建立机电一体化产品的设计理论,必须首先建立机电一体化产品概念设计的理论、方法基于优良的概念设计方案才能够得到性能优异的机电一体化产品因此,建立机电一体化产品的概念设计理论体系是非常必要的[6,7]概念设计思想受到各国学者的重视,相继出现了多种用于概念设计阶段的设计理论,如公理化设计理论、TRIZ设计理论、QFD理论等这些理论对工程领域的创新设计起到了巨大的推动作用,其成就为世人所关注但这些设计理论多集中在一般的机械工程领域,或者由多个学科简单组合的工程产品设计由于机电一体化系统的学科交叉性、集成性、融合性及复杂性等特点,现有的机械产品的概念设计理论不适用于机电一体化产品的概念设计,必须结合机电一体化系统的自身特点,建立一套系统的、完整的概念设计理论和方法,指导机电一体化产品的创新设计因此认为,机电一体化产品发展到21世纪,应该为其建立系统科学的设计理论和方法了同时,相关学科的设计理论也为机电一体化建立奠定了必要的理论基础[8,9]

希望对你有帮助哪怕只有一点点　　机电一体化毕业论文　　机电产品和相应的生产装备种类与水平是一个国家工业基础能力的重要标志之一。光机电一体化技术使产品或体积减小、重量减轻，降低资源消耗；或增强智能化和可靠性，使产品具备更加良好的性能价格比；或降低成本，让更多的人有能力享用新产品……变化的实质是使产品具有更强的市场竞争能力。机电产品生产装备的进步往往带来一个具体生产行业技术与产品的升级换代，工业生产与人民生活产生质的变化、甚至是革命性的飞跃。支持发展这一技术领域的目的在于：提高和改变传统机电产品的性能、质量、品种结构和配套现状，开发新一代具有国际竞争能力的智能型产品，促进传统机电产品的升级换代；开发高度自动化、高精度制造装备，满足国民经济各部门技术装备的需要。2005年度，科技型中小企业技术创新基金将重点支持光机电一体化领域中下列六个方面适宜中小企业承担的技术产品：l、工业生产过程控制系统；2、高性能、智能化仪器仪表；3、先进制造技术及其装备；4、医疗仪器技术、设备与医学专用软件；5、发电厂及电力系统信息化与自动化；6、地面机动交通工具行业相关技术产品。　　(一)简述机电一体化　　机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。　　(二)简述机电一体化代表产业数控技术　　随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。　　长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。　　数控加工技术是一项能大幅度提高机械加工件精确度及其生产效率的先进制造技术，不仅能适应单件、各种批量生产，还能加工传统方法难加工的形状复杂、精确度高的零件。因此，发展现代化的数控加工技术及其装备、相关的加工工艺，是机械制造业实现自动化、柔性化及集成化生产的基础，它将促进机械制造业产品结构、生产方式及管理体制发生深刻变化，更好地发挥数字技术及信息技术对提升制造水平的重大作用。本基金将重点支持：有良好市场前景的数控单元技术的创新项目、具有结构及工艺创新的高性能的数控制造设备。（1）具有市场竞争力的高可靠数控系统及驱动系统；（2）高性能加工编程软件及应用软件；（3）先进数控机床及其关键功能部件；（4）先进数控加工用刀具　　摘要：简要介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。　　装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。　　数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。　　1数控技术的发展趋势　　数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面〔1～4〕。　　1．1高速、高精加工技术及装备的新趋势　　效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。　　在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。　　从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*！000r/mm和1g。　　在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(01μm)。　　在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。　　为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。　　25轴联动加工和复合加工机床快速发展　　采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。　　当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。　　在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。　　3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势　　21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。　　为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。　　网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。　　4重视新技术标准、规范的建立　　1关于数控系统设计开发规范　　如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。　　。2关于数控标准　　数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。　　STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。　　目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1～31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。　　2对我国数控技术及其产业发展的基本估计　　我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50％，配国产数控系统（普及型）也达到了10％。　　纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。　　奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。　　初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。　　建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。　　虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。　　技术水平上，与国外先进水平大约落后10～15年，在高精尖技术方面则更大。　　产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。　　可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。　　分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。　　认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。　　体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。　　机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。　　技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。　　3对我国数控技术和产业化发展的战略思考　　1战略考虑　　我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。　　我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。　　2发展策略　　从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。　　强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。　　在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。　　在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。　　参考文献：　　〔1〕中国机床工具工业协会行业发展部。CIMT2001巡礼〔J〕。世界制造技术与装备市场，2001(3)：18-　　〔2〕梁训王宣，周延佑。机床技术发展的新动向〔J〕。世界制造技术与装备市场，2001(3)：21-　　〔3〕中国机床工具工业协会数控系统分会。CIMT2001巡礼〔J〕。世界制造技术与装备市场，2001(5)：13-　　〔4〕杨学桐，李冬茹，何文立，等距世纪数控机床技术发展战略研究〔M〕。北京：国家机械工业局，

“骄傲”两个字我有点怀疑。凡是有点干劲的，有点能力的，他总是相信自己，是有点主见的人。越有主见的人，越有自信。这个并不坏。真是有点骄傲，如果放到适当岗位，他自己就会谦虚起来，要不然他就混不下去

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