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機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新概念設計探討論文
摘要：本文對機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新的概念設計理論和方法進(jìn)行分析，以期為廣大同行提供參考。
關(guān)鍵詞：機電一體化;產(chǎn)品創(chuàng )新;概念設計
機電一體化產(chǎn)品的概念設計有著(zhù)極其豐富的內容，同時(shí)也是產(chǎn)品在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程內最具創(chuàng )造性的階段。其中，包含的原理與方法論對相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)者起到關(guān)鍵的引導效用。因此，對機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新性概念設計進(jìn)行探索，具有十分重要的現實(shí)意義。
1機電一體化產(chǎn)品概念設計的概述
1.1機電一體化產(chǎn)品概念設計的內容
機電一體化產(chǎn)品是在機電一體化基礎上建立起的包含系統與構件、基本元內容的集合，而機電一體化產(chǎn)品概念設計的含義則是依據產(chǎn)品使用周期中各個(gè)環(huán)節所需要求對產(chǎn)品實(shí)施功能改造、分析和子功能開(kāi)發(fā)，進(jìn)而實(shí)現其滿(mǎn)足功能結構要求的系統化設計活動(dòng)。這種設計工作的過(guò)程包括前期規劃、設計概念以及對計劃進(jìn)行詳細化和豐富化，并加以改進(jìn)補充。機電一體化產(chǎn)品概念設計過(guò)程中的程式化內容可以通過(guò)計算機技術(shù)代為實(shí)現，但除此之外難以被程式化的方面還需產(chǎn)品設計人員通過(guò)人工設計逐步完成。通過(guò)構建人機協(xié)同的概念設計理念，對其功能與組織開(kāi)發(fā)的過(guò)程按照模塊化思想進(jìn)行劃分，以此實(shí)現這一設計工作的層次性、協(xié)調性。目前，發(fā)達國家對機電一體化概念設計的深入研究大體集中于其調控系統的設計。機電一體化的理念自1971年被提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，內容也在逐步豐富，尤其在科技快速發(fā)展的今天，廣闊的市場(chǎng)空間與消費需求的升級，更加迫使機電一體化產(chǎn)品對自身性能、可靠程度提出更高要求。而計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、傳感技術(shù)、AI技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料技術(shù)、集成技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，都為機電一體化產(chǎn)品的革新打下了技術(shù)根基，使得機電一體化產(chǎn)品朝著(zhù)更優(yōu)質(zhì)、更高效的方向邁進(jìn)。
1.2機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新概念設計的意義
機電一體化產(chǎn)品的創(chuàng )新型概念設計本身有著(zhù)重要作用，其既是產(chǎn)品品質(zhì)的深層內容，又是其功能屬性得以發(fā)揮的保障，對其本身質(zhì)量的影響也約占60%～70%。因此，建成機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新的概念設計具有極其顯著(zhù)的意義。簡(jiǎn)要概括，主要包括以下三方面內容。第一，創(chuàng )新機電一體化產(chǎn)品的概念設計是保障機電一體化產(chǎn)品品質(zhì)的必要性要求。機電一體化體系具有多種學(xué)科互相交叉、集成融合的特點(diǎn)，本身具有著(zhù)復雜內涵。因此，現今許多的機械產(chǎn)品的設計并不適應機電一體化技術(shù)本身的特色，難以做到根據機電一體化技術(shù)特征隨之作出應對。第二，機電一體化產(chǎn)品概念設計的創(chuàng )新促使其理論體系得到發(fā)展。要創(chuàng )新這一概念設計，必將建立新的方式、理論基礎。只有在合理、可靠的概念設計基礎上，才能使之收獲具有優(yōu)異性能的機電一化體產(chǎn)品。再加之如今概念設計的思想理念獲得了社會(huì )中乃至整個(gè)世界越來(lái)越多的關(guān)注與認同，如QFD理論、公理化理論、TRIZ理論等設計理論的建立，對于推動(dòng)創(chuàng )新機電一體化產(chǎn)的概念設計發(fā)展起到了不可忽略的效用，進(jìn)一步促進(jìn)了機電一體化技術(shù)體系的建立和機電一體化技術(shù)的完善。第三，機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新概念設計對于生產(chǎn)能力與工作質(zhì)量的提高起到切實(shí)的幫助作用。許多機電一體化產(chǎn)品都帶有自動(dòng)處理、調節的功效，通過(guò)這些能力的實(shí)現，能夠保證工作質(zhì)量與效率的穩步提升。例如，在數控機床的使用過(guò)程中，其生產(chǎn)效率要高出普通基礎5～6倍，并能夠實(shí)現機床數量減少50%，節省50%操作人員的效能，生產(chǎn)周期也能縮短40%，進(jìn)而使得生產(chǎn)成本降低50%左右。
2機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新概念設計理論
2.1機電一體化產(chǎn)品應用到的系統原理
機電一體化系統是該類(lèi)產(chǎn)品中最為重要的基礎。就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)。它算是一種復雜機械，但與普通的機械相比還有著(zhù)顯著(zhù)區分。機電一體化體系是通過(guò)在機構的動(dòng)力功效、信息功效、控制功效以及主功能方面引入先進(jìn)的電子技術(shù)，并使之與軟件相互聯(lián)合形成的一類(lèi)新型機械系統。就其功能來(lái)說(shuō)，機電一體化系統包含機械力、能量流、運動(dòng)力等多種動(dòng)力學(xué)有關(guān)的特殊機械，以及一些機電部件互相關(guān)聯(lián)的系統。其中，機電一體化系統的核心又在于集成協(xié)調各種技術(shù)，通過(guò)對機械工程、控制系統、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、電工技術(shù)等多項技術(shù)的聯(lián)合利用，實(shí)現其運動(dòng)行為可控的目標，而不僅簡(jiǎn)單對各項技術(shù)進(jìn)行拼湊堆積。這也是利用計算機的調節和處理能力，實(shí)現驅動(dòng)元件可控特征的現代化機械系統。有關(guān)機電系統化原理的研究主要包含三方面內容。第一，三環(huán)論。研究者認為，機電一體化產(chǎn)品可以劃分為電子、機械、軟件三項功能模塊。第二，五塊論。通常視機電一體化產(chǎn)品是由動(dòng)力功能、控制功能、構造功能、操作功能和傳感檢測五個(gè)功能模塊組成的。第三，兩個(gè)子系統理論。研究人員認為，機電一體化系統是由控制系統和物理系統兩項分支系統共同組成的。以上三種理論的提出具有重要意義，但同時(shí)也有著(zhù)較大的局限性。三者立足于控制和電力兩部分，但沒(méi)有對機械主體加以強調，也并未對處理好機電一體化系統的概念設計中出現的復雜性、多面性和模糊性等問(wèn)題提出方法。因此，這些理論對該類(lèi)產(chǎn)品的概念設計不能起到重要作用。在概念設計實(shí)際工作中，機電一體化系統往往會(huì )被劃分為傳感檢測、執行機構、信息控制處理三個(gè)子系統。通過(guò)這三個(gè)子系統的系統分工，各自完成信息檢測、機械運動(dòng)與信息控制的工作，這種分工方式才能真正實(shí)現該系統中各項功能的優(yōu)化和最佳效果的發(fā)揮，并以此獲得機電一體化系統的概念設計合理的相關(guān)方案。
2.2機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新的概念設計方法
對機電一體化產(chǎn)品而言，其概念設計是許多領(lǐng)域內知識、技術(shù)之間的交織融合，具有新穎復雜、反復迭代、目標多解、結構不良等特點(diǎn)。滿(mǎn)足機電一體化產(chǎn)品概念設計的創(chuàng )新，關(guān)鍵在于發(fā)揮設計者的主觀(guān)能動(dòng)性，通過(guò)展現設計智慧，滿(mǎn)足創(chuàng )新性的要求。要實(shí)現這一目標，主要在于實(shí)現人機協(xié)調配合。計算機技術(shù)的飛速進(jìn)步，促使人們對人工智能提出新的期待。但創(chuàng )新產(chǎn)品設計這類(lèi)任務(wù)，主要還得依靠人類(lèi)的智能實(shí)現。機電一體系統也是人機協(xié)同系統，通過(guò)對設計者與計算機的分工，來(lái)達到創(chuàng )新概念設計的目的。機電一體化產(chǎn)品概念設計創(chuàng )新主要方法包括三方面內容。第一，落實(shí)人才戰略，培養專(zhuān)業(yè)性人才�？萍几偁幾罱K都會(huì )落實(shí)在人才競爭上。要實(shí)現機電一體化產(chǎn)品概念設計的創(chuàng )新，人才供應是重要保障。機電一體化技術(shù)專(zhuān)業(yè)人才在制造行業(yè)占據就業(yè)滿(mǎn)意度第三位的好名次，就業(yè)率更是高達100%。因此，加強專(zhuān)業(yè)人才培養更有著(zhù)多方面的積極意義，國家以及機電行業(yè)要在培養、優(yōu)化道路中貢獻出更多力量，從多方面對學(xué)生展開(kāi)培訓工作，以此實(shí)現增強研究者、開(kāi)發(fā)者、設計者以及其他相關(guān)從業(yè)人員素質(zhì)的目的。第二，努力拓寬供應市場(chǎng)，嚴守質(zhì)量關(guān)。市場(chǎng)是檢驗產(chǎn)品的試金石，將機電一體化產(chǎn)品投放到市場(chǎng)中，一方面保障其生命周期能夠實(shí)現，另一方面通過(guò)買(mǎi)方對產(chǎn)品性能體驗所作反饋也對產(chǎn)品研發(fā)起到反作用力的效果，使其優(yōu)點(diǎn)得以保存、延續，缺點(diǎn)得到改良、進(jìn)化，從而不斷促進(jìn)機電一體化產(chǎn)品性能的整體提升。第三，將環(huán)保技術(shù)納入機電一體化的發(fā)展策略中。機械技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、電力技術(shù)等多種技術(shù)的應用，往往會(huì )伴隨著(zhù)電子、機械污染的問(wèn)題。在機電一體化產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)可避免也會(huì )產(chǎn)生一些污染物。因此，設計者在設計研發(fā)過(guò)程中要考慮到環(huán)保問(wèn)題，讓機電一體化產(chǎn)品朝著(zhù)節能環(huán)保的方向發(fā)展，以施行環(huán)保、可持續的發(fā)展策略為其提供方法指引。通過(guò)一些環(huán)保設施和環(huán)�？萍嫉膶�(shí)行，有效遏制資源浪費、污染物增多的問(wèn)題。當實(shí)際運行過(guò)程中出現技術(shù)故障時(shí)，也可以反復利用一些資源，以減少資源、材料的消耗。相關(guān)生產(chǎn)負責人還應主動(dòng)淘汰一些產(chǎn)能落后的設備、產(chǎn)品，以此改變過(guò)去投入高、輸出高的模式，最終實(shí)現發(fā)展的可持續，使人們擁有健康的生存環(huán)境。
2.3機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新的概念設計的發(fā)展展望
機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新的概念設計主要發(fā)展在于理論的進(jìn)步。雖然機電一體化體系中依舊存在許多問(wèn)題需要加強分析、研究，但其發(fā)展總趨勢還是積極向上的。概括有五方面內容：第一，根據被測物理量，建立傳感器特點(diǎn)和類(lèi)型的知識庫；第二，構建與機電一體化產(chǎn)品的概念設計相關(guān)的推理方法庫；第三，將執行機構的實(shí)現運動(dòng)與動(dòng)作進(jìn)行分類(lèi)，構建執行機構庫和驅動(dòng)元件庫，以促進(jìn)驅動(dòng)元件、執行、傳動(dòng)機構和兩者的集成選擇實(shí)行；第四，實(shí)現對該類(lèi)產(chǎn)品概念設計在各個(gè)環(huán)節評價(jià)體系的建立，尤其在概念設計初期中構建對功能原理設計環(huán)節的評價(jià)體系；第五，構建調節和控制信息的資料庫，以促進(jìn)挑選硬件和編制軟件中對機構子系統高效管控的實(shí)現。隨著(zhù)機電技術(shù)與各項科技的快速進(jìn)步以及機電一體化研究的逐步深入，促使機電一體化產(chǎn)品概念設計的理論體系更加豐富，并具有更為強大的實(shí)用功能和操作功能，從而順利實(shí)現對機電一體化產(chǎn)品的創(chuàng )新與研發(fā)。
3結束語(yǔ)
機電一體化產(chǎn)品的研究雖然已經(jīng)取得了較為矚目的成績(jì)，但關(guān)于機電一體化產(chǎn)品設計的研究成果目前依然處于初級階段，仍需要相關(guān)從業(yè)者不斷加強探索、創(chuàng )新，通過(guò)大量細致的實(shí)踐研究工作，促進(jìn)機電一體化產(chǎn)品創(chuàng )新概念設計的完善和成熟，并最終實(shí)現其優(yōu)異的實(shí)用價(jià)值。
作者:王中元 單位:內蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院
參考文獻:
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