A. 机电一体化系统的设计都有哪些内容方法
机电一体化系统的设计：
一、机电一体化系统开发的设计思想
机电一体化的优势，在于它吸收了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效果，因此在机电一体化系统开发的过程中，要特别强调技术融合，学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机的结合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加，而且相互辅助、相互促进、相互提高，使整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。当然，如果设计不当，由于各单元的差异性，在组成系统后会导致单元间的矛盾和摩擦，出现内耗，内耗过大，则可能出现整体小于部分之和的情况，从而失去了一体化的优势。因此，在开发的过程中，一方面要求设计机械系统时，应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充，充分体现机电一体化的优越性。
二、机电一体化系统设计方法
拟定机电一体化系统设计方案的方法有取代法、整体设计法和组合法。
1、取代法
这种方法是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法。如用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器或微型计算机来取代机械凸轮控制机构、插销板、步进开关、继电器等，以弥补机械技术的不足，这种方法不但能大大简化机械结构，而且还可以提高系统的性能和质量。这种方法的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，尤其在开发全新的产品时更具有局限性。
2、整体设计法
这种方法主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。例如，某些激光打印机的激光扫描镜，其转轴就是电动机的转子轴，这是执行元件与运动机构结合的一个例子。在大规模集成电路和微机不断普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全能够设计出将执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。
3、组合法
这种方法就是选用各种标准模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。例如，设计数控机床时可以从系统整体的角度选择工业系列产品，诸如数控单元、伺服驱动单元、位置传感检测单元、主轴调速单元以及各种机械标准件或单元等，然后进行接口设计，将各单元有机的结合起来融为一体。在开发机电一体化系统时，利用此方法可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，有利于生产管理、使用和维修。
三、机电一体化系统设计的内容
在机电一体化系统(产品)中控制系统设计的主要内容可归结为：确定系统整体控制方案、确定控制算法、选择微型计算机、进行系统的硬件和软件设计，以及系统统调。
1、确定系统整体控制方案
(1)确定控制任务
在设计系统以前，必须对控制对象的工作过程进行深入的调查、分析和熟悉，并明确实际应用中的具体要求，按机械与电子功能划分方案确定系统所要完成的任务，然后用控制流程图或其他适当形式描述控制过程和任务，写成设计任务说明书，作为整个控制系统设计的依据。
(2)构思控制系统的整体方案
1)确定系统的控制结构形式是开环还是闭环控制。
2)采用闭环控制时应考虑检测传感器的选择和所要求精度级别，并考虑机构安装、使用环境等问题。
3)选择执行元件是电动、气动还是液压或其他，根据控制对象具体要求，比较方案的优缺点，择优而用。
4)明确微机在系统中的作用：是设定值计算、直接控制还是数据处理和应具备的功能，需要哪些输入／输出通道和配置哪些外围设备等。最后，画出系统组成的原理框图和附加说明，作为进一步设计的基础，并初步估算成本。
2、建立数学模型确定控制方法
建立系统的数学模型是个复杂过程，也是一个试探的过程，需要反复权衡。
1)根据已初步确定的控制系统的物理结构，采用合适的控制理论方法建立和组成各环节以及整个系统的数学模型表达形式。通过静、动特性计算，为计算机进行运算处理提供依据。
2)根据不同的控制对象和不同的控制性能指标要求，选择不同的控制算法。对过程控制设备的直接数字控制系统常用PID调节的控制算法；在位置数字随动系统中常用实现最少拍控制的控制算法；机床数字控制中常使用逐点比较法、数字积分法和数据采样法的控制算法。另外，还有多种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法等供选择。
3)当控制系统较复杂时，控制算法也比较复杂，为设计、调试方便，可忽略小的非线性、小延时等因素的影响，将控制算法作某些合理的简化。利用计算机系统仿真技术，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。
总之，控制算法的确定是一个反复修正与试验的渐进过程。
3、选择微型计算机
对于微机所承担的任务给定以后，完成同一任务的微机方案有多种。一般以既能完成给定任务(应包括处理确定的控制算法)、又能充分发挥选用微机的功能、再留有一定功能余量为原则来选择。
从控制生产机械或生产过程要求出发，微型机应满足以下要求：
(1)有较完善的中断系统
对于控制用计算机，实时控制功能是一大特点。它包含系统正常运行时的实时控制能力和发生故障时紧急处理的能力。这种处理和控制一般都采用中断控制方式，即CPU及时接收终端请求、暂停原来执行程序，转而执行相应的中断服务程序，待中断处理完毕，再返回继续执行原程序。
在选用与CPU相应的接口芯片时也应有中断工作方式，以保证控制系统能满足生产中提出的各种要求。对于比较复杂的控制，要考虑采用实时操作系统。
(2)足够的存储容量
由于微型机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，或配备适当的外存储器(如硬磁盘等)。
(3)完备的输入／输出通道
输入输出通道是系统外部过程和微机交换信息的通道。根据实际需要有开关量输入／输出通道、模拟量输入／输出通道、数字量输入／输出通道和实现快速、批量交换信息的直接数据通道。通道的操作方式有串行、并行以及随机选择与按某种预订顺序进行工作等。
(4)微处理器芯片的选择
这一选择的实质就是确定能满足控制功能要求的微处理器的字长、速度和指令系统。这三者是相互依存的。一般选择：
1)对通常的顺序控制、程序控制可选用1位微处理器；
2)对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用4位微处理器，如计算器、家用电器控制及简易控制等；
3)对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位微处理器，如经济型的线切割机床、普通机床的控制和温度控制等；
4)对要求计算精度高、处理速度快的系统统可选用16位或32位微处理器，甚至采用精简指令集运算的芯片RIRC或多CPU，如控制算法复杂的生产过程控制，要求高速运行的机床控制，特别是大量的数据处理等。
(5)系统总线的选择
微型计算机主要由若干块印制电路板(按功能模块设计、制造)构成。各块板之间的连接，当然是通过印制板的插座之间的连线来实现的。通常，为了给使用和维护带来方便，希望插座之间的连线具有通用性——一个系统中的各块印制板可插在任一插座上。同时，也是为了各厂家生产的电路板具有通用性、互换性，就要对插座及连线订个标准。这就是系统总线选择的由来。
目前支持微型计算机系统机构的总线有：STD Bus支持8位和16位字长；Multi Bus工型可支持16位字长，Ⅱ型可支持32位字长；S-100 Bus可支持16位字长；VERSA Bus可支持32位字长，以及VME bus可支持32位字长等。生产厂家为这类总线提供各种型号规格的OEM(初始设备制造)产品，包括主模块和从模块，由用户任意选配。
4、系统总体设计
系统设计主要是依据上述控制方案、设计所要求和选用的微机类型，对系统进行具体的设计。其设计可分为硬件的接口设计和软件设计两大类型。
在对系统总体设计时，一个最重要的问题是如何解决微机、被控对象和操作者这三者之间可靠地适时进行信息交换的通道和分时控制的时序安排。也就是综合考虑用硬件配置和软件措施解决系统运行的次序安排，以保证系统有条不紊地运行。
(1)接口设计
对于一种产品(或系统)，其各部件之间，各子系统之间往往需要传递动力、运动、命令或信息，这都是通过各种接口来实现的。机械本体各部件之间、执行元件与执行机构之间、检测传感元件与执行机构之间通常是机械接口；电子电路模块相互之间的信号传送接口、控制器与检测传感元件之问的转换接口、控制器与执行元件之间的转换接口通常是电气接口。
机电一体化产品的内外接口实际上就是一种进行物质、能量和信息交换的界面，它具有存储、转换和服务功能。按功能可以将接口划分为以下3种：
1)零接口。不需进行任何转换，把具有结合关系的两部分直接连接起来称为零接口，如连接管、电缆、接线柱和刚性联轴节等。
2)普通转换接口。在具有结合关系的两部分之间存在能量或信息的转换，但不含微处理器的接口为普通转换接口。如减速器、变压器、电磁离合器、放大器、光电耦合器、A／D转换器、D／A转换器等。
3)智能转换接口。它是一种含有微处理器的转换接口，具有可编程的特点，因而能够自动改变接口条件，如由微处理器编程的8255A，8279，PIO等。
目前，大部分硬件接口和软件接口都已标准化或正在逐步标准化。对于硬件接口，在设计时可以根据需要选择适当的接口，再配合接口编写相应的程序。
(2)操作控制台设计
微机控制系统必须便于人机联系，通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。这个控制台一般不能用微机所带的键盘代替。原因是现场操作人员需要的是简单、明了、安全的操作面板，以实现对机器的操作。所以，要求操作控制台应有以下功能：
1)有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其他必要的数据。
2)有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，启动、停止系统或完成某种指定功能。
3)有一个显示装置或显示屏，用于显示各种运行状态、参数及故障指示等。控制台上应该有一个“紧急停止”按钮，用于有紧急事故时停止系统运行，转入故障处理。
应当明确指出，控制台上每一种信号都与系统的运行状态密切相关。设计时，必须明确这些转换开关、按钮、键盘、显示器和故障指示灯的作用和意义，仔细设计控制台的硬件及其相应的管理程序，使设计的操作控制台既能方便操作又保证安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后果。
(3)微型计算机控制系统的电源设计
微机控制系统中的电源，根据需要可以有不同的类型(直流和交流)和规格(电压和功率)。按照使用情况，对性能的要求也不尽相同，在设计过程中应按实际要求合理选用调试，并控制电压变动。电源本身要具有过压、短路、过载保护和热保护，否则将会造成不可弥补的损失。
(4)整机的安装、联接设计
这是一种整体结构设计。微机控制系统安装既包括了与被控对象的联接安排，也考虑了主机本身的安装联接问题。其设计原则应该是安装、联接的可靠性和使用、装配、维护的方便性。
1)安装、联接结构具有防震性，即印制电路板、接插件和元器件包括电缆等应牢固地安装在同一个机壳上，不因振动而松动。
2)采用标准或专用、制造质量好的防松接插件，以保证接触可靠而又使用、维护方便。
3)布线结构要合理，能防止相互间的电磁耦合干扰。一定要使信号线和功率线进行隔离，分别走线。对模拟信号更要注意走线的长短和屏蔽，如走线太长，需要考虑进行信号增强等措施。
4)正确安装安全地线、信号地线、屏蔽地线以及功率地线和强电地线，最终要进行地线连接。地线要采用一点接地型，即把信号地线、功率地线、被控对象地线(安全地)等连接到公共接地点。而总的公共接地点必须与大地接触良好，一般接地电阻要小于(4～7)Ω。
(5)软件设计
对于选定的微机控制系统，其微机本身已有一定的软件支持，一般这些软件要求用户了解其使用方法和基本原理。如果把微型计算机专门为某一控制领域而设计成专用的控制计算机，用户就需要利用计算机的指令系统和相应的开发系统来设计系统软件，即控制软件、管理软件、诊断软件等。这些系统软件的设计要求更有专用性和针对性。
在微机控制中，其软件任务大体可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。数据处理主要包括数据的采集、数字滤波、标度变换，以及数值计算等等。过程控制主要是使微机按照一定控制算法进行计算，然后进行输出去控制生产。
5、系统联调
微机控制系统设计完成后，硬件电路要进行制作、安装及试验，并进行连续烤机运行。软件各模块要在微机上分别进行调试，使其正确无误，然后存盘。上述工作完成后，就可将硬件与软件组合起来进行系统联调的模拟试验，正确无误后，进行现场实验，直到正式运行。在这个阶段，最重要的是仔细设计模拟调试的方法与步骤，以及所用的测试手段。
此外，在现场试验前，要仔细检查接线，无误后才能进行现场调试。现场调试的步骤根据不同对象要仔细考虑。首先要把涉及的自动保护项目进行实验，确认有效后才可进入功能、参数等项目的试验。
B. 机械创新设计的方法都有哪些
创新设计的正常开展和完成，必须正确运用创新设计方法。常用的创新设计方法主要有下面几种：
一、智力激励法
智力激励法又叫集思广益法，它是由美国创造学家A．F．奥斯本提出的。人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能得到较好的发挥。一批人集合在一起，针对某个问题进行讨论时，由于每个人的知识和经验不同，观察问题的角度和分析问题的方法各异，提出的各种意见能互相启发，从而诱导出更多创意。通过激智、集智、交流，可实现创新的目的。智力激励法可以通过召开会议，也可以通过信函、书面等形式，达到互相启发、补充和完善见解，或发展为新的见解。
二、提问追溯法
提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题，在回答问题过程中，便可能产生各种解决问题的设想，使设计所需要的信息更充分，解法更完善。提问追溯法提出的问题如下：
1)有没有其他用途？有没有新的用途？稍加改进有没有其他用途？
2)能否借用其他经验或发明？是否有相似的东西？是否有可模仿或可借用的东西？3)能否在结构、造型或其他方面变化一下？能否增加或减少什么？能否加高或降低一点？能否加长或缩短一点？能否加厚或减薄一点？能否减轻或加重一点？能否扩大或缩小一点？能否重新组合或再分解？
4)能否用其他东西代替？能否用代用的原材料、半成品或其他的代用制造方法？
5)能否增加或减少功能？
6)能否在成本不变的前提下提高产品的性能？
7)能否采用廉价代用材料、简化结构、使用简单而高效的制造工艺、提高零部件的标准化程度来降低成本？
通过一连串从不同角度的发问，可启发思维，提出新的设计方案。
三、缺点列举法
运用缺点列举法始于发现事物的缺点，挑出事物的毛病。在明确需要克服的缺点后，有的放矢地进行创造性思考，并通过改进设计去获得新的设计方案。例如，一家生产汽车喇叭继电器的小厂，为了改变产品销路不畅的被动局面，厂长和技术人员、销售人员一起对有关产品进行分析，在广泛收集用户意见的基础上，分析产品的缺点，然后针对缺点采取各种不同的措施，改进了原有的产品，很快打开了销路，销售量一年内便增长了一倍。
四、希望点列举法
希望点列举法从设计者(发明者)或用户的意愿出发提出新设想、新要求，从而激发人们去开发新产品或改进原有的产品。例如有了黑白电视机，还希望有彩色的、遥控的。又如人们希望在给别人打电话时不仅能闻其声，而且能见其人，为适应这种要求，开发了可视电话。
希望点列举法与缺点列举法都是将思维收敛于某“点”，然后发散思维，最后又集中于某种创意。但希望点列举法比缺点列举法涉及的目标更广，而且更侧重自由联想。
五、联想类比法
联想是由一个事物想到另一个事物的心理过程。对应联想由一件事物联想到与其对立的另一事物。例如由小想到大，由集中想到分散等。要增强联想能力，必须注意增加知识和经验，不但注意吸纳本专业及其他专业的学科知识，更要重视参加各种实践活动。利用联想进行发明创造是一种常用而且十分有效的方法，很多发明家都善于联想，也得益于联想的妙用。例如，贝尔发明电话，开始没有成功，以后从吉他的声音中想到了共鸣原理，改进了装置，才使电话发明成功。又如布拉特从看到蜘蛛织网联想到可以从上到下造桥，从而发明了吊桥，突破了传统的造桥模式。
联想类比由一事物或现象联想到与其有类似特点(如性质、外形、结构、功能等)的其他事物或现象。例如，由水波想到声波、光波；由水波可出现干涉现象，想到光也有干涉现象等。
六、反向探求法
反向探求将人们通常思考问题的思路反转过来，从背逆常规的途径探寻新的解法，因此反向探求法亦称为逆向思维法。例如在钨丝灯泡发明初期，为了避免钨丝在高温下的氧化，需要将灯泡内抽真空，但是使用后发现抽真空后的灯丝通电后仍会变脆。为了解决这个问题，当时多数人的意见是继续提高灯泡内的真空度。而美国科学家兰米尔却应用反向探求法提出向灯泡内充气的方法，他分别试验了将氢气、氧气、氮气、二氧化碳气、水蒸气等充入灯泡，试验结果表明氮气有明显的减少钨蒸发的作用，可使钨丝在其中长期工作，因而发明了充气灯泡。又例如：化学能为什么不能变成电能？声音既是振动，那么振动为什么不能复现原声？根据这些反问，相继发明了电池、留声机。
七、组合创新法
组合创新法是将现有技术或产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术思想或新产品。组合法的优点是组合形式多样，应用广泛，便于操作，经济有效。组合创新法应用的技术单元一般是已经成熟或比较成熟的技术，不需要从头开始，因而可以最大限度地节约人力、物力和财力。在当代社会生产和生活中，存在着大量已经开发出来的技术，只要合理组合，就能创造出适合需要的技术系统。例如，美国的“阿波罗”宇宙飞船由700万个零件组成，但没有一个零件是新研制的，用这些已有的零件组合出把人送上月球又重返地球的神奇系统。同样“阿波罗”宇宙飞船技术中的全部技术都是现有技术的组合。
组合创新法的类型很多。常用的有性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。虽然组合创新法所使用的技术是已有的技术，但适当组合后，同样可以做出重大的发明。
C. 机械控制系统的类型有哪些
机器人控制系统种类很多，它是现代运动控制系统应用的一个分支。目前常用的运动控制器从结构上主要分为以单片机为核心的机器人控制系统、以PLC为核心的机器人控制系统、基于IPC+运动控制器的机器人系统控制系统。 第一种是以单片机为核心的机器人控制系统是把单片机（MCU）嵌入到运动控制器中，能够独立运行并且带有通用接口方式方便与其他设备通讯。单片机是单一芯片集成了中央处理器、动态存储器、只读存储器、输入输出接口等，利用它设计的运动控制器电路原理简洁、运行性能良好、系统的成本低。 第二种是以PLC为核心的机器人控制系统。PLC即可编程逻辑控制器，一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，专为工业控制设计的计算机，符合工业环境要求。它是自控技术与计算机技术结合而成自动化控制产品。广泛应用于目前的工业控制各个领域。以PLC为核心的机器人控制系统技术成熟、编程方便，在可靠性、扩展性、对环境的适应性有明显优势，并且有体积小、方便安装维护、互换性强等优点；有整套技术方案供参考，缩短了开发周期。但是和以单片机为核心的机器人控制系统一样，不支持先进的复杂的算法，不能进行复杂的数据处理，虽然一般环境可靠性好但在高频环境下运行不稳定，不能满足机器人系统的多轴联动等复杂的运动轨迹。 第三种是基于运动控制器的机器人控制系统。基于IPC+运动控制器是机器人系统系统应用主流和发展趋势。基于IPC机器人控制系统的软件开发成本低，系统兼容性好，系统可靠性强，计算能力优势明显，因此由于计算机平台和嵌入式实时系统的使用为动态控制算法和复杂轨迹规划提供了硬件方面的保障。