A. 機電一體化系統的設計都有哪些內容方法
機電一體化系統的設計：
一、機電一體化系統開發的設計思想
機電一體化的優勢，在於它吸收了各相關學科之長並加以綜合運用而取得整體優化效果，因此在機電一體化系統開發的過程中，要特別強調技術融合，學科交叉的作用。機電一體化系統開發是一項多級別、多單元組成的系統工程。把系統的各單元有機的結合成系統後，各單元的功能不僅相互疊加，而且相互輔助、相互促進、相互提高，使整體的功能大於各單元功能的簡單的和，即「整體大於部分的和」。當然，如果設計不當，由於各單元的差異性，在組成系統後會導致單元間的矛盾和摩擦，出現內耗，內耗過大，則可能出現整體小於部分之和的情況，從而失去了一體化的優勢。因此，在開發的過程中，一方面要求設計機械系統時，應選擇與控制系統的電氣參數相匹配的機械繫統參數；同時也要求設計控制系統時，應根據機械繫統的固有結構參數來選擇和確定電氣參數。綜合應用機械技術和微電子技術，使二者密切結合、相互協調、相互補充，充分體現機電一體化的優越性。
二、機電一體化系統設計方法
擬定機電一體化系統設計方案的方法有取代法、整體設計法和組合法。
1、取代法
這種方法是用電氣控製取代原傳統中機械控制機構。這種方法是改造傳統機械產品和開發新型產品常用的方法。如用電氣調速控制系統取代機械式變速機構，用可編程序控制器或微型計算機來取代機械凸輪控制機構、插銷板、步進開關、繼電器等，以彌補機械技術的不足，這種方法不但能大大簡化機械結構，而且還可以提高系統的性能和質量。這種方法的缺點是跳不出原系統的框架，不利於開拓思路，尤其在開發全新的產品時更具有局限性。
2、整體設計法
這種方法主要用於全新產品和系統的開發。在設計時完全從系統的整體目標考慮各子系統的設計，所以介面簡單，甚至可能互融一體。例如，某些激光列印機的激光掃描鏡，其轉軸就是電動機的轉子軸，這是執行元件與運動機構結合的一個例子。在大規模集成電路和微機不斷普及的今天，隨著精密機械技術的發展，完全能夠設計出將執行元件、運動機構、檢測感測器、控制與機體等要素有機地融為一體的機電一體化新產品。
3、組合法
這種方法就是選用各種標准模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統。例如，設計數控機床時可以從系統整體的角度選擇工業系列產品，諸如數控單元、伺服驅動單元、位置感測檢測單元、主軸調速單元以及各種機械標准件或單元等，然後進行介面設計，將各單元有機的結合起來融為一體。在開發機電一體化系統時，利用此方法可以縮短設計與研製周期、節約工裝設備費用，有利於生產管理、使用和維修。
三、機電一體化系統設計的內容
在機電一體化系統(產品)中控制系統設計的主要內容可歸結為：確定系統整體控制方案、確定控制演算法、選擇微型計算機、進行系統的硬體和軟體設計，以及系統統調。
1、確定系統整體控制方案
(1)確定控制任務
在設計系統以前，必須對控制對象的工作過程進行深入的調查、分析和熟悉，並明確實際應用中的具體要求，按機械與電子功能劃分方案確定系統所要完成的任務，然後用控制流程圖或其他適當形式描述控制過程和任務，寫成設計任務說明書，作為整個控制系統設計的依據。
(2)構思控制系統的整體方案
1)確定系統的控制結構形式是開環還是閉環控制。
2)採用閉環控制時應考慮檢測感測器的選擇和所要求精度級別，並考慮機構安裝、使用環境等問題。
3)選擇執行元件是電動、氣動還是液壓或其他，根據控制對象具體要求，比較方案的優缺點，擇優而用。
4)明確微機在系統中的作用：是設定值計算、直接控制還是數據處理和應具備的功能，需要哪些輸入／輸出通道和配置哪些外圍設備等。最後，畫出系統組成的原理框圖和附加說明，作為進一步設計的基礎，並初步估算成本。
2、建立數學模型確定控制方法
建立系統的數學模型是個復雜過程，也是一個試探的過程，需要反復權衡。
1)根據已初步確定的控制系統的物理結構，採用合適的控制理論方法建立和組成各環節以及整個系統的數學模型表達形式。通過靜、動特性計算，為計算機進行運算處理提供依據。
2)根據不同的控制對象和不同的控制性能指標要求，選擇不同的控制演算法。對過程式控制制設備的直接數字控制系統常用PID調節的控制演算法；在位置數字隨動系統中常用實現最少拍控制的控制演算法；機床數字控制中常使用逐點比較法、數字積分法和數據采樣法的控制演算法。另外，還有多種最優控制的控制演算法、隨機控制和自適應控制的控制演算法等供選擇。
3)當控制系統較復雜時，控制演算法也比較復雜，為設計、調試方便，可忽略小的非線性、小延時等因素的影響，將控制演算法作某些合理的簡化。利用計算機系統模擬技術，逐步將控制演算法完善，直到獲得最好的控制效果。
總之，控制演算法的確定是一個反復修正與試驗的漸進過程。
3、選擇微型計算機
對於微機所承擔的任務給定以後，完成同一任務的微機方案有多種。一般以既能完成給定任務(應包括處理確定的控制演算法)、又能充分發揮選用微機的功能、再留有一定功能餘量為原則來選擇。
從控制生產機械或生產過程要求出發，微型機應滿足以下要求：
(1)有較完善的中斷系統
對於控制用計算機，實時控制功能是一大特點。它包含系統正常運行時的實時控制能力和發生故障時緊急處理的能力。這種處理和控制一般都採用中斷控制方式，即CPU及時接收終端請求、暫停原來執行程序，轉而執行相應的中斷服務程序，待中斷處理完畢，再返回繼續執行原程序。
在選用與CPU相應的介面晶元時也應有中斷工作方式，以保證控制系統能滿足生產中提出的各種要求。對於比較復雜的控制，要考慮採用實時操作系統。
(2)足夠的存儲容量
由於微型機內存容量有限，當內存容量不足以存放程序和數據時，應擴充內存，或配備適當的外存儲器(如硬磁碟等)。
(3)完備的輸入／輸出通道
輸入輸出通道是系統外部過程和微機交換信息的通道。根據實際需要有開關量輸入／輸出通道、模擬量輸入／輸出通道、數字量輸入／輸出通道和實現快速、批量交換信息的直接數據通道。通道的操作方式有串列、並行以及隨機選擇與按某種預訂順序進行工作等。
(4)微處理器晶元的選擇
這一選擇的實質就是確定能滿足控制功能要求的微處理器的字長、速度和指令系統。這三者是相互依存的。一般選擇：
1)對通常的順序控制、程序控制可選用1位微處理器；
2)對計算量小、計算精度和速度要求不高的系統可選用4位微處理器，如計算器、家用電器控制及簡易控制等；
3)對計算精度要求較高、處理速度較快的系統可選用8位微處理器，如經濟型的線切割機床、普通機床的控制和溫度控制等；
4)對要求計算精度高、處理速度快的系統統可選用16位或32位微處理器，甚至採用精簡指令集運算的晶元RIRC或多CPU，如控制演算法復雜的生產過程式控制制，要求高速運行的機床控制，特別是大量的數據處理等。
(5)系統匯流排的選擇
微型計算機主要由若干塊印製電路板(按功能模塊設計、製造)構成。各塊板之間的連接，當然是通過印製板的插座之間的連線來實現的。通常，為了給使用和維護帶來方便，希望插座之間的連線具有通用性——一個系統中的各塊印製板可插在任一插座上。同時，也是為了各廠家生產的電路板具有通用性、互換性，就要對插座及連線訂個標准。這就是系統匯流排選擇的由來。
目前支持微型計算機系統機構的匯流排有：STD Bus支持8位和16位字長；Multi Bus工型可支持16位字長，Ⅱ型可支持32位字長；S-100 Bus可支持16位字長；VERSA Bus可支持32位字長，以及VME bus可支持32位字長等。生產廠家為這類匯流排提供各種型號規格的OEM(初始設備製造)產品，包括主模塊和從模塊，由用戶任意選配。
4、系統總體設計
系統設計主要是依據上述控制方案、設計所要求和選用的微機類型，對系統進行具體的設計。其設計可分為硬體的介面設計和軟體設計兩大類型。
在對系統總體設計時，一個最重要的問題是如何解決微機、被控對象和操作者這三者之間可靠地適時進行信息交換的通道和分時控制的時序安排。也就是綜合考慮用硬體配置和軟體措施解決系統運行的次序安排，以保證系統有條不紊地運行。
(1)介面設計
對於一種產品(或系統)，其各部件之間，各子系統之間往往需要傳遞動力、運動、命令或信息，這都是通過各種介面來實現的。機械本體各部件之間、執行元件與執行機構之間、檢測感測元件與執行機構之間通常是機械介面；電子電路模塊相互之間的信號傳送介面、控制器與檢測感測元件之問的轉換介面、控制器與執行元件之間的轉換介面通常是電氣介面。
機電一體化產品的內外介面實際上就是一種進行物質、能量和信息交換的界面，它具有存儲、轉換和服務功能。按功能可以將介面劃分為以下3種：
1)零介面。不需進行任何轉換，把具有結合關系的兩部分直接連接起來稱為零介面，如連接管、電纜、接線柱和剛性聯軸節等。
2)普通轉換介面。在具有結合關系的兩部分之間存在能量或信息的轉換，但不含微處理器的介面為普通轉換介面。如減速器、變壓器、電磁離合器、放大器、光電耦合器、A／D轉換器、D／A轉換器等。
3)智能轉換介面。它是一種含有微處理器的轉換介面，具有可編程的特點，因而能夠自動改變介面條件，如由微處理器編程的8255A，8279，PIO等。
目前，大部分硬體介面和軟體介面都已標准化或正在逐步標准化。對於硬體介面，在設計時可以根據需要選擇適當的介面，再配合介面編寫相應的程序。
(2)操作控制台設計
微機控制系統必須便於人機聯系，通常都要設計一個現場操作人員使用的控制台。這個控制台一般不能用微機所帶的鍵盤代替。原因是現場操作人員需要的是簡單、明了、安全的操作面板，以實現對機器的操作。所以，要求操作控制台應有以下功能：
1)有一組或幾組數據輸入鍵(數字鍵或撥碼開關等)，用於輸入或更新給定值、修改控制器參數或其他必要的數據。
2)有一組或幾組功能鍵或轉換開關，用於轉換工作方式，啟動、停止系統或完成某種指定功能。
3)有一個顯示裝置或顯示屏，用於顯示各種運行狀態、參數及故障指示等。控制台上應該有一個「緊急停止」按鈕，用於有緊急事故時停止系統運行，轉入故障處理。
應當明確指出，控制台上每一種信號都與系統的運行狀態密切相關。設計時，必須明確這些轉換開關、按鈕、鍵盤、顯示器和故障指示燈的作用和意義，仔細設計控制台的硬體及其相應的管理程序，使設計的操作控制台既能方便操作又保證安全可靠，即使操作失誤也不會引起嚴重後果。
(3)微型計算機控制系統的電源設計
微機控制系統中的電源，根據需要可以有不同的類型(直流和交流)和規格(電壓和功率)。按照使用情況，對性能的要求也不盡相同，在設計過程中應按實際要求合理選用調試，並控制電壓變動。電源本身要具有過壓、短路、過載保護和熱保護，否則將會造成不可彌補的損失。
(4)整機的安裝、聯接設計
這是一種整體結構設計。微機控制系統安裝既包括了與被控對象的聯接安排，也考慮了主機本身的安裝聯接問題。其設計原則應該是安裝、聯接的可靠性和使用、裝配、維護的方便性。
1)安裝、聯接結構具有防震性，即印製電路板、接插件和元器件包括電纜等應牢固地安裝在同一個機殼上，不因振動而松動。
2)採用標准或專用、製造質量好的防松接插件，以保證接觸可靠而又使用、維護方便。
3)布線結構要合理，能防止相互間的電磁耦合干擾。一定要使信號線和功率線進行隔離，分別走線。對模擬信號更要注意走線的長短和屏蔽，如走線太長，需要考慮進行信號增強等措施。
4)正確安裝安全地線、信號地線、屏蔽地線以及功率地線和強電地線，最終要進行地線連接。地線要採用一點接地型，即把信號地線、功率地線、被控對象地線(安全地)等連接到公共接地點。而總的公共接地點必須與大地接觸良好，一般接地電阻要小於(4～7)Ω。
(5)軟體設計
對於選定的微機控制系統，其微機本身已有一定的軟體支持，一般這些軟體要求用戶了解其使用方法和基本原理。如果把微型計算機專門為某一控制領域而設計成專用的控制計算機，用戶就需要利用計算機的指令系統和相應的開發系統來設計系統軟體，即控制軟體、管理軟體、診斷軟體等。這些系統軟體的設計要求更有專用性和針對性。
在微機控制中，其軟體任務大體可以分為數據處理和過程式控制制兩大基本類型。數據處理主要包括數據的採集、數字濾波、標度變換，以及數值計算等等。過程式控制制主要是使微機按照一定控制演算法進行計算，然後進行輸出去控制生產。
5、系統聯調
微機控制系統設計完成後，硬體電路要進行製作、安裝及試驗，並進行連續烤機運行。軟體各模塊要在微機上分別進行調試，使其正確無誤，然後存檔。上述工作完成後，就可將硬體與軟體組合起來進行系統聯調的模擬試驗，正確無誤後，進行現場實驗，直到正式運行。在這個階段，最重要的是仔細設計模擬調試的方法與步驟，以及所用的測試手段。
此外，在現場試驗前，要仔細檢查接線，無誤後才能進行現場調試。現場調試的步驟根據不同對象要仔細考慮。首先要把涉及的自動保護項目進行實驗，確認有效後才可進入功能、參數等項目的試驗。
B. 機械創新設計的方法都有哪些
創新設計的正常開展和完成，必須正確運用創新設計方法。常用的創新設計方法主要有下面幾種：
一、智力激勵法
智力激勵法又叫集思廣益法，它是由美國創造學家A．F．奧斯本提出的。人的創造性思維特別是直覺思維在受激發情況下能得到較好的發揮。一批人集合在一起，針對某個問題進行討論時，由於每個人的知識和經驗不同，觀察問題的角度和分析問題的方法各異，提出的各種意見能互相啟發，從而誘導出更多創意。通過激智、集智、交流，可實現創新的目的。智力激勵法可以通過召開會議，也可以通過信函、書面等形式，達到互相啟發、補充和完善見解，或發展為新的見解。
二、提問追溯法
提問追溯法是有針對性地、系統地提出問題，在回答問題過程中，便可能產生各種解決問題的設想，使設計所需要的信息更充分，解法更完善。提問追溯法提出的問題如下：
1)有沒有其他用途？有沒有新的用途？稍加改進有沒有其他用途？
2)能否借用其他經驗或發明？是否有相似的東西？是否有可模仿或可借用的東西？3)能否在結構、造型或其他方面變化一下？能否增加或減少什麼？能否加高或降低一點？能否加長或縮短一點？能否加厚或減薄一點？能否減輕或加重一點？能否擴大或縮小一點？能否重新組合或再分解？
4)能否用其他東西代替？能否用代用的原材料、半成品或其他的代用製造方法？
5)能否增加或減少功能？
6)能否在成本不變的前提下提高產品的性能？
7)能否採用廉價代用材料、簡化結構、使用簡單而高效的製造工藝、提高零部件的標准化程度來降低成本？
通過一連串從不同角度的發問，可啟發思維，提出新的設計方案。
三、缺點列舉法
運用缺點列舉法始於發現事物的缺點，挑出事物的毛病。在明確需要克服的缺點後，有的放矢地進行創造性思考，並通過改進設計去獲得新的設計方案。例如，一家生產汽車喇叭繼電器的小廠，為了改變產品銷路不暢的被動局面，廠長和技術人員、銷售人員一起對有關產品進行分析，在廣泛收集用戶意見的基礎上，分析產品的缺點，然後針對缺點採取各種不同的措施，改進了原有的產品，很快打開了銷路，銷售量一年內便增長了一倍。
四、希望點列舉法
希望點列舉法從設計者(發明者)或用戶的意願出發提出新設想、新要求，從而激發人們去開發新產品或改進原有的產品。例如有了黑白電視機，還希望有彩色的、遙控的。又如人們希望在給別人打電話時不僅能聞其聲，而且能見其人，為適應這種要求，開發了可視電話。
希望點列舉法與缺點列舉法都是將思維收斂於某「點」，然後發散思維，最後又集中於某種創意。但希望點列舉法比缺點列舉法涉及的目標更廣，而且更側重自由聯想。
五、聯想類比法
聯想是由一個事物想到另一個事物的心理過程。對應聯想由一件事物聯想到與其對立的另一事物。例如由小想到大，由集中想到分散等。要增強聯想能力，必須注意增加知識和經驗，不但注意吸納本專業及其他專業的學科知識，更要重視參加各種實踐活動。利用聯想進行發明創造是一種常用而且十分有效的方法，很多發明家都善於聯想，也得益於聯想的妙用。例如，貝爾發明電話，開始沒有成功，以後從吉他的聲音中想到了共鳴原理，改進了裝置，才使電話發明成功。又如布拉特從看到蜘蛛織網聯想到可以從上到下造橋，從而發明了吊橋，突破了傳統的造橋模式。
聯想類比由一事物或現象聯想到與其有類似特點(如性質、外形、結構、功能等)的其他事物或現象。例如，由水波想到聲波、光波；由水波可出現干涉現象，想到光也有干涉現象等。
六、反向探求法
反向探求將人們通常思考問題的思路反轉過來，從背逆常規的途徑探尋新的解法，因此反向探求法亦稱為逆向思維法。例如在鎢絲燈泡發明初期，為了避免鎢絲在高溫下的氧化，需要將燈泡內抽真空，但是使用後發現抽真空後的燈絲通電後仍會變脆。為了解決這個問題，當時多數人的意見是繼續提高燈泡內的真空度。而美國科學家蘭米爾卻應用反向探求法提出向燈泡內充氣的方法，他分別試驗了將氫氣、氧氣、氮氣、二氧化碳氣、水蒸氣等充入燈泡，試驗結果表明氮氣有明顯的減少鎢蒸發的作用，可使鎢絲在其中長期工作，因而發明了充氣燈泡。又例如：化學能為什麼不能變成電能？聲音既是振動，那麼振動為什麼不能復現原聲？根據這些反問，相繼發明了電池、留聲機。
七、組合創新法
組合創新法是將現有技術或產品通過功能、原理、結構等方面的組合變化形成新的技術思想或新產品。組合法的優點是組合形式多樣，應用廣泛，便於操作，經濟有效。組合創新法應用的技術單元一般是已經成熟或比較成熟的技術，不需要從頭開始，因而可以最大限度地節約人力、物力和財力。在當代社會生產和生活中，存在著大量已經開發出來的技術，只要合理組合，就能創造出適合需要的技術系統。例如，美國的「阿波羅」宇宙飛船由700萬個零件組成，但沒有一個零件是新研製的，用這些已有的零件組合出把人送上月球又重返地球的神奇系統。同樣「阿波羅」宇宙飛船技術中的全部技術都是現有技術的組合。
組合創新法的類型很多。常用的有性能組合、原理組合、功能組合、結構重組、模塊組合等。雖然組合創新法所使用的技術是已有的技術，但適當組合後，同樣可以做出重大的發明。
C. 機械控制系統的類型有哪些
機器人控制系統種類很多，它是現代運動控制系統應用的一個分支。目前常用的運動控制器從結構上主要分為以單片機為核心的機器人控制系統、以PLC為核心的機器人控制系統、基於IPC+運動控制器的機器人系統控制系統。 第一種是以單片機為核心的機器人控制系統是把單片機（MCU）嵌入到運動控制器中，能夠獨立運行並且帶有通用介面方式方便與其他設備通訊。單片機是單一晶元集成了中央處理器、動態存儲器、只讀存儲器、輸入輸出介面等，利用它設計的運動控制器電路原理簡潔、運行性能良好、系統的成本低。 第二種是以PLC為核心的機器人控制系統。PLC即可編程邏輯控制器，一種用於自動化實時控制的數位邏輯控制器，專為工業控制設計的計算機，符合工業環境要求。它是自控技術與計算機技術結合而成自動化控制產品。廣泛應用於目前的工業控制各個領域。以PLC為核心的機器人控制系統技術成熟、編程方便，在可靠性、擴展性、對環境的適應性有明顯優勢，並且有體積小、方便安裝維護、互換性強等優點；有整套技術方案供參考，縮短了開發周期。但是和以單片機為核心的機器人控制系統一樣，不支持先進的復雜的演算法，不能進行復雜的數據處理，雖然一般環境可靠性好但在高頻環境下運行不穩定，不能滿足機器人系統的多軸聯動等復雜的運動軌跡。 第三種是基於運動控制器的機器人控制系統。基於IPC+運動控制器是機器人系統系統應用主流和發展趨勢。基於IPC機器人控制系統的軟體開發成本低，系統兼容性好，系統可靠性強，計算能力優勢明顯，因此由於計算機平台和嵌入式實時系統的使用為動態控制演算法和復雜軌跡規劃提供了硬體方面的保障。