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機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理
摘要：建立了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型，提出了基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解典型進(jìn)程、機(jī)電單元功能原理求解與接口匹配并行策略．開發(fā)了一個支持電腦刺繡機(jī)、多功能縫紉機(jī)等機(jī)電產(chǎn)品功能原理求解的計算機(jī)輔助系統(tǒng)，進(jìn)行了實例驗證．
關(guān)鍵詞：接口匹配；機(jī)電一體化系統(tǒng)；功能原理求解
機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，從某種意義上說，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計歸根結(jié)底就是接口設(shè)計[1]．概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)程中最富創(chuàng)新性的階段之一，原理方案設(shè)計則是概念設(shè)計的核心，對提高產(chǎn)品性能、降低產(chǎn)品成本有決定性的影響[2]．近年來，國內(nèi)外研制了一些能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的功能原理解的設(shè)計知識目錄或知識庫，探索了單一功能原理解的計算機(jī)表達(dá)及智能搜索策略，研制了能對單一功能求解的試驗系統(tǒng)口。5]．但對多學(xué)科領(lǐng)域集成的機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計階段的功能原理求解，尤其是基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的研究卻很少見到報道．本文著重探討了基于接口特征匹配的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解策略和實現(xiàn)方法．
1功能原理解的接口特征模型
機(jī)電一體化系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)或元件構(gòu)成，把能夠?qū)崿F(xiàn)單一功能(功能單元)的子系統(tǒng)或元件稱為機(jī)電系統(tǒng)中的機(jī)電單元．各機(jī)電單元之間必須能夠順利進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換，為此，各單元相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，即接口．，大部分機(jī)電一體化產(chǎn)品的總功能是通過多個相異和(或)相同分功能或子功能的協(xié)同作用來實現(xiàn)的，稱之為系統(tǒng)功能．與各機(jī)電單元功能原理求解相比，機(jī)電系統(tǒng)功能原理求解除了需要研究每個機(jī)電接口特征單元原理解的獨立的功能可行性之外，還需要研究各個單元原理解作為整體的有機(jī)組成部分相聯(lián)接時，接口的適配性．為解決該問題，本文提出了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型(見圖1)．作用原理接口特征功能動詞、／，功能類別、廠作用對象、／，關(guān)聯(lián)對象特征／＼特征／＼特征／＼特征輸入對象特征輸出對象特征作用環(huán)境特征輸入物料、／，輸入能力、／，輸入信息、／輸出物料、／，輸出能量、／，輸出信息接口特征／／＼接口特征／＼接口特征／＼接口特征／＼接口特征／／＼接口特征箍纂)人(茬萎)人(差鎣)人(差茬)人(茬鍪)人(茬霾鍪Y華Y待特J特I特征八征八征其、，動、／運他I力I動特J特l特征八征八征圖1 機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型接口特征模型定義了機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解在功能、效應(yīng)、作用原理等不同層面上的接口約束，主要用于從原理解知識庫中搜索可行解，是進(jìn)行系統(tǒng)級功能原理求解的核心知識．
2功能原理的求解策略
2．1功能原理求解典型進(jìn)程機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的核心問題是檢驗系統(tǒng)中各單元功能解與其相關(guān)聯(lián)的其他單元功能解的接口的適配性．機(jī)電系統(tǒng)功能求解過程可以分為2個分過程：
�、倬唧w化、結(jié)構(gòu)化分過程，解決機(jī)電單元功能解的可行性問題，即通過功能一效應(yīng)一作用原理映射過程生成作用原理解(即實現(xiàn)給定功能的物理結(jié)構(gòu))；②綜合化、集成化和系統(tǒng)化分過程，解決機(jī)電單元功能解集成時的接口適配性問題．
2．2功能原理求解與接口匹配策略機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理求解的前提和基礎(chǔ)是機(jī)電單元功能原理的獨立求解，按相關(guān)性次序，分層次地進(jìn)行相關(guān)部分單元功能解的接口適配性檢驗，及時淘汰在前一層次已經(jīng)不適配的系統(tǒng)解，以減少下一層次的接口適配性檢驗工作．設(shè)計學(xué)分析表明，機(jī)電一體化系統(tǒng)的總功能一般都由目的功能(通常為運動執(zhí)行功能)、驅(qū)動功能、傳動功能、傳感檢測功能、控制功能和輔助功能單元組成嘲，如圖2所示．其中，目的功能的解是機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的核心．因此，由初選的一個目的功能解出發(fā)，先配之以可行的驅(qū)動功能解，接著考察在運動執(zhí)行功能解與驅(qū)動功能解之間選配傳動功能解的必要性，并在通常必要的情況下尋找其輸入接口與驅(qū)動功能解適配、輸出接口與運動執(zhí)行功能解適配的傳動功能解．在此基礎(chǔ)上，再依次選配合適的傳感檢測功能解、控制功能解和輔助功能解．這是一種效率較高，也比較可行的匹配策略．
2．3功能原理解接口特征匹配的實現(xiàn)方法機(jī)電單元功能求解過程是從功能至效應(yīng)，最終至原理解的具體化和結(jié)構(gòu)化過程．在系統(tǒng)級功能原理求解過程中，所謂單元功能解的接口特征實際上包含有功能接口特征、效應(yīng)接口特征和原理接口特征(見圖1)．這三者之間不是并列的關(guān)系，后者是前者的具體化和結(jié)構(gòu)化，是前者的物化和實現(xiàn)，因而在內(nèi)涵上存在著嵌套的關(guān)系．原理解接口特征在內(nèi)涵上的分層嵌套性質(zhì)體現(xiàn)了接口信息從粗略到詳細(xì)的層層相扣的特點，提供了按功能接口、效應(yīng)接口和原理解接口分層先后進(jìn)行適配性檢驗的可能．功能接口特征和效應(yīng)接口特征所包含的信息量相對較少，不必再對其劃分層次．但作用原理接口特征包含的信息量很大，有必要再對其細(xì)分層次．從圖1可以看出，作用原理接口特征包括輸入／輸出物料接口、輸入／輸出能量接口、輸入／輸出信息接口、作用環(huán)境接口7個分特征，它們大致可以被劃分為作用對象層次和關(guān)聯(lián)對象層次．作用對象是指直接參與功能實現(xiàn)，構(gòu)成功能的輸入和輸出的對象．作用對象還可以細(xì)分為主要作用對象和非主要作用對象2個層次，主要作用對象就是通過運動執(zhí)行功能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的對象．關(guān)聯(lián)對象是指不直接參與功能實現(xiàn)，而是通過作用對象間接與原理解產(chǎn)生關(guān)系的對象，這里主要指作用環(huán)境．基于以上對作用原理接口特征的層次劃分，作用原理接口特征層面上的逐層次匹配策略為：先進(jìn)行主要作用對象接口特征匹配，再進(jìn)行非主要作用對象接口特征匹配，最后進(jìn)行關(guān)聯(lián)對象接口特征匹配．由于關(guān)聯(lián)對象接口特征所包含的接口信息比較簡單，故只討論作用對象接口特征匹配的有關(guān)問題．作用對象接口特征包括能量接口特征、物料接口特征、信息接口特征3類．能量接口特征可以被劃分為3個層次：①效應(yīng)層．描述與效應(yīng)直接相關(guān)的接口特征；②作用原理層．對效應(yīng)層物理量或者對象加以更加詳細(xì)描述的其他接口特征；③物理實現(xiàn)層．描述該原理解的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等物理層面的具體接口特征．同樣，物料接口特征、信息接口特征也可以劃分為效應(yīng)層、作用原理層、物理實現(xiàn)層3個層次．基于以上對作用對象接口特征的層次劃分，作用對象接口特征匹配策略為：效應(yīng)層接口特征匹配一作用原理層接口特征匹配一物理實現(xiàn)層接口特征匹配．
3 應(yīng)用實例基于以上思想，筆者開發(fā)了一個支持電腦刺繡機(jī)等機(jī)電產(chǎn)品功能求解的計算機(jī)輔助原理方案設(shè)計原型系統(tǒng)．限于篇幅，本文主要介紹電腦刺繡機(jī)繡框傳動機(jī)構(gòu)的功能原理求解過程．
3．1系統(tǒng)工藝原理刺繡工藝原理如下：繡針在織物之上時，繡框沿z、y兩個方向移動到規(guī)定的位置，當(dāng)繡針自上而下落到織物表面時，停止繡框移動，刺料機(jī)構(gòu)便完成一針線跡的動作．線跡的長度和方向由繡框在z、y兩個方向的移動距離決定，線跡的集合構(gòu)成了繡品．
3．2運動執(zhí)行單元功能原理求解從電腦刺繡機(jī)要實現(xiàn)的功能、系統(tǒng)輸入輸出接口、作用環(huán)境等信息出發(fā)，首先與知識庫中的原理解進(jìn)行功能接口和效應(yīng)接口的匹配，以解決單元功能解的可行性問題．功能接口匹配主要是指功能動詞的匹配．效應(yīng)接口的匹配包括效應(yīng)推理和效應(yīng)特征匹配2個步驟：①效應(yīng)推理是對輸入輸出對象的幾何、物理、化學(xué)等特征進(jìn)行分析、比較，以查找出有可能被用于實現(xiàn)該產(chǎn)品功能的效應(yīng)特征．此例中，可以推理到的效應(yīng)特征是空間相對運動效應(yīng)．②效應(yīng)特征匹配是指把效應(yīng)推理得到的效應(yīng)特征與知識庫中原理解的效應(yīng)接口特征進(jìn)行匹配，以確定該解是否滿足功能可行性．然后檢驗原理解的作用原理接口特征與產(chǎn)品功能特征之間的適配性．本例中，刺繡工藝的動作正是通過繡框在z、y兩個方向的直線往復(fù)運動與繡針在z方向的連續(xù)上下往復(fù)直線運動的配合，在刺料機(jī)構(gòu)的作用下形成線跡。
3．3驅(qū)動單元功能原理求解在最終確定驅(qū)動功能原理解前，必須首先根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的實際要求對可行的運動執(zhí)行功能原理解的輸入能量接口特征加以修改和充實．本例中，刺料工藝所需的機(jī)構(gòu)運動執(zhí)行功能解(繡框在z、y兩個方向的直線往復(fù)運動與繡針在z方向的連續(xù)上下往復(fù)直線運動相配合，在刺料機(jī)構(gòu)的作用下形成線跡)與其驅(qū)動功能解(主軸電機(jī)、z及y向移框步進(jìn)電機(jī))不完全匹配，因此，有必要進(jìn)行傳動功能求解．
3．4傳動單元功能原理求解針對電腦刺繡機(jī)運動執(zhí)行功能解與其驅(qū)動功能解不完全匹配的情況，求得傳動功能原理解為：移框機(jī)構(gòu)采用同步齒形帶實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動到繡框z／y方向獨立往復(fù)直線運動的轉(zhuǎn)換．z、y方向的繡框傳動方式完全相同且相互獨立．在已知刺繡機(jī)系統(tǒng)各單元功能原理解的基礎(chǔ)上，可明確整個系統(tǒng)的工作過程如下：控制計算機(jī)啟動主軸運轉(zhuǎn)，由刺料機(jī)構(gòu)帶動針桿及旋梭運動，計算機(jī)從刺繡數(shù)據(jù)文件中順序讀取每一針的z、y相對位移坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)驅(qū)動繡框移動，計算機(jī)通過讀取針桿位置傳感器的信號使繡框移動與刺料機(jī)構(gòu)的運動相配合．
4 結(jié)語
實踐證明，筆者提出的機(jī)電一體化系統(tǒng)功能原理解的接口特征模型及接口特征分層面、逐層次匹?
配策略，能較好地解決由單元級功能求解向系統(tǒng)級功能求解轉(zhuǎn)變中所面臨的解的可行性判斷和接口相容性判斷問題，有助于設(shè)計師在原理方案設(shè)計階段快速搜索到多解，為機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計提供依據(jù)．參考文獻(xiàn)：
[1]張建民，唐水源，馮淑華．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社，2001．
[2]張建明，魏小鵬，張德珍．產(chǎn)品概念設(shè)計的研究現(xiàn)狀及[6]
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