機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新的概念設(shè)計(jì)解析核心探尋

趙旭東， 孔 琳， 吳超平， 趙靜宜

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 10044）

0 引言

在運(yùn)行機(jī)電設(shè)備的過程中， 其實(shí)在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)策劃好制造方案、生產(chǎn)形式、產(chǎn)品應(yīng)用途徑、功能等方面的數(shù)據(jù)與參數(shù)。 所以創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)能夠?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品未來發(fā)展提供正確的方向指導(dǎo)， 但是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)內(nèi)容廣泛、 設(shè)計(jì)形式多樣并且還需要涉及多個(gè)領(lǐng)域， 所以在設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)人員擁有豐富的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。 同時(shí)在新時(shí)代下，機(jī)電一體化產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？?，如果不加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度、提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)程，不僅會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，還會(huì)讓產(chǎn)品喪失競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 所以不僅要強(qiáng)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)，還要運(yùn)用多種現(xiàn)代化設(shè)備。

1 機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)概述

1.1 主要內(nèi)容

機(jī)電一體化產(chǎn)品以機(jī)電一體化為重要基礎(chǔ)，其主要內(nèi)容是集合基本元、系統(tǒng)和構(gòu)建。 而機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是在產(chǎn)品開發(fā)過程中，根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目環(huán)節(jié)的內(nèi)容多元化發(fā)展產(chǎn)品功能、開發(fā)子功能等，從而實(shí)現(xiàn)功能、結(jié)構(gòu)需求的具有系統(tǒng)性和全面性的設(shè)計(jì)活動(dòng)。此種工作程序非常綜合，從初期規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)到落實(shí)計(jì)劃內(nèi)容與細(xì)節(jié)，并且根據(jù)實(shí)際情況與要求進(jìn)行完善。 其實(shí)在進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)時(shí)可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行， 但是非程序化的設(shè)計(jì)內(nèi)容還需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員按照步驟完成。 在人機(jī)共同完成概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上， 將其所有設(shè)計(jì)與開發(fā)的過程中分為不同模塊，這樣可以提高設(shè)計(jì)工作的層次性與清晰性。目前，大部分國(guó)家將概念設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在調(diào)控系統(tǒng)上[1]。

此理念初期提出是20 世紀(jì)70 年代， 在多年的發(fā)展歷程中，其內(nèi)容逐漸豐富化。 如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度非常快，面對(duì)逐漸提高的市場(chǎng)需求以及消費(fèi)升級(jí)現(xiàn)狀，必須促進(jìn)機(jī)電一體化產(chǎn)品提高其功能以及可靠性。而互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，信息技術(shù)、微電子技術(shù)以及集成技術(shù)等，可以為其發(fā)展奠定非常優(yōu)秀的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)還能提高其產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。

1.2 創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的重要意義

機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的意義非常深層，不僅是對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)提出新要求，而且對(duì)產(chǎn)品功能、性質(zhì)提供新保障。 其意義主要分為三方面：

首先能夠直接提高產(chǎn)品質(zhì)量， 因?yàn)闄C(jī)電一體化體系具有學(xué)科交互性與融合性等特點(diǎn)，所以其內(nèi)涵非常復(fù)雜。所以可知， 其實(shí)很多機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與其自身特色并不匹配，很難充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特征。 其次就是完善與發(fā)展其理論體系，想要增強(qiáng)概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性必須建設(shè)新形式、理論基礎(chǔ)。 只有提高概念設(shè)計(jì)的科學(xué)性、穩(wěn)定性與合理性，才能升級(jí)、優(yōu)化其產(chǎn)品。同時(shí)在機(jī)電一體化發(fā)展過程中，其理論的重要性愈發(fā)顯著，如QFD 理論應(yīng)用廣泛并且非常具有權(quán)威性， 其對(duì)創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)起著非常關(guān)鍵推動(dòng)作用，同時(shí)還進(jìn)一步建設(shè)了完善、 先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù)體系。最后就是能夠提高生產(chǎn)速率與工作效率，大部分機(jī)電一體化產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中具備自動(dòng)處理、調(diào)控等功能，能夠穩(wěn)定提高工作效率。 如在應(yīng)用數(shù)控機(jī)床過程中可以發(fā)現(xiàn)，和傳統(tǒng)機(jī)床相比，其效率高出五到六倍，并且在此過程中不僅能夠減少機(jī)床數(shù)量，還能降低人工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。

2 機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)理論探析

2.1 創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理

此類產(chǎn)品中最重要的就是機(jī)電一體化系統(tǒng)， 從其本質(zhì)分析，相比于傳統(tǒng)機(jī)械，其具有非常強(qiáng)的復(fù)雜屬性。 機(jī)電一體化體系主要利用機(jī)構(gòu)動(dòng)力、 信息與控制功效引導(dǎo)電子技術(shù)， 然后再通過加強(qiáng)其與軟件的聯(lián)合性而打造出一種新型機(jī)械系統(tǒng)。從功能分析，機(jī)電一體化系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)力、機(jī)械力等與動(dòng)力學(xué)息息相關(guān)的特殊機(jī)械，同時(shí)還有和機(jī)電部件有著密切關(guān)系的系統(tǒng)。 其實(shí)此系統(tǒng)的關(guān)鍵之處在于集成多種技術(shù)，如在聯(lián)合應(yīng)用控制系統(tǒng)、信息技術(shù)以及電工技術(shù)的基礎(chǔ)上，控制其運(yùn)動(dòng)，這種行為并非是技術(shù)拼湊， 而是通過計(jì)算機(jī)調(diào)控能力來實(shí)現(xiàn)元件控制與驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的先進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)。

其原理研究主要分為三個(gè)方面：首先是三環(huán)論，專家認(rèn)為其實(shí)機(jī)電一體化產(chǎn)品可以主要分為軟件、 電子與機(jī)械三部分；其次是五塊論，其產(chǎn)品功能被分為控制、操作、動(dòng)力、構(gòu)造與傳感檢測(cè)五個(gè)部分；最后是子系統(tǒng)理論，專家認(rèn)為機(jī)電一體化體系主要分為控制與物理系統(tǒng)。 其實(shí)以上三種理論既有深遠(yuǎn)意義，也有其限制性。這三種理論非常重視控制和電力，但是忽視了機(jī)械主體，同時(shí)也沒有深入研究關(guān)于機(jī)電一體化系統(tǒng)中概念設(shè)計(jì)中模糊與繁瑣部分，因此無法充分發(fā)揮概念設(shè)計(jì)作用。所以在概念設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將其系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樾畔⒖刂啤鞲袡z測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等下屬系統(tǒng)，這樣可以充分發(fā)揮其功能優(yōu)勢(shì)[4]。

2.2 創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)方法

我國(guó)機(jī)電一體化發(fā)展雖然時(shí)間比較短， 但是成績(jī)卻非常顯著。無論在數(shù)控技術(shù)、工人機(jī)器還是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)領(lǐng)域都頗有成就， 所以在對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)時(shí)，必須加強(qiáng)各領(lǐng)域知識(shí)的融和，要求其具有創(chuàng)新、目標(biāo)多解等特征。同時(shí)還要重視設(shè)計(jì)者的主觀智慧，要加強(qiáng)人機(jī)協(xié)調(diào)[5]。

首先要加強(qiáng)人才培養(yǎng)， 科技與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是人才競(jìng)爭(zhēng)， 所以想要對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)必須重視人才的專業(yè)性與綜合素質(zhì)， 既要從學(xué)科專業(yè)中培養(yǎng)，要從行業(yè)實(shí)踐中培養(yǎng)。 其次要不斷開拓市場(chǎng)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，只有通過市場(chǎng)檢驗(yàn)才能知道產(chǎn)品的真實(shí)效果，才能通過反饋提高產(chǎn)品性能，及時(shí)調(diào)整其結(jié)構(gòu)。最后就是加強(qiáng)環(huán)保技術(shù)與概念設(shè)計(jì)的融合性，不僅要將機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)等技術(shù)融入到設(shè)計(jì)中， 還應(yīng)該看到生產(chǎn)過程中的污染性，所以應(yīng)該提高材料的利用率，要?jiǎng)?chuàng)新環(huán)保技術(shù)，改變高產(chǎn)、高污染生產(chǎn)模式。

2.3 創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)的未來發(fā)展展望

首先機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)方向?yàn)樵谡莆毡粶y(cè)物理量的基礎(chǔ)上， 建設(shè)明確傳感器特征與種類的數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)；其次要根據(jù)概念設(shè)計(jì)方法建設(shè)推理庫(kù)；最后要建立評(píng)級(jí)體系，評(píng)估其功能、使用效果等[6]。

3 結(jié)束語

雖然如今我國(guó)對(duì)機(jī)電一體化的研究與發(fā)展已經(jīng)取得了一定成就，但是其仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，需要專家與行業(yè)研究人員通過產(chǎn)品創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)不斷提高其質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及功能，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。其實(shí)從屬性出發(fā)可知，其實(shí)機(jī)電一體化是具有交叉性和綜合性的技術(shù)，所以其概念設(shè)計(jì)不僅不可替代， 還對(duì)其發(fā)展產(chǎn)生重要指導(dǎo)作用，只有提高其創(chuàng)新性與競(jìng)爭(zhēng)性，才能持續(xù)發(fā)展。