机电一体化的概念设计 几种定义

设计的过程是产品的功能描述向结构描述的转换过程，而 概念设计是这个过程的早期阶段。 产品的功能描述可以是一个真值表、一条性能曲线或者 一组动词短语； 结构的描述包括通过图形、模型或装置本身的物理实现等 方式所体现的一组结构属性。 功能描述与结构描述是多对多的映射关系。 概念设计可分为问题本质的抽象识别、功能结构的建立、 子功能—解原理的匹配、子结构的组合及基于设计规范的 方案评价五个阶段。
电话机系统的功能求解案例
自上而下的因果关系
水平方向的因果链
2.3 机电一体化系统的四视图
一、功能视图（Function View）
二、结构视图（Configuration View）
三、控制视图（Control View） 四、信息视图（Information View） 四视图描述的是同一个对象，它们的视角不同，但各个视 角之间是相互联系的。 在产品的概念设计阶段，四视图是有力的工具。一方面， 从功能视图开始的四视图设计，有利于创新方案的形成；另 一方面，对于一个设计方案，完成上述四视图的设计要求之 后，就提供了评价决策的基础。通过对各种不同方案的四视 图加以评价、比较，可以获得完整的、优化的、正确的设计 方案。
机电一体化产品的创新技法
机电一体化概念设计的三子系统论
（1）机电一体化系统是由计算机进行信息处理和控制的 现代机械系统，它的最终目的是实现机械运动和动作； （2）从完成工艺动作过程这一总功能要求出发，机电一 体化系统可划分为：广义执行机构子系统、传感检测子 系统、信息处理及控制子系统。它们分别完成机械运动 和动作、信息检测、信息处理及控制； （3）机电一体化系统中的执行子系统，有它的特殊性， 它是由驱动元件和执行件（或执行机构）融为一体的广 义执行机构。这种机构的最大特点是可控性。 上述三点认识，有助于对机电一体化系统按功能进 行分解，从而分别寻求各自的功能载体，通过集成优化 来得到机电一体化系统的概念设计的若干方案。
2.6 设计实例3: 气调包装机的功能分析和设计
机电一体化产品概念设计方案讨论
中药配药机。要求： 1，能减轻配药劳动强度； 2，能适应医院处方计算机管理系统； 3，能容纳150~200种常用中药，每种中药预存量1kg；可以 人工补充； 4，占地面积小、成本低。
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概念设计为由功能需求到抽象物理系统的转换过程： （1）现象设计（Phenomenological Design）阶段——基于 物理原理将功能需求抽象为行为的描述； （2）具体设计（Embodiment Design）阶段——将行为的 描述具体为能够实现行为的物理系统。
机电一体化的概念设计创新层次
废弃物 干扰
环境界面
输入
主功能
输出
动力功能
控制功能
结构 功能
技术 系统
显示输出
控制信号 人机界面
技术系统的目的是促使过程对象 （物质、能量、信息）的变换过程实现
机电一体化系统 概念设计---方案生成
一个机电一体化系统抽象、完整的功能结构模型，可以由 变换功能、目的功能和状态变迁来分析、阐述。 变换功能（变换过程）通过物质、能量、信息的输入输出流 转换来描述系统（产品）的功能，主要通过人/机（技术系统和 系统的操作者）协作，将过程对象的输入状态有目的地变换为期 望的输出状态。
控制视图
一、机电一体化的基本单元（组成及工作原理）； 二、控制器（信息处理软硬件平台）的组成；
三、接口。
信息视图
一、人机界面信息输入形式（控制语言）； 二、人机界面信息到机器界面信息的变换过程；
三、处理信息流变换的软件结构。
典型案例讨论
2.4 典型案例1：全自动洗衣机的功能分析与设计 2.5 设计实例2: 快速成形设备的功能分析和设计
机电一体化系统概念设计的过程描述



市场需求和设计要点 总功能分析描述 工艺动作过程分解及运动流程确定（行为分析） 子功能确定 软件、硬件的分配 机电一体化的集成 建模与仿真 评价
任务分析 功能、原理分析
行为分析
结构、控制分析
机电一体化系统 概念设计的 过程模型
2.2 机电一体化系统的功能设计




（1）任务创新 分析、发现市场的新需求。 （2）功能创新 一个是通过对市场需求信息和设计任务 书的创造性分析而得到的新的功能需求，另一个则是指对 产品总功能的创造性描述和抽象，从而更易于引发不同的 求解思路，有可能导致更佳的产品方案。 （3）原理创新 实现原理可细分为工作原理和技术原理2 类：所谓工作原理，是指该产品赖以实现功能的根本性原 理，或者说物理性原理；技术原理则是为保证该工作原理 的实现而采用的技术手段。工作原理创新总会导致全新产 品；而技术原理创新往往使产品种类更为丰富。 （4）行为创新（工艺动作过程创新）。 （5）结构创新 包括机构、布局、控制系统及使用的机、 电、检测元器件的组成等，是技术原理创新和行为创新的 延伸和具体实现。 （6）控制创新 信息处理的新方法，新的控制算法的使用 和创新，往往能使机电一体化系统的性能大幅度提高，可 以认为是结构创新向软件的进一步延伸。
详 细
包括子功能在内的 功能/行为/结构 的详细分析与求解
机电一体化基本单元 （ME）的分析
机电一体化系统设计域
抽象 简单 功能设计域 详细 结构设计域 控制设计域
图2-9 机电一体化系统设计域
具体
信息设计域
从功能设计域向其他设计域扩展
结构视图
一、总体布局（模块）； 二、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动及支承系统；
三、重要结构。
功能视图
一、总功能—分功能（辅助功能）的分解和描述；
二、功能原理---技术系统的推理，技术方案的 形成；
功能视图
抽象 简 略 目的功能描述 变换功能描述 （黑箱） 主要的功能组成 主功能的技术原理 具体
原理系统的构成 （原理试验系统）
功能/行为/结构 分析与求解
分功能的技术原理 及系统构成描述
包括结构视图在内的 系统方案设计 （实验样机） 详细的四视图 概念设计分析报告 （概念样机）
可以将变换功能系统看成输入/输出已知而内部未知的黑箱。
系统部件以“垂直因果链”的形式向技术系统传递物理效应。 垂直因果链原理从抽象到具体、从总体到细化将技术系统的结构 要素和行为要素联系起来。 如果一个变换包涵多个操作（状态变换）实现，则需要应用 “水平因果链原理”来分析。 按照设计者的思维习惯，引入目的功能，更接近人们对系统 功能理解的实际经验，能够有效表示设计意图和生成系统方案。
机电一体化系统 概念设计----功能方法树原理图
机电一体化系统可以视为含有因果关系或逻辑关系的 变换功能结构或目的功能结构。联系变换功能和目的功能 的纽带是“技术”的选择。 目的功能： ---描述“要做什么” 变换功能： ---描述“怎么做”
由于变换功能可以看成是目 的功能的技术实现（采用何 种技术实现目的功能），在 机电一体化系统方案生成推 理过程中，目的功能就成为 从系统的变换功能描述到功 能物理实现间的必经之路。
机电一体化产品的概念设计
2.1 概念设计的一般概念
Pahl和Beitz于1984年提出了设计过程分为： 明确任务（Clarification of Task）、 概念设计（Conceptual Design）、 具体设计（Embodiment Design） 详细设计（Detailed Design）的四阶段模型. 并将概念设计定义为：“在确定任务之后， 通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用 原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出 求解方案” 的这一部分设计工作。