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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行分析，以期為廣大同行提供參考。
關鍵詞：機電一體化;產(chǎn)品創(chuàng)新;概念設計
機電一體化產(chǎn)品的概念設計有著極其豐富的內(nèi)容，同時也是產(chǎn)品在整個生產(chǎn)過程內(nèi)最具創(chuàng)造性的階段。其中，包含的原理與方法論對相關產(chǎn)品研發(fā)者起到關鍵的引導效用。因此，對機電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新性概念設計進行探索，具有十分重要的現(xiàn)實意義。
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(nèi)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(tǒng)與構件、基本元內(nèi)容的集合，而機電一體化產(chǎn)品概念設計的含義則是依據(jù)產(chǎn)品使用周期中各個環(huán)節(jié)所需要求對產(chǎn)品實施功能改造、分析和子功能開發(fā)，進而實現(xiàn)其滿足功能結(jié)構要求的系統(tǒng)化設計活動。這種設計工作的過程包括前期規(guī)劃、設計概念以及對計劃進行詳細化和豐富化，并加以改進補充。機電一體化產(chǎn)品概念設計過程中的程式化內(nèi)容可以通過計算機技術代為實現(xiàn)，但除此之外難以被程式化的方面還需產(chǎn)品設計人員通過人工設計逐步完成。通過構建人機協(xié)同的概念設計理念，對其功能與組織開發(fā)的過程按照模塊化思想進行劃分，以此實現(xiàn)這一設計工作的層次性、協(xié)調(diào)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(diào)控系統(tǒng)的設計。機電一體化的理念自1971年被提出以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，內(nèi)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、互聯(lián)網(wǎng)信息技術、傳感技術、AI技術、微電子技術、新材料技術、集成技術以及其他相關技術的進步，都為機電一體化產(chǎn)品的革新打下了技術根基，使得機電一體化產(chǎn)品朝著更優(yōu)質(zhì)、更高效的方向邁進。
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重要作用，其既是產(chǎn)品品質(zhì)的深層內(nèi)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的意義。簡要概括，主要包括以下三方面內(nèi)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科互相交叉、集成融合的特點，本身具有著復雜內(nèi)涵。因此，現(xiàn)今許多的機械產(chǎn)品的設計并不適應機電一體化技術本身的特色，難以做到根據(jù)機電一體化技術特征隨之作出應對。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中乃至整個世界越來越多的關注與認同，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，進一步促進了機電一體化技術體系的建立和機電一體化技術的完善。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)量的提高起到切實的幫助作用。許多機電一體化產(chǎn)品都帶有自動處理、調(diào)節(jié)的功效，通過這些能力的實現(xiàn)，能夠保證工作質(zhì)量與效率的穩(wěn)步提升。例如，在數(shù)控機床的使用過程中，其生產(chǎn)效率要高出普通基礎5～6倍，并能夠?qū)崿F(xiàn)機床數(shù)量減少50%，節(jié)省50%操作人員的效能，生產(chǎn)周期也能縮短40%，進而使得生產(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(tǒng)原理
機電一體化系統(tǒng)是該類產(chǎn)品中最為重要的基礎。就其本質(zhì)來說。它算是一種復雜機械，但與普通的機械相比還有著顯著區(qū)分。機電一體化體系是通過在機構的動力功效、信息功效、控制功效以及主功能方面引入先進的電子技術，并使之與軟件相互聯(lián)合形成的一類新型機械系統(tǒng)。就其功能來說，機電一體化系統(tǒng)包含機械力、能量流、運動力等多種動力學有關的特殊機械，以及一些機電部件互相關聯(lián)的系統(tǒng)。其中，機電一體化系統(tǒng)的核心又在于集成協(xié)調(diào)各種技術，通過對機械工程、控制系統(tǒng)、計算機技術、電子技術、電工技術等多項技術的聯(lián)合利用，實現(xiàn)其運動行為可控的目標，而不僅簡單對各項技術進行拼湊堆積。這也是利用計算機的調(diào)節(jié)和處理能力，實現(xiàn)驅(qū)動元件可控特征的現(xiàn)代化機械系統(tǒng)。有關機電系統(tǒng)化原理的研究主要包含三方面內(nèi)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)品是由動力功能、控制功能、構造功能、操作功能和傳感檢測五個功能模塊組成的。第三，兩個子系統(tǒng)理論。研究人員認為，機電一體化系統(tǒng)是由控制系統(tǒng)和物理系統(tǒng)兩項分支系統(tǒng)共同組成的。以上三種理論的提出具有重要意義，但同時也有著較大的局限性。三者立足于控制和電力兩部分，但沒有對機械主體加以強調(diào)，也并未對處理好機電一體化系統(tǒng)的概念設計中出現(xiàn)的復雜性、多面性和模糊性等問題提出方法。因此，這些理論對該類產(chǎn)品的概念設計不能起到重要作用。在概念設計實際工作中，機電一體化系統(tǒng)往往會被劃分為傳感檢測、執(zhí)行機構、信息控制處理三個子系統(tǒng)。通過這三個子系統(tǒng)的系統(tǒng)分工，各自完成信息檢測、機械運動與信息控制的工作，這種分工方式才能真正實現(xiàn)該系統(tǒng)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(tǒng)的概念設計合理的相關方案。
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域內(nèi)知識、技術之間的交織融合，具有新穎復雜、反復迭代、目標多解、結(jié)構不良等特點。滿足機電一體化產(chǎn)品概念設計的創(chuàng)新，關鍵在于發(fā)揮設計者的主觀能動性，通過展現(xiàn)設計智慧，滿足創(chuàng)新性的要求。要實現(xiàn)這一目標，主要在于實現(xiàn)人機協(xié)調(diào)配合。計算機技術的飛速進步，促使人們對人工智能提出新的期待。但創(chuàng)新產(chǎn)品設計這類任務，主要還得依靠人類的智能實現(xiàn)。機電一體系統(tǒng)也是人機協(xié)同系統(tǒng)，通過對設計者與計算機的分工，來達到創(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(nèi)容。第一，落實人才戰(zhàn)略，培養(yǎng)專業(yè)性人才�？萍几偁幾罱K都會落實在人才競爭上。要實現(xiàn)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。機電一體化技術專業(yè)人才在制造行業(yè)占據(jù)就業(yè)滿意度第三位的好名次，就業(yè)率更是高達100%。因此，加強專業(yè)人才培養(yǎng)更有著多方面的積極意義，國家以及機電行業(yè)要在培養(yǎng)、優(yōu)化道路中貢獻出更多力量，從多方面對學生展開培訓工作，以此實現(xiàn)增強研究者、開發(fā)者、設計者以及其他相關從業(yè)人員素質(zhì)的目的。第二，努力拓寬供應市場，嚴守質(zhì)量關。市場是檢驗產(chǎn)品的試金石，將機電一體化產(chǎn)品投放到市場中，一方面保障其生命周期能夠?qū)崿F(xiàn)，另一方面通過買方對產(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)點得以保存、延續(xù)，缺點得到改良、進化，從而不斷促進機電一體化產(chǎn)品性能的整體提升。第三，將環(huán)保技術納入機電一體化的發(fā)展策略中。機械技術、計算機技術、電子技術、電力技術等多種技術的應用，往往會伴隨著電子、機械污染的問題。在機電一體化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，無可避免也會產(chǎn)生一些污染物。因此，設計者在設計研發(fā)過程中要考慮到環(huán)保問題，讓機電一體化產(chǎn)品朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，以施行環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展策略為其提供方法指引。通過一些環(huán)保設施和環(huán)�？萍嫉膶嵭�，有效遏制資源浪費、污染物增多的問題。當實際運行過程中出現(xiàn)技術故障時，也可以反復利用一些資源，以減少資源、材料的消耗。相關生產(chǎn)負責人還應主動淘汰一些產(chǎn)能落后的設備、產(chǎn)品，以此改變過去投入高、輸出高的模式，最終實現(xiàn)發(fā)展的可持續(xù)，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)展在于理論的進步。雖然機電一體化體系中依舊存在許多問題需要加強分析、研究，但其發(fā)展總趨勢還是積極向上的。概括有五方面內(nèi)容：第一，根據(jù)被測物理量，建立傳感器特點和類型的知識庫；第二，構建與機電一體化產(chǎn)品的概念設計相關的推理方法庫；第三，將執(zhí)行機構的實現(xiàn)運動與動作進行分類，構建執(zhí)行機構庫和驅(qū)動元件庫，以促進驅(qū)動元件、執(zhí)行、傳動機構和兩者的集成選擇實行；第四，實現(xiàn)對該類產(chǎn)品概念設計在各個環(huán)節(jié)評價體系的建立，尤其在概念設計初期中構建對功能原理設計環(huán)節(jié)的評價體系；第五，構建調(diào)節(jié)和控制信息的資料庫，以促進挑選硬件和編制軟件中對機構子系統(tǒng)高效管控的實現(xiàn)。隨著機電技術與各項科技的快速進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用功能和操作功能，從而順利實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的創(chuàng)新與研發(fā)。
3結(jié)束語
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，但關于機電一體化產(chǎn)品設計的研究成果目前依然處于初級階段，仍需要相關從業(yè)者不斷加強探索、創(chuàng)新，通過大量細致的實踐研究工作，促進機電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新概念設計的完善和成熟，并最終實現(xiàn)其優(yōu)異的實用價值。
作者:王中元 單位:內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術學院
參考文獻:
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