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    創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計

    2014-12-26 20:18:56唐靜王斌
    農(nóng)業(yè)科技與裝備 2014年9期
    關(guān)鍵詞:組合法機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新

    唐靜++王斌

    摘要:中國是制造大國,需要產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新以市場需求為出發(fā)點、以技術(shù)應(yīng)用為支撐,開發(fā)出的創(chuàng)新型產(chǎn)品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業(yè)創(chuàng)造利潤。從設(shè)計角度出發(fā),闡述機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求,提出一種創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計方法。以設(shè)計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例,具體說明了創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程。

    關(guān)鍵詞:創(chuàng)新;機(jī)電產(chǎn)品;快速設(shè)計;變形法;組合法

    中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-1161(2014)09-0039-03

    我國是全球制造大國,但是在產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新等方面相對落后。為改變“產(chǎn)品創(chuàng)新能力比較薄弱”的國情,路甬祥院士提出了利用提升創(chuàng)新設(shè)計能力作為促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要戰(zhàn)略。機(jī)電產(chǎn)品廣義上是機(jī)械產(chǎn)品、電工與電子產(chǎn)品、機(jī)電一體化產(chǎn)品,以及這些產(chǎn)品的零配件、附件等的統(tǒng)稱。如今,機(jī)電產(chǎn)品尤其是創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品給工作和生活帶來了極大方便。

    1 機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求

    機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要綜合考慮多方面的要求,并將設(shè)計要求做進(jìn)一步的分解(如圖1所示)。分解后的這些要求是相互關(guān)聯(lián)的,創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計可以往這些方面思考和延伸。

    1) 功能要求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品要滿足一定的基本功能,如自動控制功能、休閑娛樂功能等。

    2) 用戶需求。機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要盡量人性化,即考慮用戶的情感和心理需求。例如,機(jī)電產(chǎn)品的造型要美觀大方、人機(jī)交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足,產(chǎn)品使用效率就會提高,錯誤操作的概率也會大大降低[1]。

    3) 安全要求。用戶在使用機(jī)電產(chǎn)品時難免有錯誤操作,所以機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時必須考慮用戶和環(huán)境等方面的安全因素,尤其是大型機(jī)電產(chǎn)品。例如盡可能提高機(jī)電產(chǎn)品的自動化程度,在硬件和軟件系統(tǒng)中都增加容錯設(shè)計。

    4) 環(huán)保需求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品時還需要考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)對環(huán)境的影響,需要進(jìn)行綠色環(huán)保設(shè)計。例如,盡可能減小機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量和體積、降低產(chǎn)品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

    5) 成本需求。在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下,還需要考慮產(chǎn)品在制造、使用、維護(hù)和回收整個壽命周期中的總成本,盡量降低各個環(huán)節(jié)的成本,從而達(dá)到從設(shè)計源頭開始控制成本的目的。例如,合理選擇機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械零部件的材料和加工方法、控制電路元器件的類型,以提高產(chǎn)品的回收利用率 [3]。

    2 創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品快速設(shè)計的內(nèi)涵

    創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程如圖2所示。首先,根據(jù)市場需求產(chǎn)生創(chuàng)新想法并匯總具體的設(shè)計要求(包括上述功能要求、用戶需求等),然后開始并行設(shè)計產(chǎn)品的機(jī)械部分和控制部分。

    2.1 機(jī)械部分

    機(jī)械部分可以采用“變形法”來快速設(shè)計。所謂“變形法”,指的是新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ),在現(xiàn)有產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn),從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。此法尤其適用于中小型機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新。例如,為解決手機(jī)用戶長時間托舉手機(jī)勞累的問題,有人設(shè)計出“馬桶抽”手機(jī)支架,如圖(3a)所示,該手機(jī)支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用“變形法”可以設(shè)計出“丘比特之箭”手機(jī)支架,如圖3(b)所示,該手機(jī)支架既包括與“馬桶抽”手機(jī)支架主體結(jié)構(gòu)相似的心形支撐件1和支架2,又增加了鑰匙扣環(huán)3和角度調(diào)節(jié)裝置4,且支架2可以收進(jìn)支撐面1的支架槽內(nèi),既能調(diào)節(jié)手機(jī)角度又方便攜帶。機(jī)械部分的設(shè)計可以應(yīng)用UG、Solidworks等軟件快速地進(jìn)行三維造型和二維出圖。

    2.2 控制部分

    控制部分可以采用“組合法”來快速設(shè)計。所謂“組合法”,指的是設(shè)計控制電路時,將一些基本的電路模塊(如電源模塊、顯示模塊、接口模塊等)拼搭和完善。設(shè)計控制程序時,將一些基本的程序模塊(如延時程序、計數(shù)程序等)整合與應(yīng)用,從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。組合法的應(yīng)用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

    機(jī)械部分和控制部分在并行設(shè)計結(jié)束后,需要及時整理創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計資料并告知企業(yè),以便產(chǎn)品盡快投入市場、創(chuàng)造價值。

    3 快速設(shè)計實例

    如今,在網(wǎng)吧和飯店等公共場所,仍有部分煙民吞云吐霧,對張貼的靜態(tài)禁煙標(biāo)志視若罔聞。如果公共場安裝動態(tài)的禁煙提醒裝置,禁煙效果會更好。創(chuàng)新想法產(chǎn)生后,列出產(chǎn)品的設(shè)計要求: 1)動態(tài)地顯示“公共場所,請勿吸煙”的文字提醒信息。2)有滅煙和放置煙頭等垃圾的零部件。3)如果檢測出空氣中煙霧濃度超標(biāo),可以發(fā)出“公共場所,請勿吸煙”的語音提醒信息;如果有吸煙者摁滅香煙,可以發(fā)出“謝謝合作!”的語音信息,安撫吸煙者的情緒,滿足用戶需求。設(shè)計要求匯總后,可以從機(jī)械和控制兩大部分著手,并行地快速設(shè)計相應(yīng)內(nèi)容。

    3.1 控制部分設(shè)計

    1) 確定控制方案。根據(jù)上述設(shè)計要求,控制部分主要需要控制器、顯示模塊、語音模塊和輸入信號元件(煙霧濃度傳感器和吸煙者摁滅香煙時觸發(fā)的微動開關(guān))。其中,控制器可以選擇單片機(jī)、PLC等。從功能要求和成本需求出發(fā),控制器選擇單片機(jī)AT89C51。

    2) 設(shè)計控制電路。根據(jù)上述控制方案,并結(jié)合機(jī)械設(shè)計方案,選擇所需的元器件來設(shè)計電路。元器件可以選擇性價比高的典型元件,以方便電路模塊和程序模塊的快速組合。本例中,語音模塊選用ISD1700,顯示模塊選用PG12864F,煙霧濃度傳感器選擇MP135,微動開關(guān)選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關(guān)??刂齐娐返脑O(shè)計可以在Proteus、Protel等軟件中應(yīng)用組合法拼搭電源模塊、液晶顯示模塊、語音模塊和接口模塊來快速設(shè)計。

    3) 程序設(shè)計與調(diào)試。根據(jù)控制要求,程序設(shè)計流程如圖4所示。

    程序設(shè)計時,可以在編程軟件中整合漢字顯示、語音播報、延時控制等函數(shù)的程序模塊,最后通過主函數(shù)調(diào)用。最后,將利用組合法快速設(shè)計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調(diào)試。在Proteus軟件中,將目標(biāo)代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機(jī)中,該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

    3.2 機(jī)械部分設(shè)計

    1) 確定機(jī)械設(shè)計方案。機(jī)械部分設(shè)計時,除了滿足各項設(shè)計要求,同樣需要考慮控制部分的設(shè)計方案。例如,顯示模塊、語音模塊及控制電路板的放置位置等。該禁煙裝置的機(jī)械部分要能夠放置上述顯示模塊和語音模塊,并且能夠滅煙、放置煙頭等垃圾。機(jī)械部分設(shè)計時主要考慮上述兩部分內(nèi)容。

    2) 三維造型。在現(xiàn)有的查詢機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過變形法可以快速設(shè)計出如圖6所示的禁煙裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。其中,顯示模塊1和語音模塊2安裝在上端的方形殼體中,殼體通過支架5支撐,滅煙盒3放在支架5的凸臺上,垃圾桶4掛在支架5的掛鉤上。當(dāng)吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時,將觸發(fā)滅煙盒下方的復(fù)位彈簧35和微動開關(guān)。

    3) 二維出圖。完成三維造型后,應(yīng)用CAD軟件可以快速生成相關(guān)聯(lián)的二維圖紙,注意尺寸和公差的標(biāo)注。

    完成機(jī)械部分和控制部分的設(shè)計后,整理相關(guān)資料。機(jī)械部分的資料主要包括總裝配圖和各個零件圖,控制部分的資料主要包括單片機(jī)控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細(xì)表。

    4 結(jié)語

    創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品需要縮短設(shè)計周期,盡快投放市場?!白冃畏ā苯梃b現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械部分的快速設(shè)計。使用“變形法”時,設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)新或改良現(xiàn)有產(chǎn)品以滿足各項要求?!敖M合法”基于基本的電路和程序模塊,可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品控制部分的快速設(shè)計。使用“組合法”時,電路模塊的拼搭和程序模塊的整合,需要進(jìn)一步組合與完善,確保控制部分的設(shè)計正確。上述禁煙裝置的設(shè)計中,“變形法”和“組合法”都得到了很好的應(yīng)用。設(shè)計其他創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品時,可以借鑒這些方法來達(dá)到快速設(shè)計的目的。

    摘要:中國是制造大國,需要產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新以市場需求為出發(fā)點、以技術(shù)應(yīng)用為支撐,開發(fā)出的創(chuàng)新型產(chǎn)品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業(yè)創(chuàng)造利潤。從設(shè)計角度出發(fā),闡述機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求,提出一種創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計方法。以設(shè)計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例,具體說明了創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程。

    關(guān)鍵詞:創(chuàng)新;機(jī)電產(chǎn)品;快速設(shè)計;變形法;組合法

    中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-1161(2014)09-0039-03

    我國是全球制造大國,但是在產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新等方面相對落后。為改變“產(chǎn)品創(chuàng)新能力比較薄弱”的國情,路甬祥院士提出了利用提升創(chuàng)新設(shè)計能力作為促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要戰(zhàn)略。機(jī)電產(chǎn)品廣義上是機(jī)械產(chǎn)品、電工與電子產(chǎn)品、機(jī)電一體化產(chǎn)品,以及這些產(chǎn)品的零配件、附件等的統(tǒng)稱。如今,機(jī)電產(chǎn)品尤其是創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品給工作和生活帶來了極大方便。

    1 機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求

    機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要綜合考慮多方面的要求,并將設(shè)計要求做進(jìn)一步的分解(如圖1所示)。分解后的這些要求是相互關(guān)聯(lián)的,創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計可以往這些方面思考和延伸。

    1) 功能要求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品要滿足一定的基本功能,如自動控制功能、休閑娛樂功能等。

    2) 用戶需求。機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要盡量人性化,即考慮用戶的情感和心理需求。例如,機(jī)電產(chǎn)品的造型要美觀大方、人機(jī)交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足,產(chǎn)品使用效率就會提高,錯誤操作的概率也會大大降低[1]。

    3) 安全要求。用戶在使用機(jī)電產(chǎn)品時難免有錯誤操作,所以機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時必須考慮用戶和環(huán)境等方面的安全因素,尤其是大型機(jī)電產(chǎn)品。例如盡可能提高機(jī)電產(chǎn)品的自動化程度,在硬件和軟件系統(tǒng)中都增加容錯設(shè)計。

    4) 環(huán)保需求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品時還需要考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)對環(huán)境的影響,需要進(jìn)行綠色環(huán)保設(shè)計。例如,盡可能減小機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量和體積、降低產(chǎn)品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

    5) 成本需求。在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下,還需要考慮產(chǎn)品在制造、使用、維護(hù)和回收整個壽命周期中的總成本,盡量降低各個環(huán)節(jié)的成本,從而達(dá)到從設(shè)計源頭開始控制成本的目的。例如,合理選擇機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械零部件的材料和加工方法、控制電路元器件的類型,以提高產(chǎn)品的回收利用率 [3]。

    2 創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品快速設(shè)計的內(nèi)涵

    創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程如圖2所示。首先,根據(jù)市場需求產(chǎn)生創(chuàng)新想法并匯總具體的設(shè)計要求(包括上述功能要求、用戶需求等),然后開始并行設(shè)計產(chǎn)品的機(jī)械部分和控制部分。

    2.1 機(jī)械部分

    機(jī)械部分可以采用“變形法”來快速設(shè)計。所謂“變形法”,指的是新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ),在現(xiàn)有產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn),從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。此法尤其適用于中小型機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新。例如,為解決手機(jī)用戶長時間托舉手機(jī)勞累的問題,有人設(shè)計出“馬桶抽”手機(jī)支架,如圖(3a)所示,該手機(jī)支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用“變形法”可以設(shè)計出“丘比特之箭”手機(jī)支架,如圖3(b)所示,該手機(jī)支架既包括與“馬桶抽”手機(jī)支架主體結(jié)構(gòu)相似的心形支撐件1和支架2,又增加了鑰匙扣環(huán)3和角度調(diào)節(jié)裝置4,且支架2可以收進(jìn)支撐面1的支架槽內(nèi),既能調(diào)節(jié)手機(jī)角度又方便攜帶。機(jī)械部分的設(shè)計可以應(yīng)用UG、Solidworks等軟件快速地進(jìn)行三維造型和二維出圖。

    2.2 控制部分

    控制部分可以采用“組合法”來快速設(shè)計。所謂“組合法”,指的是設(shè)計控制電路時,將一些基本的電路模塊(如電源模塊、顯示模塊、接口模塊等)拼搭和完善。設(shè)計控制程序時,將一些基本的程序模塊(如延時程序、計數(shù)程序等)整合與應(yīng)用,從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。組合法的應(yīng)用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

    機(jī)械部分和控制部分在并行設(shè)計結(jié)束后,需要及時整理創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計資料并告知企業(yè),以便產(chǎn)品盡快投入市場、創(chuàng)造價值。

    3 快速設(shè)計實例

    如今,在網(wǎng)吧和飯店等公共場所,仍有部分煙民吞云吐霧,對張貼的靜態(tài)禁煙標(biāo)志視若罔聞。如果公共場安裝動態(tài)的禁煙提醒裝置,禁煙效果會更好。創(chuàng)新想法產(chǎn)生后,列出產(chǎn)品的設(shè)計要求: 1)動態(tài)地顯示“公共場所,請勿吸煙”的文字提醒信息。2)有滅煙和放置煙頭等垃圾的零部件。3)如果檢測出空氣中煙霧濃度超標(biāo),可以發(fā)出“公共場所,請勿吸煙”的語音提醒信息;如果有吸煙者摁滅香煙,可以發(fā)出“謝謝合作!”的語音信息,安撫吸煙者的情緒,滿足用戶需求。設(shè)計要求匯總后,可以從機(jī)械和控制兩大部分著手,并行地快速設(shè)計相應(yīng)內(nèi)容。

    3.1 控制部分設(shè)計

    1) 確定控制方案。根據(jù)上述設(shè)計要求,控制部分主要需要控制器、顯示模塊、語音模塊和輸入信號元件(煙霧濃度傳感器和吸煙者摁滅香煙時觸發(fā)的微動開關(guān))。其中,控制器可以選擇單片機(jī)、PLC等。從功能要求和成本需求出發(fā),控制器選擇單片機(jī)AT89C51。

    2) 設(shè)計控制電路。根據(jù)上述控制方案,并結(jié)合機(jī)械設(shè)計方案,選擇所需的元器件來設(shè)計電路。元器件可以選擇性價比高的典型元件,以方便電路模塊和程序模塊的快速組合。本例中,語音模塊選用ISD1700,顯示模塊選用PG12864F,煙霧濃度傳感器選擇MP135,微動開關(guān)選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關(guān)。控制電路的設(shè)計可以在Proteus、Protel等軟件中應(yīng)用組合法拼搭電源模塊、液晶顯示模塊、語音模塊和接口模塊來快速設(shè)計。

    3) 程序設(shè)計與調(diào)試。根據(jù)控制要求,程序設(shè)計流程如圖4所示。

    程序設(shè)計時,可以在編程軟件中整合漢字顯示、語音播報、延時控制等函數(shù)的程序模塊,最后通過主函數(shù)調(diào)用。最后,將利用組合法快速設(shè)計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調(diào)試。在Proteus軟件中,將目標(biāo)代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機(jī)中,該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

    3.2 機(jī)械部分設(shè)計

    1) 確定機(jī)械設(shè)計方案。機(jī)械部分設(shè)計時,除了滿足各項設(shè)計要求,同樣需要考慮控制部分的設(shè)計方案。例如,顯示模塊、語音模塊及控制電路板的放置位置等。該禁煙裝置的機(jī)械部分要能夠放置上述顯示模塊和語音模塊,并且能夠滅煙、放置煙頭等垃圾。機(jī)械部分設(shè)計時主要考慮上述兩部分內(nèi)容。

    2) 三維造型。在現(xiàn)有的查詢機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過變形法可以快速設(shè)計出如圖6所示的禁煙裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。其中,顯示模塊1和語音模塊2安裝在上端的方形殼體中,殼體通過支架5支撐,滅煙盒3放在支架5的凸臺上,垃圾桶4掛在支架5的掛鉤上。當(dāng)吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時,將觸發(fā)滅煙盒下方的復(fù)位彈簧35和微動開關(guān)。

    3) 二維出圖。完成三維造型后,應(yīng)用CAD軟件可以快速生成相關(guān)聯(lián)的二維圖紙,注意尺寸和公差的標(biāo)注。

    完成機(jī)械部分和控制部分的設(shè)計后,整理相關(guān)資料。機(jī)械部分的資料主要包括總裝配圖和各個零件圖,控制部分的資料主要包括單片機(jī)控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細(xì)表。

    4 結(jié)語

    創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品需要縮短設(shè)計周期,盡快投放市場?!白冃畏ā苯梃b現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械部分的快速設(shè)計。使用“變形法”時,設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)新或改良現(xiàn)有產(chǎn)品以滿足各項要求。“組合法”基于基本的電路和程序模塊,可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品控制部分的快速設(shè)計。使用“組合法”時,電路模塊的拼搭和程序模塊的整合,需要進(jìn)一步組合與完善,確??刂撇糠值脑O(shè)計正確。上述禁煙裝置的設(shè)計中,“變形法”和“組合法”都得到了很好的應(yīng)用。設(shè)計其他創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品時,可以借鑒這些方法來達(dá)到快速設(shè)計的目的。

    摘要:中國是制造大國,需要產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新以市場需求為出發(fā)點、以技術(shù)應(yīng)用為支撐,開發(fā)出的創(chuàng)新型產(chǎn)品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業(yè)創(chuàng)造利潤。從設(shè)計角度出發(fā),闡述機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求,提出一種創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計方法。以設(shè)計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例,具體說明了創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程。

    關(guān)鍵詞:創(chuàng)新;機(jī)電產(chǎn)品;快速設(shè)計;變形法;組合法

    中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-1161(2014)09-0039-03

    我國是全球制造大國,但是在產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新等方面相對落后。為改變“產(chǎn)品創(chuàng)新能力比較薄弱”的國情,路甬祥院士提出了利用提升創(chuàng)新設(shè)計能力作為促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要戰(zhàn)略。機(jī)電產(chǎn)品廣義上是機(jī)械產(chǎn)品、電工與電子產(chǎn)品、機(jī)電一體化產(chǎn)品,以及這些產(chǎn)品的零配件、附件等的統(tǒng)稱。如今,機(jī)電產(chǎn)品尤其是創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品給工作和生活帶來了極大方便。

    1 機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求

    機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要綜合考慮多方面的要求,并將設(shè)計要求做進(jìn)一步的分解(如圖1所示)。分解后的這些要求是相互關(guān)聯(lián)的,創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計可以往這些方面思考和延伸。

    1) 功能要求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品要滿足一定的基本功能,如自動控制功能、休閑娛樂功能等。

    2) 用戶需求。機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要盡量人性化,即考慮用戶的情感和心理需求。例如,機(jī)電產(chǎn)品的造型要美觀大方、人機(jī)交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足,產(chǎn)品使用效率就會提高,錯誤操作的概率也會大大降低[1]。

    3) 安全要求。用戶在使用機(jī)電產(chǎn)品時難免有錯誤操作,所以機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時必須考慮用戶和環(huán)境等方面的安全因素,尤其是大型機(jī)電產(chǎn)品。例如盡可能提高機(jī)電產(chǎn)品的自動化程度,在硬件和軟件系統(tǒng)中都增加容錯設(shè)計。

    4) 環(huán)保需求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品時還需要考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)對環(huán)境的影響,需要進(jìn)行綠色環(huán)保設(shè)計。例如,盡可能減小機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量和體積、降低產(chǎn)品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

    5) 成本需求。在滿足產(chǎn)品功能要求的前提下,還需要考慮產(chǎn)品在制造、使用、維護(hù)和回收整個壽命周期中的總成本,盡量降低各個環(huán)節(jié)的成本,從而達(dá)到從設(shè)計源頭開始控制成本的目的。例如,合理選擇機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械零部件的材料和加工方法、控制電路元器件的類型,以提高產(chǎn)品的回收利用率 [3]。

    2 創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品快速設(shè)計的內(nèi)涵

    創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程如圖2所示。首先,根據(jù)市場需求產(chǎn)生創(chuàng)新想法并匯總具體的設(shè)計要求(包括上述功能要求、用戶需求等),然后開始并行設(shè)計產(chǎn)品的機(jī)械部分和控制部分。

    2.1 機(jī)械部分

    機(jī)械部分可以采用“變形法”來快速設(shè)計。所謂“變形法”,指的是新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ),在現(xiàn)有產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn),從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。此法尤其適用于中小型機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新。例如,為解決手機(jī)用戶長時間托舉手機(jī)勞累的問題,有人設(shè)計出“馬桶抽”手機(jī)支架,如圖(3a)所示,該手機(jī)支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用“變形法”可以設(shè)計出“丘比特之箭”手機(jī)支架,如圖3(b)所示,該手機(jī)支架既包括與“馬桶抽”手機(jī)支架主體結(jié)構(gòu)相似的心形支撐件1和支架2,又增加了鑰匙扣環(huán)3和角度調(diào)節(jié)裝置4,且支架2可以收進(jìn)支撐面1的支架槽內(nèi),既能調(diào)節(jié)手機(jī)角度又方便攜帶。機(jī)械部分的設(shè)計可以應(yīng)用UG、Solidworks等軟件快速地進(jìn)行三維造型和二維出圖。

    2.2 控制部分

    控制部分可以采用“組合法”來快速設(shè)計。所謂“組合法”,指的是設(shè)計控制電路時,將一些基本的電路模塊(如電源模塊、顯示模塊、接口模塊等)拼搭和完善。設(shè)計控制程序時,將一些基本的程序模塊(如延時程序、計數(shù)程序等)整合與應(yīng)用,從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。組合法的應(yīng)用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

    機(jī)械部分和控制部分在并行設(shè)計結(jié)束后,需要及時整理創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計資料并告知企業(yè),以便產(chǎn)品盡快投入市場、創(chuàng)造價值。

    3 快速設(shè)計實例

    如今,在網(wǎng)吧和飯店等公共場所,仍有部分煙民吞云吐霧,對張貼的靜態(tài)禁煙標(biāo)志視若罔聞。如果公共場安裝動態(tài)的禁煙提醒裝置,禁煙效果會更好。創(chuàng)新想法產(chǎn)生后,列出產(chǎn)品的設(shè)計要求: 1)動態(tài)地顯示“公共場所,請勿吸煙”的文字提醒信息。2)有滅煙和放置煙頭等垃圾的零部件。3)如果檢測出空氣中煙霧濃度超標(biāo),可以發(fā)出“公共場所,請勿吸煙”的語音提醒信息;如果有吸煙者摁滅香煙,可以發(fā)出“謝謝合作!”的語音信息,安撫吸煙者的情緒,滿足用戶需求。設(shè)計要求匯總后,可以從機(jī)械和控制兩大部分著手,并行地快速設(shè)計相應(yīng)內(nèi)容。

    3.1 控制部分設(shè)計

    1) 確定控制方案。根據(jù)上述設(shè)計要求,控制部分主要需要控制器、顯示模塊、語音模塊和輸入信號元件(煙霧濃度傳感器和吸煙者摁滅香煙時觸發(fā)的微動開關(guān))。其中,控制器可以選擇單片機(jī)、PLC等。從功能要求和成本需求出發(fā),控制器選擇單片機(jī)AT89C51。

    2) 設(shè)計控制電路。根據(jù)上述控制方案,并結(jié)合機(jī)械設(shè)計方案,選擇所需的元器件來設(shè)計電路。元器件可以選擇性價比高的典型元件,以方便電路模塊和程序模塊的快速組合。本例中,語音模塊選用ISD1700,顯示模塊選用PG12864F,煙霧濃度傳感器選擇MP135,微動開關(guān)選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關(guān)??刂齐娐返脑O(shè)計可以在Proteus、Protel等軟件中應(yīng)用組合法拼搭電源模塊、液晶顯示模塊、語音模塊和接口模塊來快速設(shè)計。

    3) 程序設(shè)計與調(diào)試。根據(jù)控制要求,程序設(shè)計流程如圖4所示。

    程序設(shè)計時,可以在編程軟件中整合漢字顯示、語音播報、延時控制等函數(shù)的程序模塊,最后通過主函數(shù)調(diào)用。最后,將利用組合法快速設(shè)計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調(diào)試。在Proteus軟件中,將目標(biāo)代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機(jī)中,該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

    3.2 機(jī)械部分設(shè)計

    1) 確定機(jī)械設(shè)計方案。機(jī)械部分設(shè)計時,除了滿足各項設(shè)計要求,同樣需要考慮控制部分的設(shè)計方案。例如,顯示模塊、語音模塊及控制電路板的放置位置等。該禁煙裝置的機(jī)械部分要能夠放置上述顯示模塊和語音模塊,并且能夠滅煙、放置煙頭等垃圾。機(jī)械部分設(shè)計時主要考慮上述兩部分內(nèi)容。

    2) 三維造型。在現(xiàn)有的查詢機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過變形法可以快速設(shè)計出如圖6所示的禁煙裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。其中,顯示模塊1和語音模塊2安裝在上端的方形殼體中,殼體通過支架5支撐,滅煙盒3放在支架5的凸臺上,垃圾桶4掛在支架5的掛鉤上。當(dāng)吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時,將觸發(fā)滅煙盒下方的復(fù)位彈簧35和微動開關(guān)。

    3) 二維出圖。完成三維造型后,應(yīng)用CAD軟件可以快速生成相關(guān)聯(lián)的二維圖紙,注意尺寸和公差的標(biāo)注。

    完成機(jī)械部分和控制部分的設(shè)計后,整理相關(guān)資料。機(jī)械部分的資料主要包括總裝配圖和各個零件圖,控制部分的資料主要包括單片機(jī)控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細(xì)表。

    4 結(jié)語

    創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品需要縮短設(shè)計周期,盡快投放市場。“變形法”借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械部分的快速設(shè)計。使用“變形法”時,設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)新或改良現(xiàn)有產(chǎn)品以滿足各項要求?!敖M合法”基于基本的電路和程序模塊,可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品控制部分的快速設(shè)計。使用“組合法”時,電路模塊的拼搭和程序模塊的整合,需要進(jìn)一步組合與完善,確??刂撇糠值脑O(shè)計正確。上述禁煙裝置的設(shè)計中,“變形法”和“組合法”都得到了很好的應(yīng)用。設(shè)計其他創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品時,可以借鑒這些方法來達(dá)到快速設(shè)計的目的。

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