創新型機電產品的快速設計

唐靜++王斌

摘要：中國是制造大國，需要產品創新和技術創新。產品創新以市場需求為出發點、以技術應用為支撐，開發出的創新型產品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業創造利潤。從設計角度出發，闡述機電產品的設計要求，提出一種創新型機電產品的快速設計方法。以設計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例，具體說明了創新型機電產品的快速設計流程。

關鍵詞：創新；機電產品；快速設計；變形法；組合法

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）09-0039-03

我國是全球制造大國，但是在產品創新和技術創新等方面相對落后。為改變“產品創新能力比較薄弱”的國情，路甬祥院士提出了利用提升創新設計能力作為促進創新驅動發展、建設創新型國家的重要戰略。機電產品廣義上是機械產品、電工與電子產品、機電一體化產品，以及這些產品的零配件、附件等的統稱。如今，機電產品尤其是創新型機電產品給工作和生活帶來了極大方便。

1 機電產品的設計要求

機電產品在設計時要綜合考慮多方面的要求，并將設計要求做進一步的分解（如圖1所示）。分解后的這些要求是相互關聯的，創新型機電產品的設計可以往這些方面思考和延伸。

1） 功能要求。設計機電產品要滿足一定的基本功能，如自動控制功能、休閑娛樂功能等。

2） 用戶需求。機電產品在設計時要盡量人性化，即考慮用戶的情感和心理需求。例如，機電產品的造型要美觀大方、人機交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足，產品使用效率就會提高，錯誤操作的概率也會大大降低[1]。

3） 安全要求。用戶在使用機電產品時難免有錯誤操作，所以機電產品在設計時必須考慮用戶和環境等方面的安全因素，尤其是大型機電產品。例如盡可能提高機電產品的自動化程度，在硬件和軟件系統中都增加容錯設計。

4） 環保需求。設計機電產品時還需要考慮產品在整個壽命周期內對環境的影響，需要進行綠色環保設計。例如，盡可能減小機電產品的質量和體積、降低產品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

5） 成本需求。在滿足產品功能要求的前提下，還需要考慮產品在制造、使用、維護和回收整個壽命周期中的總成本，盡量降低各個環節的成本，從而達到從設計源頭開始控制成本的目的。例如，合理選擇機電產品機械零部件的材料和加工方法、控制電路元器件的類型，以提高產品的回收利用率 [3]。

2 創新型機電產品快速設計的內涵

創新型機電產品的快速設計流程如圖2所示。首先，根據市場需求產生創新想法并匯總具體的設計要求（包括上述功能要求、用戶需求等），然后開始并行設計產品的機械部分和控制部分。

2.1 機械部分

機械部分可以采用“變形法”來快速設計。所謂“變形法”，指的是新產品的結構以現有產品為基礎，在現有產品的主體結構上進行創新或改進，從而實現快速設計的方法。此法尤其適用于中小型機電產品的創新。例如，為解決手機用戶長時間托舉手機勞累的問題，有人設計出“馬桶抽”手機支架，如圖（3a）所示，該手機支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎上應用“變形法”可以設計出“丘比特之箭”手機支架，如圖3（b）所示，該手機支架既包括與“馬桶抽”手機支架主體結構相似的心形支撐件1和支架2，又增加了鑰匙扣環3和角度調節裝置4，且支架2可以收進支撐面1的支架槽內，既能調節手機角度又方便攜帶。機械部分的設計可以應用UG、Solidworks等軟件快速地進行三維造型和二維出圖。

2.2 控制部分

控制部分可以采用“組合法”來快速設計。所謂“組合法”，指的是設計控制電路時，將一些基本的電路模塊（如電源模塊、顯示模塊、接口模塊等）拼搭和完善。設計控制程序時，將一些基本的程序模塊（如延時程序、計數程序等）整合與應用，從而實現快速設計的方法。組合法的應用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

機械部分和控制部分在并行設計結束后，需要及時整理創新型機電產品的設計資料并告知企業，以便產品盡快投入市場、創造價值。

3 快速設計實例

如今，在網吧和飯店等公共場所，仍有部分煙民吞云吐霧，對張貼的靜態禁煙標志視若罔聞。如果公共場安裝動態的禁煙提醒裝置，禁煙效果會更好。創新想法產生后，列出產品的設計要求： 1）動態地顯示“公共場所，請勿吸煙”的文字提醒信息。2）有滅煙和放置煙頭等垃圾的零部件。3）如果檢測出空氣中煙霧濃度超標，可以發出“公共場所，請勿吸煙”的語音提醒信息；如果有吸煙者摁滅香煙，可以發出“謝謝合作！”的語音信息，安撫吸煙者的情緒，滿足用戶需求。設計要求匯總后，可以從機械和控制兩大部分著手，并行地快速設計相應內容。

3.1 控制部分設計

1） 確定控制方案。根據上述設計要求，控制部分主要需要控制器、顯示模塊、語音模塊和輸入信號元件（煙霧濃度傳感器和吸煙者摁滅香煙時觸發的微動開關）。其中，控制器可以選擇單片機、PLC等。從功能要求和成本需求出發，控制器選擇單片機AT89C51。

2） 設計控制電路。根據上述控制方案，并結合機械設計方案，選擇所需的元器件來設計電路。元器件可以選擇性價比高的典型元件，以方便電路模塊和程序模塊的快速組合。本例中，語音模塊選用ISD1700，顯示模塊選用PG12864F，煙霧濃度傳感器選擇MP135，微動開關選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關。控制電路的設計可以在Proteus、Protel等軟件中應用組合法拼搭電源模塊、液晶顯示模塊、語音模塊和接口模塊來快速設計。

3） 程序設計與調試。根據控制要求，程序設計流程如圖4所示。

程序設計時，可以在編程軟件中整合漢字顯示、語音播報、延時控制等函數的程序模塊，最后通過主函數調用。最后，將利用組合法快速設計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調試。在Proteus軟件中，將目標代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機中，該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結果如圖5所示。

3.2 機械部分設計

1） 確定機械設計方案。機械部分設計時，除了滿足各項設計要求，同樣需要考慮控制部分的設計方案。例如，顯示模塊、語音模塊及控制電路板的放置位置等。該禁煙裝置的機械部分要能夠放置上述顯示模塊和語音模塊，并且能夠滅煙、放置煙頭等垃圾。機械部分設計時主要考慮上述兩部分內容。

2） 三維造型。在現有的查詢機的結構基礎上，通過變形法可以快速設計出如圖6所示的禁煙裝置機械結構圖。其中，顯示模塊1和語音模塊2安裝在上端的方形殼體中，殼體通過支架5支撐，滅煙盒3放在支架5的凸臺上，垃圾桶4掛在支架5的掛鉤上。當吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時，將觸發滅煙盒下方的復位彈簧35和微動開關。

3） 二維出圖。完成三維造型后，應用CAD軟件可以快速生成相關聯的二維圖紙，注意尺寸和公差的標注。

完成機械部分和控制部分的設計后，整理相關資料。機械部分的資料主要包括總裝配圖和各個零件圖，控制部分的資料主要包括單片機控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細表。

4 結語

創新型機電產品需要縮短設計周期，盡快投放市場。“變形法”借鑒現有產品的結構，可以實現創新型機電產品機械部分的快速設計。使用“變形法”時，設計者可以根據設計要求和設計經驗創新或改良現有產品以滿足各項要求。“組合法”基于基本的電路和程序模塊，可以實現創新型機電產品控制部分的快速設計。使用“組合法”時，電路模塊的拼搭和程序模塊的整合，需要進一步組合與完善，確保控制部分的設計正確。上述禁煙裝置的設計中，“變形法”和“組合法”都得到了很好的應用。設計其他創新型機電產品時，可以借鑒這些方法來達到快速設計的目的。

摘要：中國是制造大國，需要產品創新和技術創新。產品創新以市場需求為出發點、以技術應用為支撐，開發出的創新型產品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業創造利潤。從設計角度出發，闡述機電產品的設計要求，提出一種創新型機電產品的快速設計方法。以設計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例，具體說明了創新型機電產品的快速設計流程。

關鍵詞：創新；機電產品；快速設計；變形法；組合法

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）09-0039-03

我國是全球制造大國，但是在產品創新和技術創新等方面相對落后。為改變“產品創新能力比較薄弱”的國情，路甬祥院士提出了利用提升創新設計能力作為促進創新驅動發展、建設創新型國家的重要戰略。機電產品廣義上是機械產品、電工與電子產品、機電一體化產品，以及這些產品的零配件、附件等的統稱。如今，機電產品尤其是創新型機電產品給工作和生活帶來了極大方便。

1 機電產品的設計要求

機電產品在設計時要綜合考慮多方面的要求，并將設計要求做進一步的分解（如圖1所示）。分解后的這些要求是相互關聯的，創新型機電產品的設計可以往這些方面思考和延伸。

1） 功能要求。設計機電產品要滿足一定的基本功能，如自動控制功能、休閑娛樂功能等。

2） 用戶需求。機電產品在設計時要盡量人性化，即考慮用戶的情感和心理需求。例如，機電產品的造型要美觀大方、人機交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足，產品使用效率就會提高，錯誤操作的概率也會大大降低[1]。

3） 安全要求。用戶在使用機電產品時難免有錯誤操作，所以機電產品在設計時必須考慮用戶和環境等方面的安全因素，尤其是大型機電產品。例如盡可能提高機電產品的自動化程度，在硬件和軟件系統中都增加容錯設計。

4） 環保需求。設計機電產品時還需要考慮產品在整個壽命周期內對環境的影響，需要進行綠色環保設計。例如，盡可能減小機電產品的質量和體積、降低產品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

5） 成本需求。在滿足產品功能要求的前提下，還需要考慮產品在制造、使用、維護和回收整個壽命周期中的總成本，盡量降低各個環節的成本，從而達到從設計源頭開始控制成本的目的。例如，合理選擇機電產品機械零部件的材料和加工方法、控制電路元器件的類型，以提高產品的回收利用率 [3]。

2 創新型機電產品快速設計的內涵

創新型機電產品的快速設計流程如圖2所示。首先，根據市場需求產生創新想法并匯總具體的設計要求（包括上述功能要求、用戶需求等），然后開始并行設計產品的機械部分和控制部分。

2.1 機械部分

機械部分可以采用“變形法”來快速設計。所謂“變形法”，指的是新產品的結構以現有產品為基礎，在現有產品的主體結構上進行創新或改進，從而實現快速設計的方法。此法尤其適用于中小型機電產品的創新。例如，為解決手機用戶長時間托舉手機勞累的問題，有人設計出“馬桶抽”手機支架，如圖（3a）所示，該手機支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎上應用“變形法”可以設計出“丘比特之箭”手機支架，如圖3（b）所示，該手機支架既包括與“馬桶抽”手機支架主體結構相似的心形支撐件1和支架2，又增加了鑰匙扣環3和角度調節裝置4，且支架2可以收進支撐面1的支架槽內，既能調節手機角度又方便攜帶。機械部分的設計可以應用UG、Solidworks等軟件快速地進行三維造型和二維出圖。

2.2 控制部分

控制部分可以采用“組合法”來快速設計。所謂“組合法”，指的是設計控制電路時，將一些基本的電路模塊（如電源模塊、顯示模塊、接口模塊等）拼搭和完善。設計控制程序時，將一些基本的程序模塊（如延時程序、計數程序等）整合與應用，從而實現快速設計的方法。組合法的應用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

機械部分和控制部分在并行設計結束后，需要及時整理創新型機電產品的設計資料并告知企業，以便產品盡快投入市場、創造價值。

3 快速設計實例

如今，在網吧和飯店等公共場所，仍有部分煙民吞云吐霧，對張貼的靜態禁煙標志視若罔聞。如果公共場安裝動態的禁煙提醒裝置，禁煙效果會更好。創新想法產生后，列出產品的設計要求： 1）動態地顯示“公共場所，請勿吸煙”的文字提醒信息。2）有滅煙和放置煙頭等垃圾的零部件。3）如果檢測出空氣中煙霧濃度超標，可以發出“公共場所，請勿吸煙”的語音提醒信息；如果有吸煙者摁滅香煙，可以發出“謝謝合作！”的語音信息，安撫吸煙者的情緒，滿足用戶需求。設計要求匯總后，可以從機械和控制兩大部分著手，并行地快速設計相應內容。

3.1 控制部分設計

1） 確定控制方案。根據上述設計要求，控制部分主要需要控制器、顯示模塊、語音模塊和輸入信號元件（煙霧濃度傳感器和吸煙者摁滅香煙時觸發的微動開關）。其中，控制器可以選擇單片機、PLC等。從功能要求和成本需求出發，控制器選擇單片機AT89C51。

2） 設計控制電路。根據上述控制方案，并結合機械設計方案，選擇所需的元器件來設計電路。元器件可以選擇性價比高的典型元件，以方便電路模塊和程序模塊的快速組合。本例中，語音模塊選用ISD1700，顯示模塊選用PG12864F，煙霧濃度傳感器選擇MP135，微動開關選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關。控制電路的設計可以在Proteus、Protel等軟件中應用組合法拼搭電源模塊、液晶顯示模塊、語音模塊和接口模塊來快速設計。

3） 程序設計與調試。根據控制要求，程序設計流程如圖4所示。

程序設計時，可以在編程軟件中整合漢字顯示、語音播報、延時控制等函數的程序模塊，最后通過主函數調用。最后，將利用組合法快速設計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調試。在Proteus軟件中，將目標代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機中，該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結果如圖5所示。

3.2 機械部分設計

1） 確定機械設計方案。機械部分設計時，除了滿足各項設計要求，同樣需要考慮控制部分的設計方案。例如，顯示模塊、語音模塊及控制電路板的放置位置等。該禁煙裝置的機械部分要能夠放置上述顯示模塊和語音模塊，并且能夠滅煙、放置煙頭等垃圾。機械部分設計時主要考慮上述兩部分內容。

2） 三維造型。在現有的查詢機的結構基礎上，通過變形法可以快速設計出如圖6所示的禁煙裝置機械結構圖。其中，顯示模塊1和語音模塊2安裝在上端的方形殼體中，殼體通過支架5支撐，滅煙盒3放在支架5的凸臺上，垃圾桶4掛在支架5的掛鉤上。當吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時，將觸發滅煙盒下方的復位彈簧35和微動開關。

3） 二維出圖。完成三維造型后，應用CAD軟件可以快速生成相關聯的二維圖紙，注意尺寸和公差的標注。

完成機械部分和控制部分的設計后，整理相關資料。機械部分的資料主要包括總裝配圖和各個零件圖，控制部分的資料主要包括單片機控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細表。

4 結語

創新型機電產品需要縮短設計周期，盡快投放市場。“變形法”借鑒現有產品的結構，可以實現創新型機電產品機械部分的快速設計。使用“變形法”時，設計者可以根據設計要求和設計經驗創新或改良現有產品以滿足各項要求。“組合法”基于基本的電路和程序模塊，可以實現創新型機電產品控制部分的快速設計。使用“組合法”時，電路模塊的拼搭和程序模塊的整合，需要進一步組合與完善，確保控制部分的設計正確。上述禁煙裝置的設計中，“變形法”和“組合法”都得到了很好的應用。設計其他創新型機電產品時，可以借鑒這些方法來達到快速設計的目的。

摘要：中國是制造大國，需要產品創新和技術創新。產品創新以市場需求為出發點、以技術應用為支撐，開發出的創新型產品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業創造利潤。從設計角度出發，闡述機電產品的設計要求，提出一種創新型機電產品的快速設計方法。以設計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例，具體說明了創新型機電產品的快速設計流程。

關鍵詞：創新；機電產品；快速設計；變形法；組合法

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）09-0039-03

我國是全球制造大國，但是在產品創新和技術創新等方面相對落后。為改變“產品創新能力比較薄弱”的國情，路甬祥院士提出了利用提升創新設計能力作為促進創新驅動發展、建設創新型國家的重要戰略。機電產品廣義上是機械產品、電工與電子產品、機電一體化產品，以及這些產品的零配件、附件等的統稱。如今，機電產品尤其是創新型機電產品給工作和生活帶來了極大方便。

1 機電產品的設計要求

機電產品在設計時要綜合考慮多方面的要求，并將設計要求做進一步的分解（如圖1所示）。分解后的這些要求是相互關聯的，創新型機電產品的設計可以往這些方面思考和延伸。

1） 功能要求。設計機電產品要滿足一定的基本功能，如自動控制功能、休閑娛樂功能等。

2） 用戶需求。機電產品在設計時要盡量人性化，即考慮用戶的情感和心理需求。例如，機電產品的造型要美觀大方、人機交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足，產品使用效率就會提高，錯誤操作的概率也會大大降低[1]。

3） 安全要求。用戶在使用機電產品時難免有錯誤操作，所以機電產品在設計時必須考慮用戶和環境等方面的安全因素，尤其是大型機電產品。例如盡可能提高機電產品的自動化程度，在硬件和軟件系統中都增加容錯設計。

4） 環保需求。設計機電產品時還需要考慮產品在整個壽命周期內對環境的影響，需要進行綠色環保設計。例如，盡可能減小機電產品的質量和體積、降低產品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

5） 成本需求。在滿足產品功能要求的前提下，還需要考慮產品在制造、使用、維護和回收整個壽命周期中的總成本，盡量降低各個環節的成本，從而達到從設計源頭開始控制成本的目的。例如，合理選擇機電產品機械零部件的材料和加工方法、控制電路元器件的類型，以提高產品的回收利用率 [3]。

2 創新型機電產品快速設計的內涵

創新型機電產品的快速設計流程如圖2所示。首先，根據市場需求產生創新想法并匯總具體的設計要求（包括上述功能要求、用戶需求等），然后開始并行設計產品的機械部分和控制部分。

2.1 機械部分

機械部分可以采用“變形法”來快速設計。所謂“變形法”，指的是新產品的結構以現有產品為基礎，在現有產品的主體結構上進行創新或改進，從而實現快速設計的方法。此法尤其適用于中小型機電產品的創新。例如，為解決手機用戶長時間托舉手機勞累的問題，有人設計出“馬桶抽”手機支架，如圖（3a）所示，該手機支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎上應用“變形法”可以設計出“丘比特之箭”手機支架，如圖3（b）所示，該手機支架既包括與“馬桶抽”手機支架主體結構相似的心形支撐件1和支架2，又增加了鑰匙扣環3和角度調節裝置4，且支架2可以收進支撐面1的支架槽內，既能調節手機角度又方便攜帶。機械部分的設計可以應用UG、Solidworks等軟件快速地進行三維造型和二維出圖。

2.2 控制部分

控制部分可以采用“組合法”來快速設計。所謂“組合法”，指的是設計控制電路時，將一些基本的電路模塊（如電源模塊、顯示模塊、接口模塊等）拼搭和完善。設計控制程序時，將一些基本的程序模塊（如延時程序、計數程序等）整合與應用，從而實現快速設計的方法。組合法的應用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

機械部分和控制部分在并行設計結束后，需要及時整理創新型機電產品的設計資料并告知企業，以便產品盡快投入市場、創造價值。

3 快速設計實例

如今，在網吧和飯店等公共場所，仍有部分煙民吞云吐霧，對張貼的靜態禁煙標志視若罔聞。如果公共場安裝動態的禁煙提醒裝置，禁煙效果會更好。創新想法產生后，列出產品的設計要求： 1）動態地顯示“公共場所，請勿吸煙”的文字提醒信息。2）有滅煙和放置煙頭等垃圾的零部件。3）如果檢測出空氣中煙霧濃度超標，可以發出“公共場所，請勿吸煙”的語音提醒信息；如果有吸煙者摁滅香煙，可以發出“謝謝合作！”的語音信息，安撫吸煙者的情緒，滿足用戶需求。設計要求匯總后，可以從機械和控制兩大部分著手，并行地快速設計相應內容。

3.1 控制部分設計

1） 確定控制方案。根據上述設計要求，控制部分主要需要控制器、顯示模塊、語音模塊和輸入信號元件（煙霧濃度傳感器和吸煙者摁滅香煙時觸發的微動開關）。其中，控制器可以選擇單片機、PLC等。從功能要求和成本需求出發，控制器選擇單片機AT89C51。

2） 設計控制電路。根據上述控制方案，并結合機械設計方案，選擇所需的元器件來設計電路。元器件可以選擇性價比高的典型元件，以方便電路模塊和程序模塊的快速組合。本例中，語音模塊選用ISD1700，顯示模塊選用PG12864F，煙霧濃度傳感器選擇MP135，微動開關選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關。控制電路的設計可以在Proteus、Protel等軟件中應用組合法拼搭電源模塊、液晶顯示模塊、語音模塊和接口模塊來快速設計。

3） 程序設計與調試。根據控制要求，程序設計流程如圖4所示。

程序設計時，可以在編程軟件中整合漢字顯示、語音播報、延時控制等函數的程序模塊，最后通過主函數調用。最后，將利用組合法快速設計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調試。在Proteus軟件中，將目標代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機中，該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結果如圖5所示。

3.2 機械部分設計

1） 確定機械設計方案。機械部分設計時，除了滿足各項設計要求，同樣需要考慮控制部分的設計方案。例如，顯示模塊、語音模塊及控制電路板的放置位置等。該禁煙裝置的機械部分要能夠放置上述顯示模塊和語音模塊，并且能夠滅煙、放置煙頭等垃圾。機械部分設計時主要考慮上述兩部分內容。

2） 三維造型。在現有的查詢機的結構基礎上，通過變形法可以快速設計出如圖6所示的禁煙裝置機械結構圖。其中，顯示模塊1和語音模塊2安裝在上端的方形殼體中，殼體通過支架5支撐，滅煙盒3放在支架5的凸臺上，垃圾桶4掛在支架5的掛鉤上。當吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時，將觸發滅煙盒下方的復位彈簧35和微動開關。

3） 二維出圖。完成三維造型后，應用CAD軟件可以快速生成相關聯的二維圖紙，注意尺寸和公差的標注。

完成機械部分和控制部分的設計后，整理相關資料。機械部分的資料主要包括總裝配圖和各個零件圖，控制部分的資料主要包括單片機控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細表。

4 結語

創新型機電產品需要縮短設計周期，盡快投放市場。“變形法”借鑒現有產品的結構，可以實現創新型機電產品機械部分的快速設計。使用“變形法”時，設計者可以根據設計要求和設計經驗創新或改良現有產品以滿足各項要求。“組合法”基于基本的電路和程序模塊，可以實現創新型機電產品控制部分的快速設計。使用“組合法”時，電路模塊的拼搭和程序模塊的整合，需要進一步組合與完善，確保控制部分的設計正確。上述禁煙裝置的設計中，“變形法”和“組合法”都得到了很好的應用。設計其他創新型機電產品時，可以借鑒這些方法來達到快速設計的目的。