机电系统多领域集成设计

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第1章 绪论
　　“机电一体化（Mechatronics）”一词起源于日本安川电机株式会社，由机械（Mechanics）和电子技术（Electronics）两个词结合而成，最初用来描述机械、电子、计算和自动控制四个学科的集成过程［1］。随着技术的发展，机电一体化已经成为在工业产品及过程的设计、制造和运营中，信息技术、物理系统与复杂决策的协同集成［2］。
　　自20世纪80年代以来，产品从具有离散电气和机械零件的机械系统发展为具有传感器、致动器和数字微电子系统的集成电子复杂系统。这些由硬件和软件模块组成的复杂集成系统通常称为机电一体化系统（或机电系统，下文统称为机电系统）［3，4］。图1.1展示了这种演变中涉及的不同工程学科以及它们之间的关系［5］。
　　首先， 图1.1右下角的三角形表示的致动器模块（Actuator） 负责提供系统所需的驱动力，它被认为是电子/ 电气和机械学科的**个结合，外部电源提供了这些致动器所需的能源。其次， 图1.1 顶角上的三角形表示的嵌入式控制模块（Embedded control）可以看作电子/ 电气和信息学科的有机结合，以实现系统的自动化控制或可重复性更高的自动化过程为目标［5］。再次，位于图1.1 左下角的三角形表示传感器模块（Sensor），用来获取有关系统状态或者外部环境的详细信息，它被视为机械学科和信息学科之间的结合。最后，图1.1 中间的通信模块（Communication）被认为是机电系统的核心部分，它将上述模块有机地集成到了整个机电系统中。
　　图1.1 机电系统不同模块间的集成关系［5］
　　与纯机械系统或纯电子系统相比，上述机电系统的演变过程为现代工业化生产提供了更多的功能。但是，德国自动化专家Sch？ner 认为，上述演化而来的系统仍只能被称作自动化系统，机电系统的意义远不止如此［5］。在Sch？ner 教授的基础上，耶鲁大学的Abramovici 和Bellalouna认为机电系统是全球并行工程和集成设计方法的结果产品［6，7］，为了实现这种集成化的设计，他们将机电系统设计过程中需要解决的问题归纳为“设计流程集成问题”和“设计数据集成问题”［8］。
　　根据Abramovici 和Bellalouna 两人的说法，“设计流程集成问题”与不同领域、不同学科的开发过程中，特定开发流程、活动、任务的协调和集成有关。但事实上，上述设计过程中不同领域设计活动间的协调和集成往往在设计前期没有考虑，这在很大程度上影响了设计中不同领域间的连贯性和相互作用，造成设计过程的反复。此外，目前基本上没有可以支持多学科领域并行开展设计过程的商业软件或者信息平台［9］。
　　“设计数据集成问题”是机电系统设计过程中的另一大挑战［9］，该问题与机电系统设计中不同领域设计数据的异构性有关。例如，机械设计师使用计算机辅助设计（Computer-Aided Design，CAD） 软件来实现系统机械部分的开发，生成的数据通常存储在机械产品数据管理（Mechanical Product Data Management，M-PDM）系统中；电气工程师则使用电气/ 电子工程解决方案（Electrical/Electronic EngineeringSolutions，EES） 来创建存储在电气PDM（Electrical Product DataManagement，E-PDM）中的数据；软件模块的设计人员编写的程序代码则通过软件配置管理（Software Configuration Management，SCM）系统进行管理。这些由不同领域的开发工具生成产品的设计数据，在数据模型和数据格式方面的异构性造成的设计问题被统称为“设计数据集成问题”［10］。
　　上述由于多学科领域参与而导致的“设计流程集成问题”和“设计数据集成问题”都会对机电系统的最终集成产生负面影响。图1.2 展示了机电一体化系统的四种集成层次。**种集成层次被称为分离式集成，在这种情况下，包含在同一系统中的不同组件是分开设计的；第二种集成层次被称为连接式集成，此时组件之间的距离较分离式集成已经逐渐缩短；第三种集成层次被称为包含式集成，在这种集成层次下，电子组件散布到整个系统中；最后一种集成层次被称为融合式集成，电子设备应尽可能靠近机械和电气组件进行融合。
　　图1.2 机电系统中不同的集成层次［11］
　　另一种集成方式的划分是从组件间的物理和功能的角度提出的，这种方式将机电系统的集成设计分成了物理集成和功能集成两个方面。物理集成聚焦在机电系统空间和重量的优化；而功能集成则试图将检测、通信、控制、信息处理等功能进行结合，让系统能够提供全新的、更加可靠的功能。
　　本书聚焦于机电系统集成设计面临的两大问题，即“设计流程集成问题”和“设计数据集成问题”。第2章将回顾现有的机电系统设计数据模型和机电系统设计方法，探讨其是否能够回答机电系统设计面临的两大问题；第3章将对机电系统设计中运用到的多领域接口模型进行详细介绍，利用该接口模型，设计人员可以有效地解决上述机电系统集成设计中存在的两大问题；第4章介绍基于多领域接口模型的机电系统分解方法；第5章介绍基于多领域接口模型的机电系统组件配置方法；第6章介绍设计需求驱动的机电系统设计方法；第7章介绍针对中小型企业复杂机电系统的开发应用实例；第8章针对机电系统集成设计做以总结与展望。
　　第2章 机电系统设计流程模型和设计数据模型
　　由第1章中的讨论可知，机电系统的集成设计需要解决两个方面的问题，即“设计流程集成问题”和“设计数据集成问题”。目前，学术界和工业界都尚未提供明确的解决方案来解决这两方面的问题。本章内容将介绍目前主流的机电系统设计数据模型和机电系统设计方法。
　　2.1 机电系统集成
　　2.1.1 设计流程集成
　　机电系统设计过程是一个由多学科参与的开发流程。尽管目前主流的机电设计方法已经针对基于设计过程的问题做了很多努力，但仍然存在一些挑战亟待解决，例如：
　　（1）传统的顺序化设计流程仍然被用作行业标准指导机电系统设计。
　　（2）在整个设计过程中，缺乏有效的方法来支持多学科设计。
　　（3）缺乏有效的工具来支持工程师之间设计数据的共享和交换。
　　通过分析这些在设计过程中遇到的挑战，本书提出了三个评估现有设计方法的准则，即
　　（1）是否支持并行化设计?
　　（2）是否支持宏观协作？
　　（3）是否支持微观协作？
　　这三个评估准则将在本章中做更详尽的描述。
　　1. 并行化设计
　　机电系统设计活动通常依赖于不同的设计工具和设计数据，因此传统方法（例如顺序化设计流程）仍然是目前广泛采用的设计方法。但是，该设计流程已经不再适合现代机电系统的设计和开发，因为顺序化的设计过程会导致设计成本的大量增加和开发周期的不断延长。并行化设计是一种基于设计任务并行化的工作方法［6］，它可以通过规划多领域的设计任务来大大减少设计成本和开发周期［12］。然而，如何组织由多学科领域完成的不同设计任务，以实现资源与项目团队成员之间的最优化配置，进而实现机电系统的集成设计，仍是一个急需解决的问题［7］。
　　2. 宏观协作
　　机电系统通常是由不同学科领域（机械、电气/ 电子学和软件）的模块构建而成，机电系统设计过程中尤其关注不同学科领域模块及其接口的问题［13］。宏观协作强调的就是这种不同学科领域之间的协作：它不仅关注不同领域学科模块的开发，更关注这些模块间的接口。
　　3. 微观协作
　　机电系统的设计过程实际上是由不同工程师或设计人员协同完成的，在这个过程中，人员之间的通信、数据共享和交换就显得尤为重要。在本书中，人员之间的协作被称为微观协作。目前，设计人员通常通过电子邮件、电话或定期会议等方式来完成这种微观级别的协作。
　　2.1.2 设计数据集成
　　在机电系统的整个生命周期， 尤其是在设计过程中， 不同领域的设计人员会创建和管理大量设计数据，因此，产品数据模型（Productmodel，下文简称产品模型）的概念被提出并广泛应用于产品开发中，其主要目的是支持产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）中产品数据管理（Product Data Management，PDM）的相关功能。产品模型包括产品生命周期中所有参与者都可以访问、存储、服务和再利用的信息，它是帮助设计人员实现机电系统集成化设计的有力支持。与此同时，由不同学科领域产生的数据存在数据多样性，也为机电系统的设计带来了挑战，例如：
　　（1）通过使用产品模型来组织设计过程。
　　（2）忽略了机电系统中不同模块间接口信息的重要性。
　　（3）不同的设计人员间缺乏有效的数据交换支持。
　　（4）机电系统在设计过程中设计数据的变化。
　　（5）针对某类机电系统的设计数据的变化。
　　同样，通过考察上述由设计数据产生的问题，本书确定5个评估当前产品模型的评估准则，即
　　（1）是否实现了组织接口？
　　（2）是否实现了宏观接口？
　　（3）是否实现了微观接口？
　　（4）能否表达机电系统的纵向演化？
　　（5）能否表达机电系统的横向变化？
　　这5个评估准则将在本章中做更详尽的描述。
　　1. 组织接口
　　尽管一些产品模型包含设计过程的信息，但是如何使用产品模型指导机电系统的设计过程仍然是亟待解决的问题。组织接口可以用于指导设计任务并支持整个设计过程的协作，它从两个方面影响机电系统的设计过程。一方面，组织接口有助于在初步设计阶段将用户的需求转换为解决方案，帮助设计人员做出决策；另一方面，它可以管理和解决不同学科领域之间的冲突，提示设计人员在完成本学科领域的设计的同时，还需要考虑其他学科领域的设计方案。总而言之，对于机电系统集成化设计，组织接口可以帮助设计人员组织并开展良好的并行设计活动。
　　2. 宏观接口
　　在机电系统设计过程中，不同的模块是由不同的学科领域定义的，并由不同的工程师进行开发。为了使两个模块相互连接，必须对不同的