現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法論文

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法機(jī)電0902王文旗093260230摘要：機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法主要有可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、反求設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等。本論文主要介紹了可靠性設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?？煽啃栽O(shè)計(jì)包括了很廣的內(nèi)容，可以說在滿足產(chǎn)品功能，成本等要求的前提下一切使產(chǎn)品可靠運(yùn)行的設(shè)計(jì)都稱之為可靠性設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)是指將優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程，最終獲得比較合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法目前已比較成熟，各種計(jì)算機(jī)程序能解決不同特點(diǎn)的工程問題。關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；可靠性設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；Abstract:Themoderndesignofmechatronicsystemsreliabilitymethodsaremainlydesignedtooptimizethedesign,reversedesign,greendesign,virtualdesign.Thisthesisdescribesthedesignandoptimizationofthereliabilitydesignmethod.

Reliabilityofthedesignincludesaverybroadcontent,itcanbesaidtomeettheproductfunctionality,costandotherrequirementsunderthepremiseofallthereliableoperationoftheproductdesignareknownreliabilitydesign.Optimizationreferstotheoptimizationtechniquesusedinthedesignprocessand,ultimately,amorereasonabledesignparameterstooptimizethedesignmethodisnowmoremature,avarietyofdifferentcharacteristicsofcomputerprogramstosolveengineeringproblems.

Keywords:mechatronics;moderndesignmethods;reliabilitydesign;optimization;1引言隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使人們對(duì)設(shè)計(jì)的要求發(fā)展到了一個(gè)新的階段，具體表現(xiàn)為設(shè)計(jì)對(duì)象由單機(jī)走向系統(tǒng)、設(shè)計(jì)要求由單目標(biāo)走向多目標(biāo)、設(shè)計(jì)所涉及的領(lǐng)域由單一領(lǐng)域走向多個(gè)領(lǐng)域、承擔(dān)設(shè)計(jì)的工作人員從單人走向小組甚至大的群體、產(chǎn)品設(shè)計(jì)由自由發(fā)展走向有計(jì)劃的開展。與人們對(duì)設(shè)計(jì)的要求相比現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)確實(shí)是落后的，主要表現(xiàn)為：對(duì)客觀設(shè)計(jì)的研究不夠，尚未很好的掌握設(shè)計(jì)中的客觀規(guī)律；當(dāng)前設(shè)計(jì)的優(yōu)劣主要取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)；設(shè)計(jì)生產(chǎn)率較低；設(shè)計(jì)進(jìn)度與質(zhì)量不能很好控制；實(shí)際手段與設(shè)計(jì)方法有待改進(jìn)；尚未形成能被大家接受，能有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。面對(duì)這種形勢(shì)，唯一的解決方法就是設(shè)計(jì)必須科學(xué)化。這就意味著要科學(xué)的闡述客觀設(shè)計(jì)過程及本質(zhì)，分析與設(shè)計(jì)有關(guān)的領(lǐng)域及其地位，在此基礎(chǔ)上科學(xué)的安排設(shè)計(jì)進(jìn)程，使用科學(xué)的方法和手段進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)人員不僅有豐富的專業(yè)知識(shí)，而且要掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)手段，科學(xué)地進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，這樣才能及時(shí)得到符合要求的產(chǎn)品。2機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為目標(biāo)的一個(gè)總的知識(shí)群體的總稱。它運(yùn)用了系統(tǒng)工程，實(shí)行人、機(jī)、環(huán)境系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)進(jìn)程、設(shè)計(jì)組織更合理化、現(xiàn)代化，大力采用許多動(dòng)態(tài)分析方法，使問題分析動(dòng)態(tài)化，實(shí)際進(jìn)程、設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)的選擇更為優(yōu)化，計(jì)算、繪圖等計(jì)算機(jī)化。所以人們常用動(dòng)態(tài)化、優(yōu)化、計(jì)算機(jī)化概括其核心內(nèi)容。機(jī)電一體化系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法包括可靠性設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，反求設(shè)計(jì)方法，綠色設(shè)計(jì)方法，虛擬設(shè)計(jì)方法等。這里只介紹可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩種方法。3可靠性設(shè)計(jì)3.1可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可靠性作為產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，隨產(chǎn)品所使用時(shí)間的延續(xù)在不斷變化?？煽啃栽O(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的變化規(guī)律，并在其基礎(chǔ)上確定如何以最少的費(fèi)用來保證應(yīng)有的工作壽命和可靠度，建立最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。因此可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：故障機(jī)理和故障模型研究；可靠性實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究；可靠性水平的確定等。3.2可靠性設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)表示可靠性水平高低的指標(biāo)體系如下圖，主要包括五個(gè)方面：可靠性、維修性、有效性、耐久性和安全性。產(chǎn)品可靠性指標(biāo)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)refSHAPE可靠性累積失效概率可靠度失效率可靠壽命穩(wěn)態(tài)有效性平均壽命可靠性累積失效概率可靠度失效率可靠壽命穩(wěn)態(tài)有效性平均壽命修復(fù)率維修度瞬時(shí)有效性平均修復(fù)時(shí)間平均有效性維修性有效性安全性耐久性圖1可靠性設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)3.3可靠性設(shè)計(jì)常用方法（1）冗余技術(shù)冗余技術(shù)又稱為儲(chǔ)存技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。冗余有工作冗余和后備冗余兩類。工作冗余：又稱為工作儲(chǔ)備和掩蔽儲(chǔ)備，是一種兩個(gè)或兩個(gè)以上單元并行工作的并聯(lián)模型。平時(shí)，由各個(gè)單元平均分擔(dān)工作壓力，因此工作能力有冗余。只有當(dāng)所有單元都失效時(shí)系統(tǒng)才失效，如果還有任何一個(gè)單元未失效，系統(tǒng)就能可靠地工作，不過這個(gè)單元要負(fù)擔(dān)額定的全部工作應(yīng)力。后備冗余：又稱為非工作儲(chǔ)備或待機(jī)儲(chǔ)備。平時(shí)只需一個(gè)單元工作，另一個(gè)單元是冗余的，用于待機(jī)備用。這種系統(tǒng)必須設(shè)置失效檢測(cè)裝置和轉(zhuǎn)換裝置并保證絕對(duì)可靠，則后備冗余的可靠度比工作冗余法高。如果不絕對(duì)可靠，就寧肯采用工作冗余法，因工作冗余系統(tǒng)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是由于冗余單元分擔(dān)了工作應(yīng)力，各單元的工作應(yīng)力都低于額定值，因此其可靠度比預(yù)定值高。選擇冗余法必須考慮產(chǎn)品性能上的要求，如果由多個(gè)單元同時(shí)完成同一工作顯著影響系統(tǒng)的工作特性時(shí)，就不能采用工作冗余法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須考慮環(huán)境條件和工作條件的影響，例如，如果多個(gè)工作單元同時(shí)工作，因每個(gè)單元的溫升而產(chǎn)生系統(tǒng)所不能容許的溫升時(shí)，最好采用后備冗余法。又如系統(tǒng)的電源有限，不足以使冗余單元同時(shí)工作，也以采用后備冗余法為好。決定是否采用冗余技術(shù)時(shí)，要分析引起失效的可靠原因。當(dāng)失效真正是隨機(jī)失效時(shí)，冗余技術(shù)就能大大提高可靠度，但如果是由于過應(yīng)力所引起的，冗余技術(shù)就沒有用。如果某一環(huán)境條件是使并聯(lián)各單元失效的共同因素，則冗余單元也并不可靠。（2）診斷技術(shù)從本質(zhì)上來看，診斷技術(shù)是一種檢測(cè)技術(shù)，用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效（故障）類型和失效位置信息。它的任務(wù)有兩個(gè)：一是出現(xiàn)故障時(shí)，迅速確定故障的種類和位置，以便及時(shí)修復(fù)；二是在故障尚未發(fā)生時(shí)，確定產(chǎn)品中有關(guān)元器件距離極限狀態(tài)的程度，查明產(chǎn)品工作能力下降的原因，以便采取維護(hù)措施或進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，防止發(fā)生故障。診斷的過程是：首先對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行特定的測(cè)試，取得診斷信號(hào)（輸出參數(shù)）。再?gòu)脑\斷信號(hào)中分離出能表征故障種類和位置的異常性信號(hào)，即征兆；最后將征兆與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，確定故障的種類和故障的位置。測(cè)試：通常有兩種測(cè)試，一是在故障出現(xiàn)之后，為了迅速確定故障的種類和故障的位置，對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)性測(cè)試，這時(shí)診斷對(duì)象處于非工作狀態(tài)，這種情況稱為診斷測(cè)試；二是在故障發(fā)生前，診斷對(duì)象處于工作狀態(tài)，為了預(yù)測(cè)故障或及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行的在線測(cè)試，這種情況稱為故障監(jiān)測(cè)。征兆：征兆是有利于判斷故障種類和故障位置的異常性診斷信號(hào)，可分為直接征兆和間接征兆兩類。直接征兆是在檢測(cè)產(chǎn)品整機(jī)的輸出參數(shù)或可能出現(xiàn)故障的元部件輸出參數(shù)時(shí)，取得的異常性診斷信號(hào)。例如，產(chǎn)品的主要性能參數(shù)異?；蛴嘘P(guān)機(jī)械零件的磨損量、變形量等參數(shù)變化的信號(hào)。間接征兆是從那些與產(chǎn)品有關(guān)工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)中取得的異常性診斷信號(hào)。例如，產(chǎn)品的音響信號(hào)、溫度變化、潤(rùn)滑油中磨損產(chǎn)物、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)（幅頻特性），都可作為取得間接征兆的信號(hào)。采用間接征兆進(jìn)行診斷的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以在產(chǎn)品處于工作狀態(tài)及不作任何拆卸的情況下，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的工作能力。其缺點(diǎn)是，間接征兆與產(chǎn)品輸出信號(hào)之間往往存在某種隨即關(guān)系，此外，一些干擾因素也會(huì)影響間接征兆的有效性。盡管如此，間接征兆在診斷技術(shù)中還是得到了廣泛的應(yīng)用。診斷：診斷就是將測(cè)試取得的診斷信號(hào)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，或利用事先確定的征兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來確定故障的種類與部位。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是根據(jù)產(chǎn)品或元部件輸出參數(shù)的極限值來設(shè)定的。征兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)理論分析或模擬仿真試驗(yàn)來建立，這種關(guān)系用列表形式來表示時(shí)，稱為故障診斷表。4優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容和目的機(jī)電一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要把優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去，通過對(duì)零件、機(jī)構(gòu)、元器件和電路、部件、子系統(tǒng)乃至機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高機(jī)電產(chǎn)品及技術(shù)裝備的設(shè)計(jì)水平，從而增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和生命力。4.2機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件機(jī)電一體化設(shè)計(jì)比單一門類的設(shè)計(jì)有更多的可選擇性和設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)槟承┕δ芗瓤梢圆捎脵C(jī)械方案來實(shí)現(xiàn)，也可以采用電子硬件或軟件方案來實(shí)現(xiàn)，如機(jī)械計(jì)時(shí)器可由電子計(jì)時(shí)器代替，汽車上的機(jī)械式點(diǎn)火機(jī)構(gòu)可由微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)替代，步進(jìn)電機(jī)的硬件環(huán)形分配器可由軟件環(huán)形分配替代等。實(shí)際上，這些可以互相替代的機(jī)械、電子硬件或軟件方案必然在某個(gè)層次上可實(shí)現(xiàn)相同的功能，因而稱這些方案在實(shí)現(xiàn)某種功能上具有等效性，這種等效性是可以進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的充分條件之一。另外，從一般的控制系統(tǒng)方框圖中可以看出，各個(gè)組成環(huán)節(jié)的特性是相互關(guān)聯(lián)的，而且共同影響系統(tǒng)的性能?？刂葡到y(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)不是只改變控制裝置的性能，而是把包括控制對(duì)象在內(nèi)的大部分組成環(huán)節(jié)都作為可改變的設(shè)計(jì)內(nèi)容，使設(shè)計(jì)工作比只改變控制裝置有更大的靈活性，可以優(yōu)化出更合理的結(jié)構(gòu)組織形式，獲得更理想的產(chǎn)品性能。這種機(jī)電環(huán)節(jié)互相關(guān)聯(lián)、相輔相成的互補(bǔ)特性，是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的另一充分條件。如果在所設(shè)計(jì)產(chǎn)品中具備等效性環(huán)節(jié)或互補(bǔ)性環(huán)節(jié)，那么該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就應(yīng)該采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法，否則只需采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法。4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法（1）實(shí)驗(yàn)法：由實(shí)驗(yàn)直接找到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解及相應(yīng)的最優(yōu)點(diǎn)，求出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。（2）圖解法：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)，畫出其圖形，找出最優(yōu)解，雖然此方法只適應(yīng)于求解極簡(jiǎn)單的優(yōu)化問題，但對(duì)于理解優(yōu)化問題中的基本概念，目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)之間的關(guān)系，掌握最優(yōu)解的存在規(guī)律及求解范圍都有很大的幫助。（3）數(shù)學(xué)規(guī)劃法：優(yōu)化問題的求解主要是用數(shù)學(xué)規(guī)劃法，因此數(shù)學(xué)規(guī)劃法是整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的核心，該方法是根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，從求解函數(shù)極值問題的數(shù)學(xué)原理出發(fā)，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)中一系列數(shù)學(xué)分析及計(jì)算方法，求出最優(yōu)解。數(shù)學(xué)規(guī)劃法又有許多類型：①根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)分為單目標(biāo)優(yōu)化問題和多目標(biāo)優(yōu)化問題。②根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)的線性性質(zhì)分為線性規(guī)劃問題和非線性規(guī)劃問題，線性規(guī)劃問題求解主要用單純行優(yōu)化法。確定設(shè)計(jì)要求，分析設(shè)計(jì)對(duì)象開始是否合理建立數(shù)學(xué)模型確定設(shè)計(jì)要求，分析設(shè)計(jì)對(duì)象開始是否合理建立數(shù)學(xué)模型確定設(shè)計(jì)變量確定約束條件構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型規(guī)格化是否合理輸出優(yōu)化方案結(jié)束調(diào)整設(shè)計(jì)要求改進(jìn)優(yōu)化模型改進(jìn)優(yōu)化方法否否不合理圖2優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟分析優(yōu)化結(jié)果選擇優(yōu)化求解方法4.4優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟（1）設(shè)計(jì)對(duì)象分析（2）設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束條件的確定（3）目標(biāo)函數(shù)的建立（4）合適的優(yōu)化計(jì)算方法選擇（5）優(yōu)化結(jié)果分析。結(jié)語(yǔ)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方法要遵循產(chǎn)品的一般性設(shè)計(jì)原則，即在保證產(chǎn)品目的、功能、性能和使用壽命前提下盡量降低成本，機(jī)電一體化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分滿足用戶要求的基礎(chǔ)上努力以最新的技術(shù)手段，最廉價(jià)材料或元器件，最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，最低的消耗向用戶提供最滿意的產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)[1]李建勇.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004[2]劉杰,宋偉剛,李允公.機(jī)電一體化技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出