《机电一体化系统设计》书评
(中国科学院大学, 北京 101499)
摘要: 《机电一体化系统设计》一书围绕机电一体化系统的构成展开, 系统性地阐述了该领域主要组成部分的设计原理、方法及其应用。全书分为七章, 包括概述、机电一体化系统的总体设计、机械系统设计、动力系统设计、检测系统设计、控制系统设计以及典型系统设计。在工业4. 0背景下及数字孪生技术的推动下, 机电一体化系统已由单一的机械与电气耦合。本书不仅强调理论与实际的融合, 且紧跟技术发展的前沿, 为读者奠定了坚实的理论基础与实践经验。同时, 书中内容对于促进机电一体化技术的未来发展具有重要意义。
关键词: 机电一体化, 系统设计, 伺服系统, 多学科融合, 书评
DOI: 10.48014/fcmet.20250228002
引用格式: 季楚涵. 《机电一体化系统设计》书评[J]. 中国机械工程技术学报, 2025, 4(1): 1-4.
文章类型: 书评
收稿日期: 2025-02-28
接收日期: 2025-03-03
出版日期: 2025-03-28
0 引言
《机电一体化系统设计》[1]是由张旭辉、樊红卫、朱立军等人编写的一本关于机电一体化系统设计知识的书籍，该书由华中科技大学出版社出版，面对新的世界局势和科学技术的重大变革，该书旨在及时地更新机电一体化系统设计的相关教材，淘汰落后内容，补充新知识、新技术与新方法，体现以“智能化”为代表的新一代机电一体化技术特征，进而培养适应经济社会发展和制造业迫切需要的专业人才。书中汇集了编者多年的教学讲义和教案资料，并力求引入近年来最新进展和科研成果。本书内容的选取和章节的安排力求适应机械类专业的改革与发展需求，将机电一体化所涉及的繁杂分散的内容进行整合、凝练和创新，将机电有机结合、精密与智能、理论联系实际等理念贯穿全书始终，并将高档数控机床、工业机器人和矿山机电装备作为贯穿全书的三方面案例，旨在帮助读者建立对机电一体化系统设计的全面理解，并突出机电一体化技术与其他相关技术间的差异性。
1 内容解读
第一章重点阐述了机电一体化的基本概念，包括机电一体化系统的组成成分、共性技术、设计策略及其发展趋势，旨在使读者深入理解机电一体化的定义、内涵与外延，并掌握机电一体化系统的一般结构、关键技术以及常用的设计方法，同时展望机电一体化的未来发展。
第二章主要探讨机电一体化系统设计的原则与评价标准，系统概念设计方法及机电有机结合的策略。机电一体化系统的总体设计涵盖原理设计、结构设计及测控设计，而机电有机结合设计则包含稳态设计与动态设计两个方面。通过对本章内容的学习，读者能够更好地理解机电一体化系统的总体设计方法，掌握其基础知识和设计流程。
第三主要讲述了机电一体化系统中精密机械部件的设计，旨在加深读者对该系统机械部件概念及其功能的理解。在进行机电一体化机械系统设计时，必须综合考虑产品的整体布局、机构选择以及结构造型的合理性与优化，同时应关注机械结构特征与伺服系统的性能参数及电气指标之间的协调，以确保伺服性能的优越性。
第四章主要讲述机电一体化系统中动力系统的特性和驱动方法，使读者了解伺服系统的基本概念，电器类动力元件的原理和特性，动力元件的驱动和控制方法，动力元件的选型原则和控制用电动机的选型方法。
第五章主要讲述传感器的基本概念，机械控制、健康监测和智能系统常用传感器，监测系统设计与分析，现代信息处理技术及智能传感器应用，使读者理解监测系统设计方法，掌握传感器与检测系统设计基本概念与基础知识，熟悉数控机床和机器人等检测系统设计。
第六章介绍了机电一体化控制系统的主要内容以及控制系统的设计与建模、常用控制器与接口、控制算法等内容。讲述了常用控制器硬件、软件设计方法与流程，以及机电一体化控制系统构建与实验验证。
第七章主要讲述系统设计方法，数控机床、工业机器人和工程机械的机电一体化系统设计。通过本章内容，读者可以了解到机电一体化系统设计理论、方法和技术在典型行业的应用，了解高端数控机床现代化设计的新技术、工业机器人系统设计的特点和要点、矿用重型机械的机电一体化设计。
2 研究发现和主要贡献
(1)理论体系的创新性贡献
该书突破传统机电分立的模块化叙述逻辑，采用“功能-行为-结构(FBS)”框架整合机械、电气、控制等多学科知识，形成跨层级的系统性设计方法。作者提出机电耦合动力学建模方法，为高速精密机床电主轴等复杂系统的动态分析奠定理论基础[2]。此外，书中系统阐释工业物联网(IIoT)环境下的实时性保障机制，提出基于数字线程的全生命周期管理架构，体现了对工业4.0需求的适配性。作者团队开发的深度强化学习(DRL)伺服参数自整定算法，通过设计包含定位误差、速度误差和电流能耗的三层奖励函数，显著提升XY平台定位精度至±1.5μm，较传统PID控制提升67%。此外，还提出的多保真度模型融合框架(MFM)，结合Kriging代理模型实现物理实体与虚拟模型的实时数据同化，在数控珩磨装备低碳优化案例中，关键部件刚度提升18%的同时碳排放降低23%，展示了数字孪生技术的应用潜力[3]。
(2)工程实践成果与应用价值
书中以高速精密机床电主轴智能动平衡系统为例，设计电磁-永磁混合驱动动平衡装置，通过压电式加速度传感器和DSP+FPGA控制器实现振动幅值≤2μm(主轴转速12000rpm)，相关技术获6项国家专利。书中提出采煤机虚拟样机与真实图像配准技术，位姿定位误差≤0.1°，成功应用于工信部绿色制造集成项目(2017—2019)。此类案例验证了“V模式”设计流程(虚拟验证→物理实现→迭代优化)的工程有效性。针对新能源车电驱系统，书中建立基于碳化硅(SiC)逆变器的电磁-热耦合分析模型，通过交错式散热通道拓扑设计，使功率密度达4.8kW/kg，应用于矿用巡检机器人驱动模块。这一成果体现了多物理场协同设计方法在复杂系统中的优势。
(3)推动机械学科发展
本书采用系统工程的视角，深入探讨了机电一体化系统的设计策略，通过典型案例的分析，强调理论与实际的结合。作者引入了机电一体化领域内的最新进展，并强调机械技术与电气技术的紧密融合，以提升机械系统的智能化及自动化水平。这种综合设计方法不仅推动了机械工程领域的创新，还有效提升了生产效率，为机械学科的发展注入了新的动力，促进了相关技术的持续进步与广泛应用。《机电一体化系统设计》的出版和广泛使用为推动该学科的发展提供了重要的理论支持和实践指导。该书作为高职高专院校机电类专业的教材，为培养具有创新精神和实践能力的机电一体化专业人才提供了重要的教学资源。通过该教材的学习和实践，学生能够更好地适应市场需求和行业发展，为国家的经济建设和社会发展做出贡献。
《机电一体化系统》涵盖了机电一体化系统设计的基本理论和关键技术，但随着科技的迅速发展，特别是自动化、智能化技术的不断进步，一些最新的研究成果和技术趋势可能未能及时纳入书中。对于复杂的机电一体化概念和原理，书中的阐述可能不够深入浅出，对于初学者或非专业人士来说，理解起来可能存在一定的难度。
3 结束语
《机电一体化系统设计》是一部具有重要理论和实践意义的研究专著。作者通过重构知识体系、创新设计方法、集成科研成果，形成了“理论-方法-工具-应用”的闭环体系。其贡献不仅在于填补了机电耦合设计理论的空白，更通过科教融合模式培养交叉学科人才，推动工业装备向智能化、绿色化方向演进。书中案例与成果已广泛应用于数控机床、矿山装备等领域，并获多项省部级科技奖励与教学成果奖，具有显著的学术影响力与工程指导价值。本书内容翔实，图文并茂，注重理论联系实际，将机电一体化领域最新成果和发展动态融入其中，可作为机械设计制造机器自动化、机械电子工程、智能制造工程、机器人工程等相关专业的学生学习资料，也可供相关领域的工程技术人员参考。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] 通讯作者 Corresponding author:季楚涵，jichuhan2003@163.com
收稿日期:2025-02-28; 录用日期:2025-03-03; 发表日期:2025-03-28
参考文献(References)
[1] 张旭辉, 樊红卫, 朱立军等主编. 机电一体化系统设计[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2020.
[2] 王红军, 郑军, 赵川. 精密高速电主轴动力学特性及轴承刚度软化分析[J]. 航空制造技术, 2014(04): 81-85.
https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-833X.2014.04.013
[3] 张婕. 基于机电数字孪生的水利工程智能运维与故障诊断方法研究[J]. 水电站机电技术, 2024, 47(02): 81-83.
https://doi.org/10.13599/j.cnki.11-5130.2024.02.024
Book Review of Mechatronic System Design
(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101499, China)
Abstract: “Mechatronic System Design” focuses on the composition of mechatronic systems, systematically presenting the design principles, methods, and applications of the key components in this field. The book is divided into seven chapters: an introduction, overall design of mechatronic systems, mechanical system design, power system design, detection system design, control system design, and design of typical systems. In the context of Industry 4. 0 and driven by digital twin technology, mechatronic systems have evolved from simple mechanical-electrical coupling to more complex, integrated systems. This book not only emphasizes the integration of theory and practice but also stays at the forefront of technological advancements, providing readers with a solid theoretical foundation and practical experience. Additionally, the content of the book is of great significance into advancing the future development of mechatronic technology.
Keywords: Mechatronics, system design, servo systems, multidisciplinary integration, book review
DOI: 10.48014/fcmet.20250228002
Citation: JI Chuhan. Book review of Mechatronic System Design[J]. Frontiers of Chinese Mechanical Engineering and Technology, 2025, 4(1): 1-4.