面向未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

王君

傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)計(jì)手段將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)分離，在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)的需要。本文通過企業(yè)實(shí)際應(yīng)用與實(shí)施，實(shí)踐了機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)方式在電控行業(yè)的有效性與實(shí)用性。

一、引言

風(fēng)電的控制系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣兩個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作銜接非常緊密，完全分開已變得不可能，兩方之間需要有大量的溝通與協(xié)作。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，很多時(shí)候需要考慮電氣布線的空間、電氣元器件的安裝和維護(hù)操作空間等實(shí)際的問題；與此同時(shí)，在電氣設(shè)計(jì)的時(shí)候，也需要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的空間問題。

但是，這兩個(gè)本該進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，卻因?yàn)樵O(shè)計(jì)專業(yè)領(lǐng)域的差別，以及設(shè)計(jì)軟件的不同，長(zhǎng)期處于分離的狀態(tài)。嚴(yán)重影響了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前，很多企業(yè)只能采用試裝的方法，來確定電氣元件的布局以及相應(yīng)的線路連接。如果出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)打架的情況，往往還要反過來修改機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品研發(fā)周期很長(zhǎng)，工程師加班加點(diǎn)，還是很難跟上客戶的交貨需求。與此同時(shí)，電氣安裝隨意性強(qiáng)，質(zhì)量不穩(wěn)定，過分依賴人的參與，線纜浪費(fèi)嚴(yán)重等問題也很難得到解決。

因此，一個(gè)好的電氣設(shè)計(jì)系統(tǒng)，絕不僅僅是解決畫電氣原理圖的問題，而應(yīng)該能夠幫助企業(yè)建立起電氣機(jī)械協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，幫助企業(yè)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

二、建立機(jī)電協(xié)同的設(shè)計(jì)模式

雖然東方電氣自動(dòng)控制公司在機(jī)械、電氣每一領(lǐng)域有了成熟、專業(yè)的設(shè)計(jì)工具，但雙方之間的溝通仍需要手工傳遞大量的數(shù)據(jù)信息，更無從談起設(shè)計(jì)信息的實(shí)時(shí)傳遞。這種使用非集成設(shè)計(jì)工具的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，為機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣之間溝通錯(cuò)誤和信息傳遞紕漏創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，由此導(dǎo)致各種設(shè)計(jì)問題，帶來大量設(shè)計(jì)變更。最終延長(zhǎng)了企業(yè)的產(chǎn)品交付周期，提高了企業(yè)的整體生產(chǎn)成本。

從2015年開始，公司新能源部嘗試使用SolidWorks Electric進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，通過幾個(gè)月的實(shí)施，已成功完成了1.5MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)塔基柜和2.0MW風(fēng)機(jī)變槳軸控柜的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。如圖所示，與常規(guī)的柜體3D布局設(shè)計(jì)不同，該設(shè)計(jì)不僅完成柜體內(nèi)元件的3D布局，還完成了柜內(nèi)幾百根電線及電纜的連接，同時(shí)還可以輸出電氣原理圖，線纜連接清單（含線長(zhǎng)）和元件清單。經(jīng)過對(duì)部分線纜的實(shí)際測(cè)試，軟件布線計(jì)算的長(zhǎng)度與實(shí)際布線長(zhǎng)度保持較好的一致性。該軟件實(shí)現(xiàn)了機(jī)和電信息的互聯(lián)互通，當(dāng)你在柜體中任意選中一個(gè)元件，即可便捷地查詢出在原理圖中的位置，以及元件的線纜連接信息、型號(hào)和主要電氣參數(shù)，方便了故障的分析處理。在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，還發(fā)現(xiàn)它將設(shè)計(jì)人員與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系得更加緊密。在元件數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，你連的不再是兩個(gè)簡(jiǎn)單的電氣符號(hào)，而是通過選型將兩個(gè)“實(shí)在的元件”用“導(dǎo)線”連接起來，然后在電氣3D環(huán)境下進(jìn)行布局和布線，最終形成與真實(shí)產(chǎn)品一致性較高的“數(shù)字樣機(jī)”。通過對(duì)“數(shù)字樣機(jī)”的數(shù)據(jù)提取和應(yīng)用，可以方便生產(chǎn)單位盡早熟悉新產(chǎn)品，并提前進(jìn)行相關(guān)準(zhǔn)備；設(shè)計(jì)人員可以據(jù)此提前編制直觀形象的產(chǎn)品技術(shù)文檔，提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量；也可以將其進(jìn)一步處理成用戶可以直觀體驗(yàn)的展示數(shù)據(jù)。看到這些，讓人想象未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)面貌。

相比于傳統(tǒng)的2D產(chǎn)品設(shè)計(jì)，3D設(shè)計(jì)提供了更加豐富的數(shù)據(jù)信息，能夠更加直觀形象地傳遞設(shè)計(jì)者的意圖。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員先是運(yùn)用投影法將想象的產(chǎn)品進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并繪制成2D工程圖，然后“圖紙用戶”再通過視圖關(guān)系在頭腦里重構(gòu)出產(chǎn)品的形狀。這對(duì)設(shè)計(jì)者和“圖紙用戶”都提出了較為專業(yè)的要求，然而基于3D的設(shè)計(jì)則大大降低了對(duì)“圖形用戶”的要求?？磮D時(shí)，不再需要你在頭腦重構(gòu)產(chǎn)品的3D模型，降低識(shí)圖難度，如果再運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，你或許還可以感受到產(chǎn)品溫度。

隨著移動(dòng)智能終端運(yùn)儲(chǔ)能力的增強(qiáng)和普及，以及高速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，直觀化、形象化的圖形文本，動(dòng)畫有聲文本的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。你隨時(shí)隨地都可以在智能移動(dòng)終端上觸摸和體驗(yàn)?zāi)闼信d趣的產(chǎn)品。然而這些都依賴于對(duì)3D數(shù)據(jù)的深度開發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，就是要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，創(chuàng)造出3D的“數(shù)字樣機(jī)”，而且是一個(gè)將產(chǎn)品的各類信息（材料、機(jī)械、電氣和電子等）與之相鏈接，形成“有聲有色”的生動(dòng)“數(shù)字樣機(jī)”，而不是傳統(tǒng)圖是圖、表是表、文檔是文檔的產(chǎn)品信息“分離模式”。

不管是在2D還是在3D設(shè)計(jì)中都面臨一個(gè)同樣的問題，那就是如何減少重復(fù)性勞動(dòng)，讓設(shè)計(jì)者更專注于產(chǎn)品的創(chuàng)新和功能的優(yōu)化，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。據(jù)有關(guān)資料顯示，Boeing 777客艙共有8個(gè)艙門，雖然每個(gè)艙門的結(jié)構(gòu)都不一樣，但是其98%的機(jī)械零件都是通用的。如果我們每個(gè)艙門都去從頭設(shè)計(jì)一遍，顯然是不合理，如果能將這些相同的功能部分模塊化，將相同零件標(biāo)準(zhǔn)化，將相似部分參數(shù)化，省去大量的重復(fù)性的工作，從而提高設(shè)計(jì)的效率。同時(shí)利用成熟的模塊還能提高產(chǎn)品的可靠性和降低生產(chǎn)成本。如果我們的設(shè)計(jì)工具能夠富有聯(lián)想功能，就像現(xiàn)在的漢字拼音輸入法一樣，那么產(chǎn)品設(shè)計(jì)就不再是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD），而是輔助創(chuàng)新。然而，這一切要依賴于智能化元件庫(kù)的建設(shè)，讓模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和參數(shù)化的元件信息更加的豐富、全面和智能。

對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者來講除了構(gòu)造產(chǎn)品外，對(duì)產(chǎn)品性能的分析評(píng)估是必不可少的環(huán)節(jié)。當(dāng)前運(yùn)用3D數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)仿真可以在設(shè)計(jì)時(shí)看見產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)形式，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征，熱或物質(zhì)的輸運(yùn)模式，乃至未來的失效形式等。如果能將這些分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為我們可以感知和體驗(yàn)的數(shù)據(jù)形式，那么設(shè)計(jì)分析就不再是計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE），而是輔助認(rèn)知。這樣在仿真的過程中，你就不只是“看到”，而是能夠“體驗(yàn)到”它的力和溫度，“見證到”它的變化。這或許會(huì)讓設(shè)計(jì)者把產(chǎn)品的功能做得更加合理優(yōu)化，操作更加人性化，讓生產(chǎn)單位能夠據(jù)此優(yōu)化制造工藝方法和流程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也會(huì)讓客戶對(duì)產(chǎn)品有更加深刻的直觀體驗(yàn)和認(rèn)知，引導(dǎo)和觸發(fā)其購(gòu)買愿望。這樣的設(shè)計(jì)將會(huì)讓設(shè)計(jì)者，與產(chǎn)品的制造者、客戶貼的更近。

三、結(jié)論

機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)模式對(duì)于電控設(shè)計(jì)而言是必然的選擇，只有在設(shè)計(jì)過程中讓結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行協(xié)同，才能幫助企業(yè)提高效率，提升質(zhì)量。