面向未來的產品設計

王君

傳統機電設計手段將結構設計與電氣設計分離，在風機控制系統中，傳統設計模式已經不能滿足業務的需要。本文通過企業實際應用與實施，實踐了機電協同設計方式在電控行業的有效性與實用性。

一、引言

風電的控制系統是典型的機電一體化產品。機械結構與電氣兩個領域的設計工作銜接非常緊密，完全分開已變得不可能，兩方之間需要有大量的溝通與協作。在機械結構設計時，很多時候需要考慮電氣布線的空間、電氣元器件的安裝和維護操作空間等實際的問題；與此同時，在電氣設計的時候，也需要考慮機械結構的空間問題。

但是，這兩個本該進行協同設計的環節，卻因為設計專業領域的差別，以及設計軟件的不同，長期處于分離的狀態。嚴重影響了設計效率和設計質量。目前，很多企業只能采用試裝的方法，來確定電氣元件的布局以及相應的線路連接。如果出現機械結構和電氣結構打架的情況，往往還要反過來修改機械結構設計，產品研發周期很長，工程師加班加點，還是很難跟上客戶的交貨需求。與此同時，電氣安裝隨意性強，質量不穩定，過分依賴人的參與，線纜浪費嚴重等問題也很難得到解決。

因此，一個好的電氣設計系統，絕不僅僅是解決畫電氣原理圖的問題，而應該能夠幫助企業建立起電氣機械協同設計平臺，幫助企業提高設計質量。

二、建立機電協同的設計模式

雖然東方電氣自動控制公司在機械、電氣每一領域有了成熟、專業的設計工具，但雙方之間的溝通仍需要手工傳遞大量的數據信息，更無從談起設計信息的實時傳遞。這種使用非集成設計工具的傳統設計流程，為機械結構與電氣之間溝通錯誤和信息傳遞紕漏創造了機會，由此導致各種設計問題，帶來大量設計變更。最終延長了企業的產品交付周期，提高了企業的整體生產成本。

從2015年開始，公司新能源部嘗試使用SolidWorks Electric進行機電一體化設計，通過幾個月的實施，已成功完成了1.5MW直驅風機塔基柜和2.0MW風機變槳軸控柜的機電一體化設計。如圖所示，與常規的柜體3D布局設計不同，該設計不僅完成柜體內元件的3D布局，還完成了柜內幾百根電線及電纜的連接，同時還可以輸出電氣原理圖，線纜連接清單（含線長）和元件清單。經過對部分線纜的實際測試，軟件布線計算的長度與實際布線長度保持較好的一致性。該軟件實現了機和電信息的互聯互通，當你在柜體中任意選中一個元件，即可便捷地查詢出在原理圖中的位置，以及元件的線纜連接信息、型號和主要電氣參數，方便了故障的分析處理。在工程設計實踐中，還發現它將設計人員與生產實際聯系得更加緊密。在元件數據庫的支持下，設計原理圖時，你連的不再是兩個簡單的電氣符號，而是通過選型將兩個“實在的元件”用“導線”連接起來，然后在電氣3D環境下進行布局和布線，最終形成與真實產品一致性較高的“數字樣機”。通過對“數字樣機”的數據提取和應用，可以方便生產單位盡早熟悉新產品，并提前進行相關準備；設計人員可以據此提前編制直觀形象的產品技術文檔，提高設計的效率和質量；也可以將其進一步處理成用戶可以直觀體驗的展示數據?？吹竭@些，讓人想象未來的產品設計面貌。

相比于傳統的2D產品設計，3D設計提供了更加豐富的數據信息，能夠更加直觀形象地傳遞設計者的意圖。傳統設計中，設計人員先是運用投影法將想象的產品進行轉化，并繪制成2D工程圖，然后“圖紙用戶”再通過視圖關系在頭腦里重構出產品的形狀。這對設計者和“圖紙用戶”都提出了較為專業的要求，然而基于3D的設計則大大降低了對“圖形用戶”的要求?？磮D時，不再需要你在頭腦重構產品的3D模型，降低識圖難度，如果再運用虛擬現實技術，你或許還可以感受到產品溫度。

隨著移動智能終端運儲能力的增強和普及，以及高速網絡的應用，直觀化、形象化的圖形文本，動畫有聲文本的優勢將更加明顯。你隨時隨地都可以在智能移動終端上觸摸和體驗你所感興趣的產品。然而這些都依賴于對3D數據的深度開發與應用，對于設計人員而言，就是要在產品設計過程中，創造出3D的“數字樣機”，而且是一個將產品的各類信息（材料、機械、電氣和電子等）與之相鏈接，形成“有聲有色”的生動“數字樣機”，而不是傳統圖是圖、表是表、文檔是文檔的產品信息“分離模式”。

不管是在2D還是在3D設計中都面臨一個同樣的問題，那就是如何減少重復性勞動，讓設計者更專注于產品的創新和功能的優化，提升產品設計的效率和質量。據有關資料顯示，Boeing 777客艙共有8個艙門，雖然每個艙門的結構都不一樣，但是其98%的機械零件都是通用的。如果我們每個艙門都去從頭設計一遍，顯然是不合理，如果能將這些相同的功能部分模塊化，將相同零件標準化，將相似部分參數化，省去大量的重復性的工作，從而提高設計的效率。同時利用成熟的模塊還能提高產品的可靠性和降低生產成本。如果我們的設計工具能夠富有聯想功能，就像現在的漢字拼音輸入法一樣，那么產品設計就不再是當前計算機輔助設計（CAD），而是輔助創新。然而，這一切要依賴于智能化元件庫的建設，讓模塊化、標準化和參數化的元件信息更加的豐富、全面和智能。

對于產品設計者來講除了構造產品外，對產品性能的分析評估是必不可少的環節。當前運用3D數據進行力學仿真可以在設計時看見產品的運動形式，動力學響應特征，熱或物質的輸運模式，乃至未來的失效形式等。如果能將這些分析數據轉化為我們可以感知和體驗的數據形式，那么設計分析就不再是計算機輔助分析（CAE），而是輔助認知。這樣在仿真的過程中，你就不只是“看到”，而是能夠“體驗到”它的力和溫度，“見證到”它的變化。這或許會讓設計者把產品的功能做得更加合理優化，操作更加人性化，讓生產單位能夠據此優化制造工藝方法和流程，提高生產效率和產品質量，也會讓客戶對產品有更加深刻的直觀體驗和認知，引導和觸發其購買愿望。這樣的設計將會讓設計者，與產品的制造者、客戶貼的更近。

三、結論

機電一體化的設計模式對于電控設計而言是必然的選擇，只有在設計過程中讓結構與電氣設計人員進行協同，才能幫助企業提高效率，提升質量。