浅谈机电一体化集成设计和研究

殷九洲

摘 要：集成技术是机电一体化技术发展的动力，直接影响着机电一体化系统作用的发挥。本文主要从机电一体化集成技术简述、原理、方法和验证等方面进行探讨和总结。

关键词：机电一体化;集成设计;技术

0 概述

机电一体化系统的集成技术是将机械技术、电子技术、计算机技术等融合、协调的有效途径。依靠集成技术将各种技术的优点充分发挥出来，生产出满足人们生活和生产所需的机电一体化产品，采用集成方法使产品成为现实，集成度越高，成本控制优势越显著，从而提升市场竞争力。

1 机电一体化集成技术简述

（1）机电一体化技术和产品的出现，是精密机械技术和电子技术等融合的结果，因此它从已开始发展就特别强调集成技术。机电一体化的发展过程，是一个以机电集成为主，同时综合集成其它学科技术的过程，特别是计算机等信息技术的发展，极大促进进了机电一体化的发展。集成是机电一体化发展的内在动力，它是一种创造性的过程，正是由于这种创造性，将机、电、信息、控制等各种相关技术相结合，实现了系统整体优化的效果，促使机电一体化领域的不断拓展。

（2）机电一体化是以计算机与微电子技术和机械主体的协调配合为中心，由控制系统来实现的。它需要各种传感器和许多执行机构，需要配备电源进行系统设计，其性能分析、产品试验和系统评价都需要大量的技术支撑。至于生产装备、制造工艺等，则因最终产品的类型不同而千差万别。概括地说，支撑机电一体化系统集成的技术主要包括：精密机械技术、计算机技术、电子技术、控制技术和电工技术等。

2 机电一体化集成原理

机电一体化系统的集成的过程，必须要从系统整体的角度出发，利用理论知识和实践经验，有步骤、有规律地实现机电一体化集成。

（1）根据功能进行初步设计，然后在此基础上针对实现特定的设计目的，再进行进一步分析研究。功能集成环节要将针各个系统的功能根据机电一体化系统功能结构划分为基本功能子单元，然后再信息层面上有软件来实现集成，这个过程可以用结构化方法、模块化方法。

（2）要用设计、选购的物理模块来实现功能集成中的功能单元要求，即要进行物理映射。利用理论基础和技术基础知识，根据物理映射结果，并且以系统整体优化为目标进行相应的分析和研究，最后实现最佳的集成效果。

3 机电一体化集成方法

机电一体化系统的集成方法大体上可以分为四种：部件级集成、系统级集成、硬件和软件集成以及分层集成。

3.1 部件级集成

部件级集成主要强调在传感器或执行器或两者一起的集成技术，传感器和执行器数量较多，而且可以完成一种局部任务，事实上就局部而言也是一个完整的系统。如：繁重的计算任务可分成两部分，即高层计算和低层计算。高层计算由SUN工作站进行，主要功能是手的姿态监控，手操作的协调计划和高层控制计算;低层计算由手中控制器完成，它根据传感器信息和上位机命令，向与它相连的17个模拟控制回路发布空间控制命令。

3.2 系统级集成

系统级集成主要着眼于系统的整体性能和整体结构，一般包括系统的整体结构和控制策略，传感器和执行器的数量和配置方案等。当要建造的系统能精确建模时，可以利用模型将系统的机械结构与控制策略的不同集成方案对比优选，或者按规定的约束条件进行优化，以得到最佳方案，这种方法称为模型优化法。

3.3 硬、软件综合集成

硬件软件综合集成既可面向部件，也可以面向整个系统，其要领是将机电一体化系统所要完成的功能或任务，根据性质进行划分，确定哪些任务应由硬设备完成，哪些任务要由软件完成，哪些任务需要两者配合完成;然后由不同的工作小组分头承担并完成;最后再进行整体调试运行。下面以计算机辅助设计与制造系统为例进行说明，可以将其分成计算机辅助设计与计算机辅助制造两大任务，设计部分又可分成零件和整机设计以及整机性能分析两个任务。制造部分又可分成加工和质量控制与测试两大任务。设计部分应由计算机和相应的软件承担，制造部分的零件编程要由计算和自动编程软件进行，加工装配要由数控机床和机械手、机器人等协同完成，质量控制与测试则由相应的测试设备及软件互相配合完成。这种方法可以称为任务驱动集成技术。

3.4 分层集成

分层集成又可分为两种，自顶向下集成和自底向上集成。这两种方法首先要将系统按结构分成若干子系统，子系统又分成若干基本部件。电动汽车设计就是一个典型的自顶向下的系统集成案例，它可以分成车体、储能系统、电力驱动系统、照明系统和驾驶与信息管理系统等5个子系统。车体是整车的基本骨架，它既装载全车的所有子系统，又载人或载货。为了提高性能就要设法减轻总质量，降低车辆的阻力系数，在材料选用、外观造型和部件配置等方面进行优化设计;储能系统要考虑电池类型，是选用化学电池、燃料电池还是飞轮电池、還要考虑充电方式和设备等等。

4 机电一体化集成设计验证

4.1 系统仿真

系统仿真是机电一体化系统集成的重要步骤，但只有系统能够建立精确或比较精确的模型时，仿真的结果才是有效的，也是可信的。当系统模型无法建立时，可采用原型逐次逼进法进行系统集成，靠实际样机的测试来评估系统。

4.2 系统测试和评估

系统测试和评估是系统集成不可缺少的环节，它通过对样机或实物的性能测试，验证系统是否达到规定的或预期的要求，并根据测试结果和设计资料，对系统做出全面估价。

5 结束语

机电一体化集成设计和研究是一项系统的、复杂的工程，涵盖计算机、软件、机械、电子等多个学科的知识，需要不断深入的研究和实践，以便为人们的生活和生产提供更好的服务。

参考文献：

[1]徐侃烈.机电一体化系统集成的研究与研制[D].上海大学，2004.

[2]卢志山.虚拟样机技术在磁悬浮精密定位平台中的机电一体化研究[J].中国科学院研究生院，2005.