機(jī)電產(chǎn)品需求獲取及概念設(shè)計(jì)探析

王靈秀

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

0 引言

為了能夠滿(mǎn)足機(jī)電產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，就需要做好機(jī)電產(chǎn)品長(zhǎng)期使用服務(wù)功能的合理優(yōu)化，并且能夠加深對(duì)機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的實(shí)際了解，再配合上多學(xué)科的融合，通過(guò)UGNX平臺(tái)的使用，就可以全面的提升產(chǎn)品概念的設(shè)計(jì)合理性。所以，在進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的時(shí)候，就需要合理的利用UGNX，這樣才可以確保其達(dá)到預(yù)期的效果，迎合機(jī)電產(chǎn)品的實(shí)際需求。

1 概念設(shè)計(jì)

1.1 定義

所謂概念設(shè)計(jì)，就是基于用戶(hù)的實(shí)際需求，從而對(duì)概念產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行求解的一個(gè)過(guò)程。其主要的研究?jī)?nèi)容是基于用戶(hù)的實(shí)際需求出發(fā)，確定需要實(shí)現(xiàn)的功能，從而求解概念結(jié)構(gòu)，然后按照一系列的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及技術(shù)特性來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣就可以確定出最優(yōu)的概念產(chǎn)品方案[1]。

雖然成功的概念設(shè)計(jì)能夠提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，也能夠提升產(chǎn)品的實(shí)際性能，但是在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要社會(huì)科學(xué)、工程科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的支持。概念設(shè)計(jì)過(guò)程之中，不僅會(huì)受到市場(chǎng)定位、消費(fèi)需求等市場(chǎng)因素的影響，也會(huì)受到材料工藝、生產(chǎn)技術(shù)等技術(shù)的約束，所以，就需要得到設(shè)計(jì)者專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的支持。在處理用戶(hù)需求以及產(chǎn)品規(guī)劃方面，QFD理論占據(jù)了較大的優(yōu)勢(shì)，并且TRIZ能夠提供解決矛盾的有效措施，并且在科學(xué)效應(yīng)庫(kù)的支持之下，就可以獲取跨領(lǐng)域的解。所以，在概念設(shè)計(jì)的過(guò)程之中，就需要集成其余的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，并且不斷的提升概念設(shè)計(jì)水平，這樣才可以對(duì)后續(xù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程加以指導(dǎo)。

1.2 內(nèi)涵和特點(diǎn)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程模型，一般是針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)抽象化歸納，最為廣泛的表述就是做好產(chǎn)品設(shè)計(jì)的劃分，如設(shè)計(jì)目標(biāo)、需求分析、概念設(shè)計(jì)以及具體設(shè)計(jì)等。針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其模型見(jiàn)圖1所示。

產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)主要包含：①基于用戶(hù)需求，明確影響權(quán)重，直接映射出產(chǎn)品的目標(biāo)值和技術(shù)特征，其中包含產(chǎn)品的總體功能與目標(biāo)值，也就是實(shí)現(xiàn)功能需求；②分析功能，從而分解并且完成需求到功能的相互轉(zhuǎn)換；③分析其功能，然后分解并完成需求到功能的轉(zhuǎn)換；④基于功能模式的“被動(dòng)實(shí)體變化”，就可以對(duì)功能改變的物理量進(jìn)行識(shí)別，然后將其映射到行為，這樣才可以滿(mǎn)足功能-行為的映射；⑤從行為到效應(yīng)的映射，然后由效應(yīng)直接映射出實(shí)現(xiàn)效應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)[2]；⑥對(duì)于功能、概念結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品的實(shí)際因素進(jìn)行綜合的考慮，從而建立出相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。針對(duì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，其實(shí)際的過(guò)程模型見(jiàn)圖2所示。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程模型Fig.1 Product design process model

圖2 概念設(shè)計(jì)流程Fig.2 Conceptual design process

進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，就是為了能夠獲取概念產(chǎn)品，并且概念產(chǎn)品還應(yīng)該符合需求設(shè)計(jì)，從而成為指導(dǎo)產(chǎn)品后續(xù)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)者需要按照用戶(hù)的實(shí)際需求來(lái)實(shí)現(xiàn)層次化的功能分解，這樣就可以分解首相的設(shè)計(jì)任務(wù)，將其具體到子任務(wù)，如圖3所示。通過(guò)抽象問(wèn)題的分解，設(shè)計(jì)者就能夠直接將總體的設(shè)計(jì)任務(wù)細(xì)化與分解，最終對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行求解，形成概念產(chǎn)品。

圖3 產(chǎn)品功能層次模型Fig.3 Product function hierarchy model

2 概念設(shè)計(jì)需求處理技術(shù)

2.1 用戶(hù)需求的構(gòu)成要素

在進(jìn)行需求處理的時(shí)候，首先可以針對(duì)用戶(hù)的需求進(jìn)行描述，由于用戶(hù)需求本身呈現(xiàn)出多變性和多樣性的特點(diǎn)，就無(wú)法得到確切的描述。通過(guò)產(chǎn)品特點(diǎn)的實(shí)際分析，總結(jié)并歸納用戶(hù)需求，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品而言，其用戶(hù)需求主要表現(xiàn)在：①功能，也就是表示產(chǎn)品能夠改變動(dòng)物體的物理量行為；②質(zhì)量，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的實(shí)際程度以及在試用期內(nèi)功能的保持性，如耐久性、可靠性與安全性；③工效，指的是單位時(shí)間中，工作指標(biāo)的完成量；④價(jià)格，用戶(hù)期望新產(chǎn)品本身具有合理的價(jià)格與成本；⑤人機(jī)工程，能夠滿(mǎn)足人機(jī)工程學(xué)的基本原理，如產(chǎn)品的美觀度、舒適性；⑥結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)合理的布局，如裝配關(guān)系、零件結(jié)構(gòu)等；⑦用戶(hù)對(duì)于產(chǎn)品特點(diǎn)的使用和安裝的需求；⑧環(huán)保，也就是環(huán)境的保護(hù)要求；⑨節(jié)能，要求在生產(chǎn)與使用的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)低耗能；⑩服務(wù)，除開(kāi)產(chǎn)品之外，如維修與退換等[3]。

2.2 用戶(hù)需求的特征

所謂需求，就是生活之中人們對(duì)于產(chǎn)品提出的物質(zhì)要求以及精神要求。對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，需求就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，對(duì)于價(jià)格等附加因素的實(shí)際期望值。針對(duì)需求，其主要表現(xiàn)在：

（1）用戶(hù)需求層次性。基本需求指的是用戶(hù)認(rèn)為產(chǎn)品需要具備的功能，如圖4所示，其特點(diǎn)在于當(dāng)需求無(wú)法滿(mǎn)足的時(shí)候，用戶(hù)會(huì)極度不滿(mǎn)意，但是滿(mǎn)足很好的時(shí)候，反而不會(huì)產(chǎn)生特別的興趣。所謂期望需求，也可以稱(chēng)之為一維型需求，指的是用戶(hù)希望產(chǎn)品擁有的功能，其特點(diǎn)在于用戶(hù)滿(mǎn)意度以及產(chǎn)品具有的需求程度呈現(xiàn)出線性的關(guān)系。興趣需求，則是用戶(hù)在期望之外的功能需求，能夠引起用戶(hù)的興趣，如果無(wú)法具備，則可能引起用戶(hù)的不滿(mǎn)意。

（2）用戶(hù)需求的多樣性、差異性以及多變性。也就是基于不同的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、社會(huì)環(huán)境和意識(shí)形態(tài)，對(duì)于產(chǎn)品需求的表現(xiàn)和反映具有多樣性、差異性以及不同時(shí)段所表現(xiàn)出來(lái)的需求也是復(fù)雜多變的，甚至同一調(diào)查對(duì)象處于不同場(chǎng)景之中，對(duì)于需求的評(píng)判結(jié)構(gòu)也會(huì)所有差異。

圖4 用戶(hù)需求模型Fig.4 User requirements model

（3）用戶(hù)需求模糊性。由于評(píng)價(jià)尺度的模糊與不同意，用戶(hù)需求就會(huì)經(jīng)常存在無(wú)法明確的表述問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)人員基于產(chǎn)品應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)景來(lái)分析與判定其需求，必要時(shí)，還需要結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將用戶(hù)的需求加以明確。

3 機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中UGNX的應(yīng)用

3.1 明確設(shè)計(jì)需求，強(qiáng)化設(shè)計(jì)過(guò)程管理

利用生命周期的管理軟件，再加上MCD的有效配合，這樣就可以指定出端到端問(wèn)題的解決措施，進(jìn)而將概念設(shè)計(jì)的有效性提上去。在具體的操作中，利用產(chǎn)品的生命周期管理軟件，就可以建立滿(mǎn)足實(shí)際需求的，可以按照客戶(hù)需求來(lái)進(jìn)行分析的參考模型，并對(duì)各個(gè)部分的產(chǎn)品功能加以說(shuō)明，最終提升設(shè)計(jì)方案本身的適用性。在兩者的支持下，就可以通過(guò)有效的保障實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

3.2 構(gòu)建產(chǎn)品功能模型

考慮到生命周期管理軟件的作用，按照具體的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照相應(yīng)的導(dǎo)入方式，就需要先放入已經(jīng)設(shè)置完畢的MCD，這樣就能提升管理軟件與設(shè)計(jì)需求之間的關(guān)聯(lián)度，并且在構(gòu)建圓形裝載機(jī)功能模型的時(shí)候，也應(yīng)該考慮到：①明確機(jī)電一體化系統(tǒng)每一個(gè)部分的功能，能夠做好裝載功能設(shè)計(jì)的循環(huán)優(yōu)化；②基于MCD的支持，就能夠構(gòu)建出相對(duì)應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確保所有的輔助機(jī)構(gòu)、處理單元都能置身于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下；③循環(huán)使用各個(gè)功能。在進(jìn)行機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的手，還需要考慮到多次利用同一種功能，能夠滿(mǎn)足本身的循環(huán)利用需求。因此，在具體的環(huán)節(jié)，利用MCD設(shè)計(jì)工具，就可以將實(shí)際的效率完全展示出來(lái)，并且還可以發(fā)揮每一個(gè)動(dòng)能單元作用[4]。

3.3 明確機(jī)械概念的定義

在構(gòu)建完機(jī)電產(chǎn)品功能模型之后，就可以考慮到UGNX之下的MCD設(shè)計(jì)工具，這樣就可以構(gòu)建相對(duì)粗糙的產(chǎn)品功能模型。在這一個(gè)環(huán)節(jié)，圓形的裝載機(jī)概念設(shè)計(jì)能夠針對(duì)各個(gè)組件的繼電屬性加以定義，基于機(jī)械的角度進(jìn)行分析，同時(shí)也需要明確具體的行為?；诖植诘娜S模型，就可以將MCD機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的良好性呈現(xiàn)出來(lái)，具體而言：①針對(duì)功能模型之中的屬性可以進(jìn)行科學(xué)的定義；②不同組件的運(yùn)動(dòng)連接能夠得以明確；③不同子功能的銜接要求能夠得以滿(mǎn)足。

3.4 添加抽象執(zhí)行機(jī)構(gòu)及基于時(shí)間操作的定義

在機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的合理性需要重點(diǎn)考慮，基于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該增添抽象執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，MCD還可以提供速度方面的控制以及位置方面的控制，最終在廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中滿(mǎn)足圓形裝載機(jī)的概念設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)定義完成之后，還需要對(duì)怎樣操作進(jìn)行具體的分析與說(shuō)明。因此，就需要基于時(shí)間來(lái)對(duì)其進(jìn)行定義，并且還應(yīng)該分析圓形裝載機(jī)實(shí)際的操作順序：①基座應(yīng)該滿(mǎn)足正常旋轉(zhuǎn)的要求；②滑塊應(yīng)該滿(mǎn)足垂直運(yùn)動(dòng)的要求；③握爪應(yīng)該滿(mǎn)足線性運(yùn)動(dòng)模式的要求。

3.5 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的三維動(dòng)態(tài)仿真及模型構(gòu)建

想要將基于MCD機(jī)電一體化的概念設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，就需要針對(duì)性的做好三維動(dòng)態(tài)仿真處理，這樣才可以將可能存在的設(shè)計(jì)缺陷逐一的彌補(bǔ)完善。因?yàn)镸CD屬于核心程序，就可以同歸建模的方式對(duì)現(xiàn)實(shí)的環(huán)境進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的模擬處理，這樣也能夠?qū)C(jī)械的概念明確，同時(shí)也能夠優(yōu)化機(jī)電產(chǎn)品的服務(wù)功能。因此，基于MCD的概念設(shè)計(jì)方式也需要進(jìn)行合理的使用。另外，基于MCD的仿真技術(shù)支持，就需要在虛擬環(huán)境之中融入機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械行為，如此也可以滿(mǎn)足模型三維動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)際需求，并且做好相應(yīng)模型的構(gòu)建，從而提升設(shè)計(jì)的科學(xué)性[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的創(chuàng)新就成為人們重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容。對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品而言，想要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，還需要多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)作為基礎(chǔ)，并且還需要現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法作為其支撐。所以，希望通過(guò)本文的研究，就能夠?qū)C(jī)電產(chǎn)品的需求獲取以及概念設(shè)計(jì)有全面的認(rèn)識(shí)和了解。