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隨著我國汽車行業的發展速度不斷加快，大大拓展了汽車設計中機電一體化技術的應用范圍，同時也大大提高了機電一體化技術的水平。穩定性、經濟性和安全性等是機電一體化技術具備的特征，通過對汽車設計中機電一體化的應用進行研究，不但可以將汽車的整體穩定性提升，同時可以為機電一體化技術質量提供保障，從而對我國汽車行業的發展具有重要的推動作用。
1在汽車設計中機電一體化技術存在的問題
1．1陳舊機電一體化技術設備
我國汽車機電一體化設計技術具有較晚的起步時間，這樣傳統手動汽車控制系統的設計無法使汽車用戶的實際需求得以滿足［1］。同一汽車廠對不同車型的設計標準和操作流程沒有統一的制定，這樣無法規范汽車機械零件的設計方法，從而使機電一體化技術出現一些問題，如不夠科學和規范以及無法安裝等，使人們對現代化汽車設計的基本要求無法滿足。這些問題的存在對汽車設計中機電一體化技術的提升和改進產生不利影響。由于汽車設計應用設備的落后性不但對大量的人力、物力和財力造成了浪費，同時使汽車設計中機電一體化技術的成本提升，從而對機電一體化產品的更新和機電一體化設計技術的創新造成阻礙。
1．2汽車設計理念的落后性
由于落后的機電一體化設計理念會大大降低汽車整體運行的性能和工作效率，這對汽車本身的設計方案造成一定的破壞，使汽車發生故障的次數增加，對創新和發展現代化機電一體化汽車設計技術造成影響［2］。另外由于汽車設計理念的落后性，無法有效的推廣新型機電一體化技術方法，無法為汽車良好的運轉性提供保障。在汽車實際運行中，傳統的汽車維修人員對創新汽車設計理念工作并不重視，這樣無法進一步推廣和使用機電一體化技術，對創新汽車設計方法和提升汽車運行的整體安全性造成影響。
1．3汽車機電一體化技術人員較低的綜合素質
由于不斷增加汽車需求量，使汽車行業缺乏相應的汽車實際人才，這樣在汽車行業中會使用一些非專科畢業的工作人員，從而對機電一體化技術的使用范圍無法提供保障。另外汽車設計具有復雜的程序和較高的技術含量，如果汽車汽車人員的專業技術不豐富，會在安全過程中忽視一些小的零部件，這對汽車運行中的穩定性無法保障。而且由于汽車機電一體化技術人員具有較低的綜合素質和專業素質，對安裝檢查汽車機電一體化技術設備造成影響。
2在汽車設計中完善機電一體化技術的措施
2．1將現代化機電一體化技術設備不斷更新
在設計汽車過程中，機電一體化技術人員應該對計算機應用軟件正確的使用，這樣可以對汽車工程領域中機械技術的改善具有重要的作用［3］。技術人員要對機電一體化技術設備不斷的改善，從而可以將汽車設計中處理信息的技術提升，而且要將汽車驅動技術和計算機集成技術等合理的應用到汽車的設計系統中。汽車設計中各個方案的執行是通過不斷創新機電一體化設計技術設備來完成的，這樣可以將汽車運行的整體功能性大大提升，使汽車電子系統與機電運行系統充分融合的目的得以實現。
2．2對傳統的汽車設計理論進行創新
在設計汽車過程中關鍵的技術主要是機電一體化技術，所以在完善汽車性能的過程中機電一體化技術的創新設計的作用是不可代替的，同時創新汽車設計程序和理念可以將汽車的整體性能大大提升。但是在這個過程中要對各個因素阻礙進行克服，造成這種現象的主要原因是人們出行的安全問題，如生命財產安全會受到汽車內部各個零部件運行質量的影響。因此要充分的融合汽車的微電子精算技術和設計機技術，不斷提升汽車的整體性能。只有在汽車設計中充分的應用汽車機電一體化技術，才能夠將汽車機電一體化的微電子技術水平不斷加強，從而可以進一步提升汽車的穩定性和安全性。
2．3將汽車設計人員的綜合素質
不斷提升智能化和功能化是目前汽車設計中機電一體化技術的主要發展方向，所以引進汽車機電一體化設計的人員不但要掌握較高的專業技術，同時其專業素質要符合要求［4］。同時要對新技術培訓和專業考核制度的力度不斷加強，這樣機電一體化設計人員可以將汽車整體的機構和運行系統的專業規范熟練的掌握，從而可以為汽車的運行質量提供保障。同時汽車設計人員應該將相應的理論和專業技術不斷完善，將微電子技術的應用范圍不斷推廣，這樣不但可以將技術人員的實踐操作能力提升，同時可以將汽車運行的整體水平大大提升。
3結論
由此可見，隨著在技術設計中機電一體化技術的應用力度不斷加強，消費者逐漸用更高的標準要求汽車的安全性和穩定性等。在汽車設計中應用機電一體化技術，對機械領域各個方面的發展都具有重要的推動作用。但是其也存在一些相應的問題，這需求汽車企業采取針對性的措施，將這些問題合理的解決，從而可以在汽車設計中更好的應用機電一體化技術，進而可以大大提升汽車設計水平。
參考文獻:
［1］張旭梅．機電一體化技術在汽車設計中的應用分析［J］．低碳世界，2017，20(02):221-222．［2］石開華．淺談機電一體化技術在汽車設計中的應用［J］．科技視界，2016，15(05):128+144．
［3］袁滿祥．淺析機電一體化技術在汽車中的應用［J］．科技創新與應用，2016，23(08):106-107．
【關鍵詞】機電一體化；控制系統；原理；分類；應用；分析
0.引言
機電一體化技術是將機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息機電一體化技術傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合，并綜合應用到實際中去的綜合技術，是現代化的自動生產設備幾乎可以說都是機電一體化的設備。
控制系統在機電一體化系統中處于核心地位，主要用于信息處理和動作控制，通過計算機接口與外部設備和相應驅動設備相連接，協調機電一體化系統各部位的運轉。
1.控制系統的組成及工作原理
控制系統由控制裝置、執行機構、被控對象和傳感與檢測裝置組成，各設備之間通過標準接口連接，形成控制回路。主要工作方式為：首先輸入指定信號，設置控制參數，并通過傳感與檢測裝置接收外界信號，然后傳遞至控制器進行信息處理，將分析結構傳遞至執行機構，執行機構進行動作運轉，將指定作用于被控對象，使得被控對象處于控制器設計狀態，最終通過被控對象輸出被控參數，進而實現機電一體化系統控制的目的。
2.控制系統分類
2.1按照控制系統所依據的判斷原則中是否存在被控對象的運行函數，可以將控制系統分為順序控制系統和反饋控制系統
2.1.1順序控制系統
其運行原理是：通過對時間、運行邏輯、外部條件等參數進行分析，輸出具體的被控對象運行步驟，屬于開環控制系統。優勢在于操作簡單、運行成本低、維護成本低，但是其操作精度過低，并且對外界環境的不利因素和干擾過于敏感。
2.1.2反饋控制系統
其運行原理是：通過傳感器接收被控對象的運行狀態參數，實時反饋給控制器，然后進行運行狀態調整，屬于閉環控制系統。雖然該結構的運行成本高且維修復雜，但是該系統的運行精度高、且動態調整性能好，對外界干擾的抵抗能力也較強。
2.2按照控制系統輸出信號的變化規律可將控制系統分為鎮定控制系統、隨動控制系統和程序控制系統
（1）鎮定控制系統的特點在于不受外界干擾，輸出信號維持系統設定參數，主要用于恒溫系統、恒定速度系統等機電一體化系統的控制。
（2）隨動系統即跟蹤系統，特點在于系統的輸出信號可以在一定范圍內進行任意變化，不需遵循一定的規律，因此信號輸出不存在固定函數，設備的動作需要無間斷的進行精確指令發送，對系統的運行和分析能力要求極高，常用于瞄準設備、無定向探測設備等。
（3）程序控制系統即過程控制系統，特點在于按照提前設定的函數進行輸出信號的變化，信號的輸出屬于預先設定信號，但是信號的變化按照固定函數進行，常用于車床等預先已知動作變化規律的機電一體化設備中。
3.機電一體化控制系統原則
機電一體化控制系統的種類繁多，但是其控制基本特點及原則都是一致的。主要有以下三方面：
3.1準確性
在進行系統調控過程中，輸出制定與設計指令之間的偏差不能超出允許范圍內，并且在不影響控制穩定性的基礎上不斷減小誤差。準確度決定著加工產品的精度，也關系著控制系統的最終效果。
3.2穩定性
保持系統穩定的意義在于保障產品質量與預期設計相同，并且在外界存在干擾的情況下，不會引起產品質量降低。尤其是閉環控制系統的反饋機制，容易受到參數不匹配的影響，導致系統震蕩進而影響工作能力。
3.3快速性
快速性的含義是系統消除偏差值的速度以及處理異常信號的速度必須快，因為當系統存在偏差值時會導致系統無法運行或產品質量降低，因此必須在短時間內快速消除系統偏差，保障系統穩定性。
4.機電一體化設計應用及發展方向
4.1機電一體化控制系統設計應用
機電一體化控制系統在機械制造業中應用廣泛，典型的設計應用有以下幾點：
（1）挖掘機的制造過程中，通過模擬控制理論及控制系統，檢測液壓系統中泵的輸油壓力、控制壓力和其它參數，進而將運行參數輸入到控制系統中，調整挖掘機控制器工作方式，實現控制系統的設計應用。
（2）壓縮機的制造過程中，通過控制系統檢測震動輪內部偏心塊震動曲線，進而分析震動輪加速度，通過傅里葉變換等方式，求解地面壓實數據，最終實現壓縮機工作模式調整的目的。
（3）在國外的大型起重機械制造領域，已經開始使用控制系統的模糊控制功能，將實踐經驗和理論操作參數項結合，通過微處理技術使得控制系統可以像人工操作一樣自如，效率和安全性能更高。
4.2機電一體化控制系統應用方向
機電一體化控制系統實現了機電設備的智能化發展，隨著光學、通信、微電子以及機械等技術的發展，控制系統的發展方向也不斷細化，此外，人工智能、光纖和神經網絡技術的出現，也大幅提升了機電一體化控制系統的性能。當前，機電一體化控制系統的應用發展方向主要有以下幾個方面：
4.2.1模塊化
模塊化系統設備的模塊化屬于機電一體化發展的重要進步，由于當前整個一體化系統設備來自于不同的生產廠家和設備制造商，因而需要對信號接口、轉換接口、電氣接口等連接部位進行標準設定，而模塊化使得單獨控制設備得以通用于任何一個機電一體化系統中，為行業發展和交流掃除了設備參數不同的障礙。
4.2.2智能化
智能化的發展得益于人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新技術的發展，賦予機電一體化控制系統自主分析和控制能力，極大的解放了生產力，降低了操作繁瑣程度。但是，這一目標的實現需要高標準的硬件設備和高速運轉的計算機技術來支撐。
4.2.3網絡化
網絡的發展使得科技的傳播范圍不斷擴展，對于機電一體化控制系統而言，只要機電一體化控制系統的性能足夠優越，便能夠迅速的被國際市場所認可，因此，不斷擴張的市場規模有利于刺激行業的進步和科研的深入探索，進而實現機電一體化控制系統性能的快速提升。
4.2.4環境化
環保化工業的發達給人們生活帶來了巨大變化。一方面，物質豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態環境受到嚴重污染。于是，人們呼吁保護環境資源，回歸自然。綠色產品概念在這種呼聲下應運而生，綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環境保護和人類健康的要求，對生態環境無害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的機電一體化控制產品，符合當前的環保要求。機電一體化產品的綠色化主要是指設備在使用時不會對環境產生污染，設備報廢后能夠回收利用。
5.結束語
當前機電一體化控制系統已經在機械設備制造行業廣泛使用，其優越的性能和便捷的操作使得用戶在進行機電設備選擇是更傾向于此類設備。雖然機電一體化控制系統的發展已經非常完備，各類輔助設備和控制軟件也非常的完善，但是應該看到當前實際應用中的不足與缺陷，從最優化角度出發，將機電一體化控制系統繼續的細分和具體化，面向各具體領域，開發針對性強、實用性高的一體化設備控制系統。對機電一體化控制系統的研究也應立足當前，不斷提升計算機技術與機械制造技術，為我國機電一體化控制系統的發展貢獻應有的力量。
【參考文獻】
[1]胡玉琴.機電一體化控制系統設計方案研究[J].科技與生活，2011（9）：203-203.
關鍵詞：機電一體化；機械系統；設計
中圖分類號：TH-39文獻標識碼：A文章編號：
引言：
隨著科技的發展,尤其是:電子技術、信息技術的發展,使得傳統的機械系統的設計受到了極大的沖擊。現在,越來越多的機電‘一體化產品在機械系統中發揮著重要的作用。面對信息時代沖擊,客觀要求工程技術人員改變傳統的設計思維理念,在傳統的機械系統設計的基礎上,結合電子技術、信息技術,設計出更多更好的機電一體化產品。
1.機電一體化機械系統的設計特點
傳統的機械系統和機電一體化機械系統的主要功能都是完成一系列的機械運動,但由于它們的組成不同,導致它們實現運動的方式也不同。傳統機械系統一般是由動力件、傳動件、執行件3部分加上電器、液壓和機械控制等部分組成,而機電一體化中的機械系統應該是“由計算機信息網絡協調與控制的,用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯系的系統”。其核心是由計算機控制的,包括機、電、液、光、磁等技術的伺服系統。由此可見,機電一體化中的機械系統,已經成為機電一體化伺服系統中的一個重要組成部分,它不再僅僅是轉速和轉矩的變換器,還需使伺服電機和負載之間的轉速與轉矩得到匹配,也就是在滿足伺服系統高精度、高響應速度、良好穩定性的前提下,還應該具有較大的剛度、較高的可靠性和重量輕、體積小、壽命長等特點。
機電一體化機械系統設計與傳統的機械系統設計一樣有傳動設計和結構設計部分,只是由于機電一體化的特征決定了在機械系統設計過程中有它自身的特點,下面就從傳動設計和結構設計兩方面進行敘述。
1.1機械傳動設計的特點
機械傳動設計的任務是把動力機產生的機械能傳遞到執行機械上去,機電一體化系統中機械傳動系統的設計就是面向機電伺服系統的伺服機械傳動系統設計。根據機電有機結合的原則,機電一體化系統中采用了調速范圍大、可無級調速的控制電機,從而節省了大量用于進行變速和換向的齒輪、軸承和軸類零件,減少了產生誤差的環節,提高了傳動效率,因此使機械傳動設計也得到了很大的簡化,其機械傳動方式也由傳統的串聯或串并聯方式演變為并聯的傳動方式,即每一個機械運動都由單獨的控制電機、傳動機構和執行機構組成的子系統來完成,各個運動之間的傳動關系則由計算機來統一協調和控制。因此機電一體化機械傳動系統具有傳動鏈短、轉動慣量小、盡可能采用線性傳遞、無間隙傳遞等設計特點。
1.2機械結構設計的特點
機電一體化的機械結構仍屬于傳統機械技術的范疇,在滿足伺服系統對其穩、準、快要求的前提下,從整體上說應逐步向精密化、高速化、小型化和輕量化的方向發展。因此在進行結構設計時就應綜合考慮到各個零部件的制造、安裝精度,結構剛度,穩定性以及動作的靈敏性和易控性。對具體的零部件的設計提出了更高、更嚴的要求,例如:采用合理的截面形狀和尺寸、采用新材料和鋼板焊接結構來提高支承件的靜剛度;采用高傳動效率和無間隙的傳動裝置和元件,如滾動絲杠,消除間隙的齒輪副、齒輪齒條副、蝸輪蝸桿副來提高運動的靈敏性和定位的準確性;采用低摩擦系數的導軌提高運動的平穩性。近幾年在結構上也出現了并聯形式,如并聯機器人、并聯機床等,極大地簡化了機械結構,提高了產品的剛度重量比及精度。
2.機電一體化機械系統的設計思路
機電一體化的機械系統設計主要包括兩個環節:靜態設計和動態設計。
2.1 靜態設計
靜態設計是指依據系統的功能要求,通過研究制定出機械系統的初步設計方案。該方案只是一個初步的輪廓,包括系統主要零、部件的種類,各部件之間的聯接方式,系統的控制方式,所需能源方式等。有了初步設計方案后,開始著手按技術要求設計系統的各組成部件的結構、運動關系及參數；零件的材料、結構、制造精度確定；執行元件(如電機)的參數、功率及過載能力的驗算；相關元、部件的選擇；系統的阻尼配置等。以上稱為穩態設計。穩態設計保證了系統的靜態特性要求。
2.2 動態設計
動態設計是研究系統在頻率域的特性,是借助靜態設計的系統結構,通過建立系統組成各環節的數學模型和推導出系統整體的傳遞函數,利用自動控制理論的方法求得該系統的頻率特性(幅頻特性和相頻特性)。系統的頻率特性體現了系統對不同頻率信號的反應,決定了系統的穩定性、最大工作頻率和抗干擾能力。
2.3 靜態設計的優勢
靜態設計是忽略了系統自身運動因素和干擾因素的影響狀態下進行的產品設計,對于伺服精度和響應速度要求不高的機電一體化系統,靜態設計就能夠滿足設計要求。對于精密和高速智能化機電一體化系統,環境干擾和系統自身的結構及運動因素對系統產生的影響會很大,因此必須通過調節各個環節的相關參數,改變系統的動態特性以保證系統的功能要求。動態分析與設計過程往往會改變前期的部分設計方案,有時甚至會整個方案,要求重新進行靜態設計。
3.機電一體化機械系統的設計
機電一體化機械系統的設計和傳統的機械系統的設計有很大的不同之處。傳統機械系統一般是由動力元件、傳動元件、執行元件3個部分加上電磁、液壓和機械控制部分,而機電一體化中的機械系統應該是“由計算機信息網絡協調與控制的,用于完成包括機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和機電部件相互聯系的系統。”其核心是由計算機控制的,包括機、電、液、光、磁等技術的伺服系統。由于機電一體化機械系統有別于傳統的機械系統,所以在機電一體化機械系統的設計過程中要從以下兩個方面加以重視。
3.1機械傳動設計
機械傳動設計的任務是把動力機產生的機械能傳遞到執行機械上去,機電一體化系統中機械傳動系統的設計就是面向機電伺服系統的機械傳動系統設計。根據機電有機結合的原則,機電一體化系統中采用了調速范圍大、可無級調速的控制電機,從而節省了大量用于進行變速和換向的齒輪、軸承和軸類零件,減少了產生誤差的環節,提高了傳動效率,因此使機械傳動設計也得到了很大的簡化,其機械傳動方式也由傳統的串聯或串并方式演變為并聯的傳動方式,即每一個機械運動都由單獨的控制電機、傳動機構和執行機構組成的子系統來完成,各個運動之間的傳動關系則由計算機來統一協調和控制。因此機電一體化機械傳動系統具有傳動鏈短、轉動慣量小、盡可能采用線性傳遞、無間隙傳遞等設計特點。
3.2機械結構設計
從結構設計來講,應從整體上向精密化、高速化、小型化和輕量化的方向發展。因此在結構設計時應綜合考慮到各個零部件的制造、安裝精度,結構剛度,穩定性以及動作的靈敏性和易控性。對具體的零部件的設計提出了更高、更嚴的要求,如采用合理的截面形狀和尺寸、采用新材料和鋼板焊接結構來提高支承件的剛度;采用低摩擦系數的導軌提高運動的平穩性。除了以上兩個方面以外,機電一體化機械系統設計還需工程技術人員在設計方法上大膽創新,充分利用已有的模塊,,并且在設計之初,就考慮到產品在制造、使用過程中對生態環境的影響。
4.結語
機電一體化技術既是振興傳統機電工業的新鮮血液和源動力,又是開啟機電行業產品結構、產業結構調整大門的鑰匙。設計好機電一體化機械系統是“機電一體化”產品的前提。面對日益發展信息時代,掌握機電‘一體化機械系:統設計的思路,是開發機電一體化產品的關鍵所在。必須結合各自的實際,開發實事求是的機電一體化機械系統,實現效益的提升。
參考文獻：
[1]汪丁丁.機電一體化機械系統設計.濟南:山東出版社,2003
[2]楊光化.機電一體化與微電子技術的整合.計算機教育,2004(5)
關鍵詞：機電一體化 機械系統 設計
中圖分類號：TU3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0029-01
機電一體化機械系統是利用計算機來完成機械設計和研究的過程。是對傳統機電工業的改革和創新，擁有很大的發展前景。因為機械系統是一個系統，是由各個機電部件組成，所以每一個部分都要做到精細，互相協調配合而達到系統的高效科學。
1 機電一體化機械系統的相關概念
機電一體化系統是由多個信息處理系統共同協調配合所組成的，所以對信息的處理和反應非常之快，因為系統存在多個分支。機電一體化的機械系統與傳統的機械系統相比有很大差別，傳統的機械系統沒有計算機的控制部分，而機電一體化機械系統就是以計算機為中心樞紐，組織機械進行生產開發和運轉。現代的機電一體化系統就是利用仿生技術、微電子技術實現系統的智能化和快速應變能力，是現代高科技手段在機械制造行業的推廣和應用，具有非常大的市場價值。
2 機電一體化機械系統的設計原則
2.1 高精度
機電一體化產品最重要的特點以及設計的基本原則就是高精度。只有機電產品的精度符合設計要求，才能把自身的優勢更好的應用在生產中。如果機電一體化的機械系統不夠精確，會造成機電產品不合格的情況發生。機電一體化產品的零部件尺寸是否達到標準尺寸是判斷機電一體化產品精度是否合格的重要評判標準。
2.2 智能化
機電產品的智能化又稱快速反應性是機電一體化機械系統的主要特征，它可以自由的應對突發狀況并減少反應時間，哪怕是臨時修改設計內容，因為機電一體化的機械系統的各個部分是獨立工作的，所以不會因為一個子系統發生故障而導致整個系統無法運行。從系統接收信息指令的那一刻開始，智能化系統就以非常快的速度向機械的各個部分傳達并工作。
2.3 穩定性好
機械系統的穩定性可以有效增加其使用壽命和效率，穩定性好的產品性能參數就高，穩定性差的產品性能參數就低，所以保證穩定性非常重要。因為一個機械系統的子系統非常之多，所以要保證系統的穩定性，就要降低機械振動的頻率和摩擦系數，再三確認零部件的尺寸選擇，整體上向著小型化和輕量化的方向發展。
3 機電一體化機械系統的設計步驟
3.1 動力元件的設計
動力元件傳統機械系統的重要組成成分，機電一體化的機械系統動力元件是由計算機信息網絡協調與控制的，為各種機械傳導部位提供動力和支持。動力元件主要包括發電機等可以提供動力的機電設備，隨著科技的發展，機電一體化機械系統的動力元件將更加智能化和自動化，不需要浪費人力資源。
3.2 傳動元件的設計
傳動元件在機電一體化機械系統中起著傳導的作用，它將計算機的命令信號翻譯成機器可以讀懂的語言，指導其進一步工作。傳動元件包括兩個方面：傳動機和轉矩與轉速的變換器。傳動機的精度較高，體積小、重量輕、噪音低，還可以滿足機械系統的伺服性能，是穩定性非常好的傳動元件。
3.3 機械系統的性能分析
機械系統的性能分析是動態特征與靜態特征的總和，通過建立數學模型、數學表達式來真實反映機械系統的性能。設計系統各個部件運動參數、關系和結構，確定零件的精確度、材料和結構。選擇其他部件、原件，配置系統阻尼等等都隸屬于機械系統的性能。這些機械系統的性能決定著機械產品的功能質量參數，機械性能好的產品使用壽命長，產品質量好，靈敏度高、機械的耐磨損狀況良好，可長期使用。
4 機電一體化機械系統的改進措施
4.1 改良設計思想
要積極改良機電一體化的設計思想，隨著時代的進步而不斷進步，努力學習國外先進的機械生產技術，在實現“機械化”和“電子化”的有機結合之后，進一步實現自動化，減少人力資源的浪費，實現經濟效益的最大化。設計方案主要是由全部設計人員進行策劃和實施的，所以設計人員的才能和設計理念會很大程度上影響機電一體化的設計和應用。
4.2 加大經費投入
真正實現經濟效益的最大化，最基本要做的就是加大經費投入，不論是科研經費還是后期的維修經費都要持續不斷的供給。可能從表面上來看，實現機電一體化的過程需要龐大的資金和各種各樣先進的技術，但是一旦實現了機電一體化機械系統，所節省的人力，創造的財富都是無法衡量的。
5 結語
無論是現在還是將來，機械自動化都將成為行業發展的大趨勢，機械的智能化將會成為行業的最終選擇，本研究分析了機電一體化機械系統的基本含義、設計和應用的基本原則、系統設計的基本步驟等基礎的設計和應用，并且提出了加大經費投入和改良設計思想等措施來提高機電一體化機械系統的設計和應用，希望可以為機械行業的發展建言獻策，為祖國的未來添磚加瓦。
參考文獻
1引言
《機電一體化系統設計》課程是中原工學院機電學院機械電子工程專業的必修課之一，是一門涉及機械學、電子學和信息科學的綜合性和實踐性都很強的新興交叉學科[1]。該課涉及知識點量多面廣，其內容融合了機電一體化相關概念、機械機構、執行元件、計算機技術、單片機和PLC控制技術、檢測傳感裝置、可靠性設計、典型案例分析等諸多內容，是對基礎課、專業基礎課等的綜合應用，其在培養學生的機電產品設計能力方面起著不可替代的作用。機電一體化技術在許多行業已得到廣泛應用，目前社會對機電一體化復合型技術人才的需求也越來越大，然而受多種因素的影響，機電一體化技術人才的培養還存在一些問題，故作為高校還需在培養機電一體化復合型技術人才方面進行不斷改革和探索。
2課程存在問題
受陳舊教育觀念的影響，《機電一體化系統設計》以前多以課堂理論教學為主，導致學生很少有機會接觸到機電一體化系統設計的現場，實踐環節偏少；該課知識點多、信息量大、內容抽象苦澀難理解，大部分學生對該課程不感興趣，導致該課程教學效果并不理想。該門課程的主要任務就是讓學生養成正確的系統設計思想，培養學生在調查研究、創新和理論聯系實際方面的能力，最終讓學生掌握機電一體化系統設計的相關理論、方法和規律，具備機電一體化產品設計的能力。該教學任務單靠理論教學是無法實現的，必須從教學方法和教學內容上進行改革。由于該課知識點量多面廣、各章節連貫性差、知識跳躍性大，所以老師在理論課堂上，最好以有代表性的實際案例系統為指引，將不同章節有跨越的內容很好的結合起來，否則學生會感覺到知識點很零散難以掌握。此外，該課程各章節內容又相對獨立，有些內容學生在相關的課程中已學習，比如單片機、傳感器等。如果在教學過程中不加注意，講課時仍不分輕重主次，所有內容一視同仁，這將給學生造成吃剩飯的感覺，甚至弄不明白學習這門課的目的是什么，進而影響學生的學習興趣和教學效果，讓學生獲得機電一體化產品設計的基本訓練才是這門課的教學目的。在不斷壓縮理論課時、提倡素質教育和能力培養的體制下，短時間內要求學生獲得機電一體化產品設計的基本訓練是不現實的，因此如何通過改革提高該課程的教學效果也是一個急需解決的問題[2，3]。針對如何提高學生的學習積極性，改善教學效果，結合多年教學經驗和當前教學中存在的問題，本文從教學內容、教學方法、考核方式等方面的改革進行了探討。
3教學內容的改革
3.1理論教學內容的改革
以“必須、夠用”為原則，選取優質教材。教材是學生學習的理論依據，一方面所選教材必須具有系統性，全面講述機電一體化系統設計，不僅要有由易到難的入門引導，而且要兼顧總體內容的提升；另一方面，所選教材要緊跟時代步伐，能及時把最新技術和學科前沿知識引入教材，要有新內容、新技術，這樣學生自己會感受到機電一體化技術的快速發展，進而激發學生的學習興趣。以能力為根本，制定面向實踐的課程教學大綱；精選教學內容，制定合理的教學計劃。針對《機電一體化系統設計》的內容量多面廣而理論課時少的情況，故要依據教學大綱，制定合理的教學計劃，進而實現授課有據可依。在制定教學計劃時，要注意首先必須對機電一體化的概念、體系結構等內容進行透徹講解，因為這部分內容對學生建立機電一體化系統設計框架起著非常重要的作用。各章節知識點主次要明確。量多面廣是《機電一體化系統設計》課程最明顯的特點，在如今壓縮的短課時內若所有內容都依次展開介紹，必將導致所有內容如蜻蜓點水一晃而過，學生對內容的了解也只是走馬觀花。由于我校機械電子工程專業學生已學過可編程控制器、微型機與單片機技術、接口技術和機械測試技術等機電方面的課，而機械方面相關知識則相對較弱，故在授課時重點要放在機械及機電結合的知識點以及典型先進的技術和產品的應用上，而機電系統電相關部分可簡單介紹，以免重復介紹。另外，授課時要注意引入新技術、新發展、新應用等相關內容，把數控加工中心、智能機器人等新產品應用要盡量穿插到課堂中，通過引入新技術新產品從而激發學生的學習欲望。
3.2實踐教學內容的改革
教學與工程實踐相結合。為了培養學生的工程實踐能力，根據《機電一體化系統設計》課程內容抽象、綜合性強這一大特點，我院新建立了FMS柔性加工制造系統實驗室。該柔性自動化生產線教學設備由自動化立體倉庫碼垛機單元、工件檢測及自動噴涂單元、自動化輸送線系統單元、CCD形狀顏色檢測單元、上下料搬運機器人單元、數控車床加工單元、六軸并聯加工單元、六自由度串聯機器人分揀及裝配單元及系統總控共9個單元。該系統涉及到工業現場的實踐應用，幾乎包含了機電和工控領域所有方面的基礎知識，如伺服驅動、PLC控制、傳感檢測等多種技術，給學生提供了一個典型的機電產品學習環境。通過完成系統故障檢測、站點間聯網程序控制等，使學生以前學過的許多專業知識在這里得到全面認識、綜合訓練和相互提升，這對培養學生的動手能力具有重要意義。教學與科技創新活動相結合。現在國家每年都舉辦各種大學生科技創新活動比如全國大學生機械創新設計大賽，在教學中可充分利用這一條件，帶領學生參加各種競賽，學以致用。通過搭建如機械人、智能硬幣分揀器、智能車等機械模塊，完成其電機驅動、傳感器的選擇和安裝以及電路板的設計、制作、編程和調試。這不僅可以激發學生的學習興趣和創新意識，而且這將使學生對機電一體化系統設計的理論認識得到進一步提升，與此同時學生的實踐能力和創新能力也得到培養。教學與科研活動相結合。工科院校培養的人才不僅要有勝任當前就業需要的素質，更要有發揮潛力所需的能力。高校教學改革實踐表明，科研訓練是提高本科教育質量的重要經驗，是培養具有創新意識和創造能力研究型人才的有效途徑[3]。我院各專業自2010年開始實施專業導師制，每個學生均配備有專業導師，因此日常學習中，導師不僅要指導學生掌握書本內容，更要注重在實踐教學中培養學生的科研意識，鼓勵學生參與到導師的科研項目中，堅持教學內容與培養科研素質相結合，在潛移默化中培養科研理念，使蘊藏在學生身上的學術科研潛能得到充分發揮。
4教學方法的改革
針對《機電一體化系統設計》課程內容繁多、枯燥、抽象等特點[4]，可采用多種形式的教學方法來激發學生的學習興趣，針對不同教學內容采用不同的教學方法，避免教學方式單一。比如在授課過程中，為了增強學生的感性認識、強化學生對相關知識點的理解，可采用實物展示、動畫演示等形式。為了引導學生思考并發現系統設計時要注意的問題，可用環環相扣的實例為誘餌，采用案例教學法，從系統觀點出發，加入學生討論環節，充分調動學生積極性，老師并及時給予點評和講解，以增強學生的實際應用能力，為學生畢業后從事機電專業工作打下堅實的基礎。為激發學生的創新欲望，可結合科研成果采用啟發式教學方法，著重從方法和思路方面加以講解，注重理論教學與機電工程應用相結合，并用視頻教學的方式向學生展示那些工程領域和已得到廣泛應用的機電新產品。另外，隨著互聯網的普及，可建立課程學習網站提供基于互聯網資源的開放教學環境如慕課的引入，引導學生自主學習和拓寬知識，方便靈活不受時間限制，同時還可解決授課學時不足的問題。
5考核方式的改革
考試是檢驗學生掌握所學內容的一種重要方式，但單純的理論考試并不能全面反映學生的知識水平和解決實際問題的能力[5]。該課程經改革，采用如下考核方式：考核成績=理論考試成績（70%）+資格審核（20%）+平時作業（10%），理論考試采取閉卷考試，時間120分鐘。資格審核類似于課程設計，三人一組，一組一個題目，滿分100分，資格審核成績低于60分不能參加理論考試，資格審核的目的是給學生一定的壓力和動力，最終目的是鍛煉學生的動手實踐能力。資格審核通過答辯的形式進行，采用本教學組兩、三名教師組成評審組對學生設計的作品進行評審，資格審核的最終成績由指導老師結合評審組意見和各小組上交的書面報告最后給出。這種考核方法不僅能客觀真實地評價學生對該門課程的學習情況，全面地反映學生應用該課程知識解決實際問題的能力，而且避免出現高分低能的情況，并且使學生學習的主動性和創新性得到提高。
6結束語
根據《機電一體化系統設計》課程實際教學中存在的問題，本文對教學內容、教學方法和考核方式進行了改革探討，在理論教學上采取制定面向實踐的課程教學大綱，選取優質教材、精選教學內容，制定合理的教學計劃。在實踐教學中，采取教學與工程實踐、科技創新活動和科研活動等相結合，多方位激發、培養學生的創新能力和動手實踐能力。實踐證明，通過從教學改革，學生學習的積極主動性得到提高，課程的教學效果也得到很好的改善。
參考文獻
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【關鍵詞】 機電一體化 系統 設計 應用
1 機電一體化產品的構成及特點
1.1 機械系統
機電一體化產品的機械系統包括機身、框架、機械傳動和聯接等機械部分。這部分是實現產品功能的基礎，因此對機械結構提出了更高的要求，需在結構、材料、工藝加工及幾何尺寸等方面滿足機電一體化產品高效、多功能、可靠、節能和小型輕量等要求。除一般性的機械強度、剛度、精度、體積和重量等指標外，機械系統技術開發的重點是模塊化、標準化和系列化，以便于機械系統的快速組合和更換。
1.2 動力系統
動力系統為機電一體化產品提供能量和動力功能，去驅動執行機構工作以完成預定的主功能。動力系統包括電、液、氣等動力源。機電一體化產品以電能利用為主，包括電源、電動機及驅動電路等。
1.3 傳感與檢測系統
傳感器的作用是將機電一體化產品在運行過程中所需要的自身和外界環境的各種參數轉換成可以測定的物理量，同時利用檢測系統的功能對這些物理量進行測定，為機電一體化產品提供運行控制所需的各種信息。傳感與檢測系統的功能一般由測量儀器或儀表來實現，對其要求是體積小、便于安裝與聯接、檢測精度高、抗干擾等。
2 機電一體化設計的關鍵技術
2.1 精密機械技術
機械技術是機電一體化技術的基礎，因為機電一體化產品的主功能和構造功能大都以機械技術為主得以實現。在機械傳動和控制與電子技術相互結合的過程中，對機械技術提出了更高的要求，如傳動的精密性和精確度的要求與傳統機械技術相比有了很大的提高。在機械系統技術中，新材料、新工藝、新原理以及新結構等方面在不斷的發展和完善，以滿足機電一體化產品對縮小體積、減輕重量、提高招度和剛度以及改善工作性能等方面的要求。
2.2 信息處理技術
信息處理技術是指在機電一體化產品工作過程中，與工作過程各種參數和狀態以及自動控制有關的信息的交換、存取、運算、判斷和決策分析等。在機電一體化產品中，實現信息處理技術的主要工具是計算機。計算機技術包括硬件和軟件技術、網絡與通信技術、數據處理技術和數據庫技術等。在機電一體化產品中，計算機信息處理裝置是產品的核心，它控制和指揮整個機電一體化產品的運行，因此，計算機應用及其信息處理技術是機電一體化技術中最關鍵的技術，它包括目前廣泛研究并得到實際應用的人工智能技術、專家系統技術以及神經網絡技術等。
2.3 檢測與傳感器技術
在機電一體化產品中，工作過程的各種參數、工作狀態以及與工作過程有關的相應信息都要通過傳感器進行接收，并通過相應的信號檢測裝置進行測量，然后送入信息處理裝置以及反饋給控制裝置，以實現產品工作過程的自動控制。機電一體化產品要求傳感器能快速和準確地獲取信息并且不受外部工作條件和環境的影響，同時檢測裝置能不失真地對信息信號進行放大和輸送及轉換。
2.4 自動控制技術
機電一體化產品中的自動控制技術包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、校正、補償等。機電一體化產品中自動控制功能的不斷擴大，使產品的精度和效率都在迅速提高。通過自動控制，機電一體化產品在工作過程中能及時發現故障，并自動實施切換，減少了停機時間，使設備的有效利用率提高。由于計算機的廣泛應用，自動控制技術越來越多地與計算機控制技術結合在一起，它已成為機電一體化技術中十分重要的關鍵技術。該技術的難點在于現代控制理論的工程化和實用化，控制過程中邊界條件的確定，優化控制模型的建立以及抗干擾等。
3 機電一體化產品設計方法
3.1 產品可行性研究
通過實際調查和研究，掌握對所設計產品的市場需求，并進行可行性論證，從而確定產品設計的基本方案，其中包括預測投資總額、組成部件價格、產品的性能價格比以及經濟評價等。
3.2 基本設計階段
在基本設計階段要提出必需的主要技術，其中包括硬件技術和軟件技術兩個方面。硬件包括產品的結構元件和控制元件，軟件包括操作系統和控制系統。在進行整個系統設計時，必須提出幾個方案進行比較，從中選出較優的方案。
3.3 詳細設計階段
詳細設計包括業務分工、程序設計、操作系統設計、工藝設計、設備設計、總體設計、控制系統設計、安全保護設計等。在開發性產品設計過程中，要擬定產品的各項性能指標參數，通過計算選定所用的設備，從而進一步完成機構設計、運動和性能設計以及控制設計等。
3.4 實際運行試驗
這一階段的工作主要包括產品工作性能檢驗和改進以及產品性能評價。產品工作性能檢驗的目的是進行生產周期和生產率測定，進行故障分析和考察故障時間等。改進是指對產品存在的問題提出改進措施以提高產品的性能。產品的性能評價包括技術評價、經濟評價兩個方面。這一階段是產品設計過程的總結階段，目的是通過對已確定的操作系統的具體使用，檢驗其實際的使用價值。
在實施機電一體化產品設計的過程中，要正確處理好質量與成本、市場需求與技術可能性、長期發展和短期利益之間的矛盾關系，在滿足市場需要的前提下，使產品具有足夠的競爭力，同時又要符合當前實際情況和技術可實現性，以保證產品獲得最大的技術經濟效益和社會效益。
參考文獻：
關鍵詞：機電一體化；電氣控制系統；優化和改進設計
中圖分類號：TK221 文獻標識碼：A
1 機電一體化集成裝配裝置概述
原有機電一體化集成裝配裝置主要由機械本體、控制系統、工控機測量系統、力傳感器系統、真空系統和氣動系統及工裝等組成。由于工控機測量系統與控制系統是相對獨立的一套系統，本論文將不論述。控制系統采用西門子840D和FM-NC數控系統來控制7個數字軸和2個模擬軸，其中840D系統控制7個數字軸（X、Y、Z、C1、C2、C3、W軸）的運動和處理力傳感器的快速響應及相關實時控制，以及和工控機測量系統間的通訊和協調控制。FM-NC系統控制2個模擬軸(W1、W2軸)的運動，實現調姿機構的運動控制，從而達到對待裝配工件的姿態調整。在上述的9個軸中，X、Y、Z、W、W1和W2軸是直線軸，C1、C2、C3軸是旋轉軸，其中C1軸的旋轉角度范圍為0o～380o。W1、W2軸組成調姿機構，在調姿機構的下端裝有拾取工件的真空吸盤和在移動過程中對工件起保護作用的氣動手爪。W軸作為加載機構的加載軸在所有工件裝配完成后對整個產品進行下壓加載。C2軸作為裝配工位，C3軸作為待裝配工件放置工位裝置的系統構成如圖1所示，其中控制系統為SINUMERIK 840D數控系統（CNC），它包括：人機界面（MMC103）、機床控制面板（MCP）、數控裝置模塊（NCU）、SIMATICS7-300模塊以及SIMODRIVE 611D數字伺服驅動系統，調姿機構由松下伺服驅動系統構成。FM-NC數控系統通過CPU315-DP模塊提供的一個MPI總線接口，與840D采用MPI通信總線的方式對MMC103實現共享。
2 優化基本指導思想和改進思路
原有裝配裝置研制出來后，經過功能性試驗，證明其基本功能已達到當初的設計要求，但由于所裝配產品的特殊性，以及試驗中暴露出來的問題，需要對裝置作進一步的優化和改進設計。優化和改進的基本指導思想是，在不削減原有裝置的功能的基礎上，通過優化和改進設計，提高裝置的安全性和任務可靠性，適當簡化控制系統結構，使其硬件結構更緊湊，控制過程更簡便。改進思路是，根據安全性和任務可靠性分析，在電氣控制系統的電路結構上，根據可靠性設計方法，適當采用降額設計或冗余設計等技術來提高任務可靠性，同時增加一些安全檢測部件來提高其安全性，并在軟件設計中相應增加一些故障診斷和報警信息；通過優化，將原來較為繁瑣的兩套數控系統控制簡化為一套數控系統來控制，從而既降低了應用軟件的開發難度，使控制更易于實現，也減少了工作量，提高了工藝程序的靈活性，并且消除了兩套系統間數據交換出現錯誤的隱患。
3 電氣系統的優化和改進設計
3.1 冗余設計
針對氣動手爪的張開和閉合以及真空吸具的吸合采用了工作冗余設計，以提高氣動手爪和真空吸具工作的可靠性和產品裝配過程中的安全性。其電路設計如圖 2所示。為了防止氣動手爪和真空吸具的誤動作，在氣動手爪不應該閉合的時候閉合或在不應該張開的時候張開，以及在真空吸具不應該吸合的時候吸合，同時又要求它們在應該動作的時候可靠地動作，在電路設計上采用了對同一個信號進行雙模塊輸出控制，甚至對安全性要求更高的氣動手爪閉合信號采用了混合并聯冗余設計，針對每一個輸出信號所控制的繼電器也采用了并聯冗余，但在繼電器觸點控制電路上又采用了串-并聯設計或并-串聯設計。
在圖2中Gn和Gn+1是兩塊完全一樣的SIEMENS DO模塊，兩個模塊的對應輸出點信號都是相同的，且兩個模塊同時工作。每個信號輸出點所控制的兩個并聯繼電器中只要其中一個繼電器小失效，就能得到裝配任務所需要的輸出信號。尤其是對于氣動手爪閉合信號，只要兩個模塊中有一個模塊小失效，或者兩個模塊中非對應的兩個輸出點小同時失效，就能得到該輸出信號。
3.2 抗干擾設計
在機電一體化系統中，既包含有高電壓、大電流的電力電氣設備，即強電設備，又包含有低電壓、小電流的控制與信息處理設備和傳感器，即弱電設備。強電設備產生的電磁噪聲會對弱電設備造成極大的干擾，弱電設備之間也可能互相進行信號干擾。同時，供電系統以及環境電磁噪聲也會對弱電設備產生嚴重的干擾。由此可見，電磁噪聲的干擾是機電一體化設備中產生元器件失效或數據傳輸、處理失誤、進而影響其可靠性的最常見和最主要的因素，因此抗干擾設計在機電一體化系統的可靠性設計中不容忽視。主要運用了以下幾項技術來進行抗干擾設計。
3.2.1 屏蔽技術
屏蔽技術可抑制電磁噪聲沿著空間的傳播，及切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑。在裝置中，除了380V和220V電源電纜之外，其余電纜均使用了帶屏蔽層的電纜，從而既隔斷了本身信號對別的信號的干擾，也隔斷了別的信號對自己信號的干擾。
3.2.2 接地技術
接地在電氣控制系統的電路設計中充當著一個重要的角色。“地”為電路、系統提供了一個參考電位，電路、系統中的各部分電流都必須經“地線”或“地平面”構成電流回路。在本裝置中，分別設計了保護地線、工作地線和屏蔽接地。其中，保護地線是將電氣控制柜柜體、操作臺機殼和裝置本體都可靠接地；工作地線采用單點并聯接地方式，很好地消除了共阻抗干擾；屏蔽接地是將所有的屏蔽電纜的屏蔽層通過接地線可靠地接到同一個接地銅排上，電源變壓器和隔離變壓器的屏蔽層接到保護地線。
3.2.3 濾波技術
濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性二端口網絡，可以插入傳輸線中，抑制不需要的頻率進行傳播，能較小衰減地通過濾波器的頻率段稱為濾波器的通帶。通過時受到很大衰減的頻率段稱為濾波器的阻帶。為了抑制供電電網系統和裝置周邊環境用電設備所產生的電磁噪聲對控制系統和驅動系統的影響，在SIEMENS840D 數控系統和SIMODRIVE611D數字伺服驅動系統的電源前端，以及松下模擬伺服驅動系統的主電路上分別設計了電源濾波器。除此之外，為了抑制電氣系統中弱電器件的互相干擾，還采用了浪涌吸收器等措施。
3.3 熱設計
制造電子元器件時所使用的材料有一定的溫度極限，當超過這一個極限時，物理性能就會發生變化，元器件就不能發揮它預期的作用。元器件還可能在額定溫度上由于持續工作的時間過長而發生故障，故障率的統計數據表明電子元器件的故障與其工作溫度有密切關系。一般情況下，在高溫或負溫條件下元器件或電路容易發生故障。半導體元器件故障率隨著溫度的增加而呈指數上升趨勢，其電性能參數，如耐壓值、漏電流、放大倍數、允許功率等都是溫度的函數。在本裝置中，SINUMERIK840D數控系統、SIMODRIVE 611D 數字伺服驅動系統、松下模擬伺服驅動系統、可編程邏輯控制器（PLC）以及它們的電源都是模塊化結構。每個模塊內都有大量的電子元器件。在工作時，這些模塊內的電路會產生大量的熱量。雖然自身發熱量較大的模塊一般都安裝有冷卻風扇，或者設計了空氣對流散熱孔，但整個電氣控制柜由于防護等級的需要是一個封閉的環境，工作時元器件產生的熱量將會使柜內溫度升高很多，從而影響部分元器件的正常工作。基于此原因，對電氣控制柜和操作臺進行熱設計時，對控制柜采用了用強制制冷設備（空調）進行冷卻的方式，使柜內溫度維持在元器件能正常工作的一個較佳溫度范圍內，對操作臺采用了安裝帶空氣過濾器的冷卻風扇進行強制風冷的方式。
參考文獻
[1]方建軍,田建君,鄭青春編著.光機電一體化系統設計[M].北京：化學工業出版社，2003.
【關鍵詞】滲透壓儀;機電一體化;冰點測量;醫藥衛生
Abstract：Osmotic pressure meter is widely used in medicine，health. At present，the most commonly used osmotic pressure meter have disadvantages of complex structure，high cost，low precision and efficiency. To solve these problems，we propose a novel osmotic pressure test instrument in the paper，which is designed by mechanotronics theory. Meanwhile，the principle，the realization scheme and functional characteristics of the system are introduced in the paper. The instrument has the advantages of small size，high accuracy，fast detection speed etc.. In addition，the apparatus is designed with a data transmission interface，convenient data analysis and comprehensive utilization.
Key words：Osmotic pressure meter;Mechanotronics;Freezing point test;Medicine
引言
滲透壓儀在醫藥、衛生領域應用十分廣泛。在制作注射針劑、滴眼液等藥物時，必須考慮藥劑的滲透壓，滲透壓過高或過低都會導致人體細胞或細胞壁破裂等嚴重后果。為了更好的指導醫生臨床用藥，必須在藥物標簽上注明溶液的滲透壓相關參數[1-2]。因此研制開發滲透壓測試儀器在藥物研發、生產及臨床用藥等方面具有重大意義。
目前，常用的滲透壓測定方法有：冰點下降法、沸點升高法、半透膜法等[3]，本文提出的新型滲透壓測量儀采用冰點下降法設計，融合了機電一體化系統設計理論。該儀器克服了傳統檢測方法的不足，具有體積小、精度高、重復性好、操作簡便等優點。
1.滲透壓儀工作原理及技術方案
1.1 工作原理
本文提出的滲透壓儀基于拉烏爾冰點理論設計。所謂拉烏爾冰點理論就是任何溶液如果其單位體積所溶解的顆粒總數相同，則引起溶液冰點下降的值也相同。根據該理論，我們知道，水溶液的滲透壓摩爾濃度與其對應的冰點值有一一對應關系;其滲透壓摩爾濃度與冰點溫度下降值為線性關系，其關系為;其中表示水溶液的滲透壓摩爾濃度;表示水溶液的冰點溫度值相對于水的冰點溫度值的下降值。可見，通過測量被測水溶液的冰點溫度下降值可以算出對應水溶液的滲透壓摩爾濃度。
對于任意水溶液，其結冰過程可以用圖1所示的結冰曲線來描述。圖中AB段為降溫階段;BC段為過冷階段;CD段為溶液受到擾動后，開始結晶放熱，溶液溫度回升階段;DE段為溫度穩定階段，該段溫度即為所測溶液的冰點溫度。因此，測得這段平穩曲線的溫度值，最終就能評價所測溶液的滲透壓值。
圖1 水溶液結冰曲線圖
1.2 技術方案
基于拉烏爾冰點理論的滲透壓測量儀總體上可以分為機械結構和控制電路兩部分，儀器整體是一個典型的機電一體化裝置，整個系統的設計遵循機電一體化系統設計原則。其中，機械結構部分包括一套探針攪拌機構、兩套制冷機構、和兩套傳動及定位機構。控制電路部分包括供電電路、單片機電路、通信電路、傳動控制電路、制冷控制電路、高精度溫度檢測電路、按鍵及顯示電路等，控制電路結構如圖2所示。儀器采用AC220V供電，通過內部的供電電路，轉換成+5V、±15V，+12V等控制電源供儀器使用;單片機選用STC12C5A芯片，實現鍵盤讀入、LCD顯示、高精度溫度測量、制冷和傳動控制等功能。STC12C5A60S2是一款高效微控制器，內部集成了10位ADC模塊，轉換速度可達250K/S，具有技術成熟可靠、靈活方便、價格低廉等優點，其軟硬件資源可以滿足設計要求[4];溶液冰點溫度測量采用美國SENSOR公司的負溫度系數熱敏電阻SP60A實現。該型號的熱敏電阻采用玻璃封裝形式，能夠實現液體溫度的高精度測量，誤差為±5%;半導體制冷元件采用單級溫差電制冷組件TEC1-12706設計，該組件采用+12V供電，配合NTC溫度傳感器實現對樣品和探針的制冷控制;此外，儀器還設計有按鍵、液晶顯示、EEPROM存儲等電路，用于完成標定和測量參數顯示等功能。
圖2 滲透壓儀控制電路結構圖
圖3 機械系統結構示意圖
2.儀器機械結構設計
本儀器的機械結構主要包括三部分，下面將分別介紹。
1）探針攪拌機構。由直流電動機、曲柄滑塊機構和探針組成，該機構利用電機轉動，帶動探針做上下直線運動，從而實現對溶液的攪動并觸發其立刻結晶。
2）制冷機構。本儀器有兩套制冷機構，分別負責對被測溶液和探針的制冷控制。每套制冷機構包括制冷半導體、制冷銅塊、溫度傳感器和絕熱填充材料等。
3）傳動和定位機構。本儀器有兩套傳動和定位機構，分別負責對制冷機構的平移控制和探針攪拌機構的升降控制。每套傳動和定位機構由直流電動機、齒形帶傳動機構、光耦開關等組成（見圖3）。
3.儀器硬件電路設計
3.1 冰點溫度檢測電路
儀器中，溶液冰點溫度的檢測采用NTC溫度傳感器SP60A來完成。檢測電路如圖4所示。NTC插入樣品，與被測溶液充分接觸，當溶液溫度發生變化時，NTC的阻值也隨之變化，利用圖4所示的電路可以測得阻值的變化，從而測得溶液溫度。根據結冰曲線，可以分析出溶液的冰點溫度。電路分析：IC6A，R97，R98組成一個200mA恒流源電路;利用恒流源將NTC的阻值轉換為電壓信號;再利用IC7采集并將信號送給單片機;最后單片機再根據溫度曲線計算冰點溫度。
3.2 傳動控制電路
傳動控制電路是本設計的重要組成部分，是整個電路系統的一個有機整體。儀器中有兩套傳動機構，分別由兩個12V供電的直流電機控制，實現制冷機構的平移控制和探針機構的升降控制。電機控制由LMD18200完成[5]。LMD18200是美國國家半導體公司推出的專用于直流電機驅動的H橋組件。其連續輸出電流達3A，工作電壓高達55V，且具有過熱和短路保護功能，能夠方便的實現對直流電動機的可靠控制。電機控制電路原理如圖5所示，LMD18200所接收的轉向信號由單片機的P1.1輸出，而PWM信號由P1.2模擬輸出，實現直流電動機的轉速和轉向控制，進而實現對傳動系統的控制。
圖5 電機控制電路原理
3.3 制冷控制電路
滲透壓儀在工作過程中，（下轉第121頁）（上接第119頁）探針和被測溶液需要通過半導體制冷來使其達到規定的溫度范圍。本儀器中半導體制冷元件采用單級溫差電制冷組件TEC1-12706設計，該組件采用+12V供電，配合NTC溫度傳感器實現對樣品和探針的制冷控制。電路圖如圖6所示。當P2.1為低電平時，Q1導通，制冷半導體得電，開始制冷;當溫度達到規定值時，P2.1變為高電平，Q1截止，制冷半導體失電，停止制冷。
圖6 制冷控制電路原理圖
3.4 RS485總線接口電路
本文設計的總線接口電路采用RS485通信方式，接口電路原理如圖7所示。利用RS485總線接口，實現滲透壓儀的數據傳輸與分析。
圖7 RS485接口電路原理圖
4.實驗與分析
針對設計的滲透壓測量儀，進行了測試實驗，實驗對象是質量分數為0.9%的NaCl標準溶液。三次測量據如表1所示。實驗結果表明，三次測量結果的相對偏差小于1%，測量平均值的相對誤差小于1%，本儀器的測量精度和重復性較高，能夠滿足設計要求。
表1 滲透壓儀精度及重復性實驗數據表
電壓值（V） 冰點溫度
（℃） 滲透壓摩爾濃度
（mOSmol/kgH2O） 誤差
第一次測量 1.837 -0.535 287.9 -0.2%
第二次測量 1.839 -0.538 289.5 0.3%
第三次測量 1.835 -0.532 286.3 -0.7%
平均值 1.837 -0.535 287.9 -0.2%
標準值 288.5
5.結束語
本文提出的新型滲透壓測量儀采用冰點下降法設計，融合了機電一體化系統設計理論。該儀器克服了傳統檢測方法的不足，具有體積小、精度高、重復性好、操作簡便等優點。在醫藥、生物和食品衛生等領域具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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關鍵詞： 機電一體化系統設計 考核 改革 創新
1.課程考核改革的總體思想
《機電一體化系統設計》課程是山東理工大學機械設計制造及其自動化本科專業一門重要的專業課，具有應用性、綜合實踐性強，密切結合生產實際的特點。考試作為檢驗學生掌握科學知識、培養能力、獲取實際技能的一種手段，對實施素質教育，培養基礎扎實、創新和實踐能力強的應用型人才，具有特別重要的作用。僅憑卷面成績不能全面客觀地反映學生知識水平和解決實際問題的能力，應采用新的考核辦法客觀真實地評價出學生對該門課程的學習情況和知識掌握情況，全面地反映學生應用該課程知識解決實際問題的能力，讓更多的學生發揮出個人的潛能，成為適應國際競爭和社會需求的創新型、應用型人才。
2.考核方式
本課程考核采取形成性考核方式進行：課程考核成績=理論考試成績（50%）+實操訓練與考試（20%）+解決實際應用課題情況（20%）+課堂考勤、平時作業（10%）。
理論考試是按照考試大綱要求，閉卷考試，100分鐘。
實操訓練與考試是在現有的模塊化生產培訓系統和機電一體化教學實驗設備上進行設備操作、編程、調試等，考查學生的動手操作能力。
解決實際應用課題情況主要是結合生產實際給出小的設計題目，要求學生利用所學知識給出解決方案，編寫控制程序，借助現有設備進行模擬調試，考查學生分析問題、解決實際問題的能力。
該考核方法能夠客觀真實地評價出學生對該門課程的學習情況和知識掌握情況，全面地反映學生應用該課程知識解決實際問題的能力，克服了單純的理論考試反映學生成績的片面性，避免了出現高分低能的情況，讓更多的學生發揮出個人的潛能，鼓勵有能力的學生參加機電產品創新設計大賽和機器人大賽等各種活動。
3.考核改革實施過程
為保證改革的順利進行和圓滿完成，課程組調研有關院校后，經過小組充分討論，制定了詳細的研究計劃，并予以實施。
（1）調查研究，收集資料。
課題組成員首先調研東南大學、哈爾濱工業大學、山東科技大學等，廣泛聽取他們的意見，根據本校情況，經多次修改，制定了考核大綱。
（2）制定考核評定辦法和評判標準。
在充分調查研究、收集資料的基礎上，課程組經過認真討論論證，確定了各部分的考核評定辦法和評判標準。
（3）向學生宣傳和實施該考核辦法。
對機械設計制造及其自動化04-1、2班學生宣傳并進行試點，讓學生了解和接受該考核辦法和考核評分標準，并在該課程講授結束時實施該考核辦法。
（4）進行成績分析及問卷調查。
考核結束后，對考核成績進行了分析，成績總體是服從正態分布的，學生考核成績的分布基本合理，考核各部分覆蓋面廣，難易適當，也說明考核辦法科學合理。并對04-1、2班的學生進行了問卷調查，發放問卷30份，收回問卷28份。問卷調查顯示：96%的學生對機電一體化系統設計課程的考試改革的評價為“很成功”和“比較成功”，96%的學生覺得現在的形成性考核對促進學習有效。學生普遍認為該考核方法做到知識和技能的并重，理論和實踐相結合。
（5）進一步修改、完善。
該考核辦法實施后，聽取學生意見，并經課程組成員的充分討論，找出問題，進一步修改、完善。
4.考核改革的效果
該考核方法做到知識和技能并重，理論和實踐相結合。通過實操訓練與考試考查學生動手操作能力，通過理論考試反映學生對基礎知識掌握情況，通過課題解決情況考查學生分析問題、解決實際問題的能力，同時也考查了學生創新思維和創新能力，全面地反映學生應用該課程知識解決實際問題的能力，有利于培養基礎扎實、創新和實踐能力強的應用型人才。
對機械設計制造及其自動化04-1、2學生實施考核辦法后，后續實踐性環節――課程設計及實訓、畢業設計學生得心應手，后續環節進行得非常順利。有5位學生報名參加了機電產品創新設計大賽和機器人大賽等活動，并獲得不同的獎勵。
