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机电一体化产品的应用面极其广泛，既与人们的日常生活联系紧密，又对一个国家的国民经济发展起着不可估量的作用。在机电一体化产品的设计过程中，概念设计阶段是一个极富创造性的重要阶段，据调查，只占成本5﹪的概念设计阶段决定了产品全生命周期成本的85﹪，产品设计质量的70﹪以上。概念设计一般涉及到设计者的经验、知识、灵感、情绪和想象力等，因此深入研究概念设计的理论和开发有效的计算机辅助工具，将有利于消除设计者的情绪、偏见等因素，加大概念设计方案搜索的深度和广度，提高概念设计的效率。
机电一体化系统通常是由多领域成分组成的复杂系统，因而机电一体化系统的概念设计并不同于传统机械系统的概念设计，需要更多领域的技术支持、知识支持和计算机软件支持。当前计算机技术和人工智能技术的发展，为概念设计方案的自动化获取提供了重要的支持工具，但是如何合理运用相关技术，以及充分融合各种设计方法，仍然十分具有挑战性。另一方面，机电一体化系统组成的复杂性和多领域性，决定了机电一体化产品应用知识的多学科性，也决定了概念设计方案输出的多样性和不确定性，因此有必要建立机电一体化系统概念设计阶段的动态仿真模型，利用计算机仿真来验证所设计的新方案是否能够完成功能以及功能所附带的约束条件。
针对以上研究目的，本文研究了计算机辅助机电一体化产品概念设计的实现，重点对机电产品中广义执行机构方案自动生成过程中所涉及到的相关原理、技术进行了研究，具体包括对机电一体化系统组成划分方法、机电产品中广义执行机构概念设计阶段的知识建模、广义执行机构方案自动求解过程理论及计算机实现、广义执行机构建模及方案仿真、以及方案自动生成软件平台的构建技术等问题作了研究，主要内容如下：
1.对机电一体化系统组成进行了合理而明确的划分和细化，并就机电一体化系统各个组成部分的设计任务和设计方法进行了讨论，有助于实现机电一体化系统概念设计的系统化和条理化
从机电一体化产品的不同类型出发深化对机电一体化这一概念的认识，比较其与传统机械产品的异同之处。从物理组成和逻辑构成两个方面认识机电一体化产品的组成特征，并从逻辑构成层面上划分了机电一体化系统组成的三个子系统：广义执行机构子系统、信息处理及控制子系统、传感检测子系统。随后对这一组成划分进行了解释，并详细讨论了三个子系统的组成内容，讨论了三个子系统的设计任务、设计方法及设计步骤等相关内容，这些讨论为机电一体化产品中三个子系统单元的设计及三个子系统的集成设计提供了系统的指导。
2.研究了机电产品中广义执行机构概念设计阶段的知识建模内容，讨论了适用于广义执行机构概念设计的知识描述方法和组织方法，为实现基于知识的自动推理建立了基础以机电一体化系统组成的三个子系统为研究对象，重点对广义执行机构的表示方法进行了研究，从输出功能、运动特性、拓扑结构、机构编码、仿真模型等方面全方位描述了广义执行机构对象的运动特性和功能属性。针对机电一体化产品组成复杂、输出多样化的特性，考虑将方案描述与仿真模型相结合，以定性描述和定量仿真方案的获取为目标对机电产品中广义执行机构的知识描述进行了分析。在三个子系统对象性知识描述之后，为实现高效的计算机识别和推理，还研究了这些对象性知识的组织方式，将面向对象、框架、产生式规则、一阶谓词逻辑等知识组织方法结合起来，建立了广义执行机构知识组织的混合式方法，这种混合式方法完整的表示了广义执行机构对象并易于用Prolog语言描述，使计算机辅助生成的广义执行机构方案解的集合更加完备，是广义执行机构方案自动生成计算机实现的重要基础。
3.对广义执行机构方案的自动生成进行了研究，建立基于DPAM-F(即DeviceProcessActionMechanism-Function)过程模型的广义执行机构方案智能匹配平台，为计算机辅助机电一体化系统概念设计的实现提供更合理的实现步骤
概括机电一体化产品设计的整个过程，分析实现计算机辅助机电一体化产品设计的瓶颈所在，建立了基于DPAM-F的广义执行机构子系统方案智能匹配求解过程模型。DPAM-F模型从更具体的设备分类出发，D-P的映射过程可以应用已有的案例作为工艺子过程的解集，避免了FPAM(功能-柔性工艺动作过程-可控执行动作-广义执行机构)模型中F-P映射过程难以计算机辅助实现的缺点，同时又具备了FPAM模型的优点，将功能属性具体关联到工艺子过程、执行动作、执行机构三个层次。将人工智能语言SICStusProlog对功能-行为-机构的自动推理结合到这一过程模型中，通过自顶向下的DPAM分解映射和自底向上M-F-A-F-P-F-D的回溯匹配与创新实现了局部方案自动生成和整体方案辅助设计。在广义执行机构方案生成后，以三个子系统的集成设计为目标，以伺服控制和调节控制为原型，研究了机电集成单元控制方案参数的计算机辅助设计。同时就机电集成单元方案组合过程中机器工作循环图的作用进行了讨论。这些研究内容建立了广义执行机构及机电集成单元方案生成的实现过程，对机电一体化系统概念设计的实现具有重要意义。
4.以三个子系统组成为基础模块，以广义执行机构子系统建模为主要内容建立了机电产品中广义执行机构仿真模型知识库，有效的支持了广义执行机构方案生成后的仿真分析
方案生成后的计算机虚拟仿真是机电一体化系统概念设计阶段的一个重要内容，它为概念设计方案的初步评估提供了形象的支持。分析了多个仿真软件的建模和仿真功能，针对现有仿真工具对机电产品中广义执行机构方案仿真支持不足的缺点，利用Matlab软件既可以支持电子系统又可以支持机构系统仿真分析的新特点，建立了基于Matlab软件Simulink及SimMechanics工具箱的广义执行机构以及传感器和控制器仿真模型知识库，为机电集成单元方案生成后的仿真分析提供了快速有效的支持。仿真分析平台对执行机构其它运动学分析功能和初步的尺寸综合功能的支持，为广义执行机构方案的取舍提供了更进一步的定性及定量分析指标。
5.讨论了机电产品中广义执行机构概念设计软件平台开发的层次化分析方法，并以这一方法为指导，开发了广义执行机构方案生成软件平台ICDPMS(IntelligentConceptualDesignPlatformforMechatronicSystems)。
分析了基于TRIZ理论的TechOptimizer创新设计软件、基于公理化设计理论的Acclaro软件、基于知识的计算机辅助机电一体化系统概念设计软件Schemebuilder这些软件工具对机械及机电一体化系统概念设计的支持现状以及存在的问题，针对机电产品中广义执行机构概念设计方案生成类型的特点，讨论了广义执行机构概念设计软件平台构建的层次化分析方法，并使用层次化分析方法全面的捕获构建广义执行机构概念设计软件平台所需的基础知识和软件资源，开发了ICDPMS广义执行机构方案生成软件平台。
最后应用本文所提出的方法，在广义执行机构概念设计软件平台ICDPMS的支持下，完成了上工(集团)股份有限公司高速无油润滑机剪线机构和多功能缝纫机横针机构的机构性能分析和改进设计。在总结与展望篇对本文的研究内容和创新点进行了总结，为计算机辅助机电一体化系统概念设计的进一步研究内容提出了参考性建议。