機(jī)電類產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)技術(shù)過程及未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

高源

摘要：隨著我國(guó)科學(xué)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品是競(jìng)爭(zhēng)的核心要素，是企業(yè)發(fā)展和賴以生存的技術(shù)載體。機(jī)電類的產(chǎn)品不斷的推動(dòng)這社會(huì)的進(jìn)步，滿足人們多樣的需求。機(jī)電類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是企業(yè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員通過技術(shù)整合完成的滿足功能需要的腦力勞動(dòng)，將機(jī)械、電氣、通信、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)體。目前微電子單片機(jī)及功能芯片的快速發(fā)展，以及未來的人工智能，都會(huì)賦予機(jī)電類產(chǎn)品新的設(shè)計(jì)理念。總之不斷涌現(xiàn)的機(jī)電產(chǎn)品會(huì)為我們提供更加多元的服務(wù)。可以預(yù)見，在不久的將來，帶人工智能及自動(dòng)化領(lǐng)域的機(jī)電產(chǎn)品會(huì)更多的服務(wù)于工業(yè)和農(nóng)業(yè)，從而將人們從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來。

關(guān)鍵詞：全生命周期;機(jī)電類產(chǎn)品;設(shè)計(jì);自動(dòng)化;人工智能;農(nóng)業(yè)

前言

機(jī)電類產(chǎn)品包含的種內(nèi)有很多，涉及行業(yè)的方方面面，比如機(jī)械類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，電氣類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，自動(dòng)化類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，無線電通信類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，醫(yī)療器械類產(chǎn)品設(shè)計(jì)，消費(fèi)類電子類產(chǎn)品等等。以上的產(chǎn)品并不是某一單一功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而是綜合各種不同的種類產(chǎn)品的組合，以一種體現(xiàn)主要服務(wù)功能為主的產(chǎn)品。比如一臺(tái)桌面級(jí)3D打印機(jī)的產(chǎn)品，就結(jié)合了機(jī)械、電氣、電子、通信等諸多產(chǎn)品的功能于一體。再比如一臺(tái)醫(yī)療機(jī)械領(lǐng)域的X光機(jī)或呼吸器同樣結(jié)合機(jī)械、電氣、電子、通信等諸多產(chǎn)品的功能于一體，但是它的主要服務(wù)功能是X射線透視功能或者肺部呼吸功能，其它的機(jī)械功能，電氣功能，通信功能都是為實(shí)現(xiàn)主要功能而存在的，所以每種的功能都是比不可少的。

一、機(jī)電類產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)技術(shù)

（一）產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的開發(fā)階段的任務(wù)

一款好的機(jī)電類產(chǎn)品一定是經(jīng)過各個(gè)功能要素綜合考慮的結(jié)果，它主要根據(jù)機(jī)電產(chǎn)品的復(fù)雜程度和客戶提的額外要求來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。

企業(yè)進(jìn)行一項(xiàng)產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)，項(xiàng)目經(jīng)理會(huì)進(jìn)行一系列的市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合客戶需求，市場(chǎng)分析、法律法規(guī)的合規(guī)性審查，標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)等一系列前期工作，之后撰寫產(chǎn)品項(xiàng)目可行性研究，風(fēng)險(xiǎn)分析。為企業(yè)開發(fā)和管理團(tuán)隊(duì)提供決策的依據(jù)。當(dāng)所有前期分析工作準(zhǔn)備妥當(dāng)之后，開始項(xiàng)目的立項(xiàng)工作，并進(jìn)行項(xiàng)目的概算。立項(xiàng)還有一個(gè)重要任務(wù)就是對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)人員需求計(jì)算和方向上的任務(wù)分解。下一個(gè)接著的環(huán)節(jié)是進(jìn)行產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)景分析。方案設(shè)計(jì)的目的是對(duì)產(chǎn)品做初步的可視化設(shè)計(jì)，為后面產(chǎn)品研發(fā)做預(yù)演。為企業(yè)開發(fā)和管理團(tuán)隊(duì)提供戰(zhàn)略上的部署。方案設(shè)計(jì)是模擬，需要產(chǎn)品經(jīng)理對(duì)產(chǎn)品做3D模型演示并提供必要的文字說明。方案設(shè)計(jì)可能有幾個(gè)皆可行的方案，需要企業(yè)企業(yè)開發(fā)和管理團(tuán)隊(duì)確定最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。方案的唯一性確定之后進(jìn)入項(xiàng)目的任務(wù)分解。將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)團(tuán)隊(duì)人員實(shí)際情況進(jìn)行分解，配備相應(yīng)的到人員。項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)的分解還有一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)是項(xiàng)目預(yù)算。項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)的分解當(dāng)產(chǎn)品任務(wù)分解到人員后，即可開始產(chǎn)品的實(shí)質(zhì)開發(fā)階段。開發(fā)人員會(huì)依據(jù)相應(yīng)的任務(wù)進(jìn)行細(xì)化的設(shè)計(jì)，安排合理的機(jī)電類產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期產(chǎn)品，在預(yù)估的時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成整機(jī)的研發(fā)工作。接著進(jìn)入調(diào)試和實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)目標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)做驗(yàn)證，各項(xiàng)功能調(diào)試后進(jìn)行整機(jī)的聯(lián)調(diào)和試運(yùn)行，最后所有功能確認(rèn)無誤后，項(xiàng)目組進(jìn)行內(nèi)部驗(yàn)收。驗(yàn)收合格后企業(yè)開發(fā)和管理團(tuán)隊(duì)做最后驗(yàn)收。至此產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的開發(fā)階段的任務(wù)完成。

（二）產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的批量生產(chǎn)階段任務(wù)。

在這個(gè)階段，主要是對(duì)研發(fā)后的產(chǎn)品進(jìn)行批量生產(chǎn)，希望能夠達(dá)到預(yù)計(jì)市場(chǎng)效果。這個(gè)階段對(duì)研發(fā)出的產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)械零部件、電氣功能的電路板組件、通信功能電路板組件等進(jìn)行批量組裝生產(chǎn)和調(diào)試。該階段是對(duì)研發(fā)階段的樣機(jī)做批量裝配生產(chǎn)一致性的驗(yàn)證。該階段需要完成整機(jī)的BOM文件資料整理，產(chǎn)品的作業(yè)指導(dǎo)書整理，產(chǎn)品說明書、軟件操作說明書、并完成輸出，從而指導(dǎo)生產(chǎn)人員裝配和調(diào)試。

在這個(gè)階段，需要研發(fā)產(chǎn)品的人員對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題做處妥善的處理并總結(jié)。生產(chǎn)的管理人員對(duì)生產(chǎn)的工時(shí)、機(jī)器使用工時(shí)、材料價(jià)格做出正確計(jì)算，并形成工作臺(tái)賬。有條件的企業(yè)會(huì)使用企業(yè)ERP系統(tǒng)對(duì)原材料做出相應(yīng)的生產(chǎn)管理。

（三）產(chǎn)品全生命周期內(nèi)售后階段。

產(chǎn)品從包裝發(fā)貨和用戶使用，這一階段需要定期跟蹤產(chǎn)品的使用情況，并對(duì)用戶進(jìn)行回訪記錄相關(guān)問題。為產(chǎn)品迭代優(yōu)化提供依據(jù)。

綜上所述：一款機(jī)電類的產(chǎn)品的全生命周期是經(jīng)過一系列過程：從產(chǎn)品調(diào)研、立項(xiàng)、研發(fā)、生產(chǎn)、市場(chǎng)銷售直至報(bào)廢的整個(gè)時(shí)間過程。是產(chǎn)品從無到有，從有到優(yōu)的過程。

（四）以一款斷路器的自動(dòng)重合閘為例做產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)技術(shù)的簡(jiǎn)要敘述。

4.1 功能描述：目前市場(chǎng)上存在許多不同廠家的斷路器，有三相三線制（3P）、三相四線制（4P）、單向的斷路器（1P）。當(dāng)用戶在使用過程中，會(huì)出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。這樣就出現(xiàn)了斷電情況，需要人去合上斷開的斷路器。為了能夠取代人的操作。在斷路器跳閘后，自動(dòng)重合閘檢測(cè)到斷路器斷開后，自動(dòng)將斷開的斷路器合上。

4.2 自動(dòng)重合閘產(chǎn)品的全生命周期中前期準(zhǔn)備階段和開發(fā)階段的設(shè)計(jì)過程如表1

4.3 自動(dòng)重合閘全生命周期中前期準(zhǔn)備階段和開發(fā)階段的設(shè)計(jì)過簡(jiǎn)要描述：

當(dāng)前期準(zhǔn)備工作：市場(chǎng)調(diào)研、可行性分析、合規(guī)審查、風(fēng)險(xiǎn)分析之后確認(rèn)產(chǎn)品立項(xiàng)，開始項(xiàng)目任務(wù)分解。該項(xiàng)目進(jìn)行項(xiàng)目任務(wù)分解為2大塊：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品研發(fā)啟動(dòng)后進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，方案設(shè)計(jì)主要是確保自動(dòng)重合閘能夠和斷路器緊密配合，能夠裝配在斷路器的導(dǎo)軌上，外觀和斷路器協(xié)調(diào)一致，不產(chǎn)生突兀感覺。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)：

（一）確定不同廠家斷路器的合閘扭矩，找出最小合閘扭矩和最大最大合閘扭矩。確定扭矩范圍。根據(jù)最大扭矩確定自動(dòng)重合閘輸出扭矩。

（二）按照方案設(shè)計(jì)的要求，主要是布局和體積大小進(jìn)行機(jī)

械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。傳動(dòng)設(shè)計(jì)是選擇齒輪傳動(dòng)，材料POM。綜合考慮電機(jī)的選擇，可以選擇直流電機(jī)或交流電機(jī)。選擇電機(jī)時(shí)要考慮電機(jī)的大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，結(jié)合確定的自動(dòng)重合閘輸出扭矩，確定機(jī)械傳動(dòng)的減速比，機(jī)械傳動(dòng)比會(huì)對(duì)扭矩進(jìn)行放大和縮小。這就需要綜合考慮。機(jī)械功率的計(jì)算P=FV。根據(jù)自動(dòng)重合閘輸出扭矩和機(jī)械傳動(dòng)的減速比，推出電機(jī)的輸出功率。

1、當(dāng)電機(jī)、減速傳動(dòng)比裝置確定之后進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求是能夠?qū)㈦姍C(jī)、減速裝置合理布局，并設(shè)計(jì)自動(dòng)重合閘輸出軸。

2、結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)，外發(fā)加工，考慮批量要求選擇模具制造。

三、電氣設(shè)計(jì)的任務(wù)：

1、協(xié)助機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、確認(rèn)電機(jī)。

2、確認(rèn)電氣工作步驟，選擇單片機(jī)和各功能芯片。

3、和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師確認(rèn)電氣線路板尺寸大小，布板。

4、確定機(jī)械位置控制節(jié)點(diǎn)，要求機(jī)械結(jié)構(gòu)做避讓和預(yù)留。

5、編程，實(shí)現(xiàn)斷路器跳閘后能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)合閘功能，和其它的檢測(cè)功能。

機(jī)械零部件和電子線路板組件制作完成后進(jìn)行整機(jī)裝配，裝配完成后進(jìn)行功能調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。調(diào)試和實(shí)驗(yàn)合格之后進(jìn)行帶斷路器的試運(yùn)行。所有功能合格之后驗(yàn)收整機(jī)。

上述的項(xiàng)目實(shí)例是對(duì)機(jī)電類產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的大概描述，因?yàn)闄C(jī)電類產(chǎn)品復(fù)雜程度不一樣，有的是系統(tǒng)，有的可以是一個(gè)功能單元，所以設(shè)計(jì)流程可以做相應(yīng)調(diào)整，無需做嚴(yán)格按照。

機(jī)電類產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著消費(fèi)者和客戶要求的不斷提升，和大眾的消費(fèi)心理的變化，人們會(huì)被外形美觀、顏色悅目，結(jié)構(gòu)小巧，使用維護(hù)方便、服務(wù)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品吸引。這就要求企業(yè)在研發(fā)前期和方案階段做更多的工作，比如前期消費(fèi)者心理研究，方案階段的顏色搭配等。不同機(jī)電類產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)對(duì)產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)技術(shù)提出要求，比如應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的產(chǎn)品，會(huì)對(duì)可靠性要求更高，便于維護(hù)和拆裝。這就要求產(chǎn)品需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，采用搭積木的方式，方便的實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品維護(hù)。放在數(shù)據(jù)中心或機(jī)房里的產(chǎn)品可以兼顧外觀設(shè)計(jì)，增加操作人員的工作舒適度。標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)因素。人們可以通過標(biāo)識(shí)清楚的了解產(chǎn)品的注意事項(xiàng)。還有一些產(chǎn)品為了能夠?qū)κ鄢龅漠a(chǎn)品進(jìn)行跟蹤，設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中去。這樣產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)可以及時(shí)的發(fā)送至主機(jī)。并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)和維護(hù)。

結(jié)語：

機(jī)電類產(chǎn)品除了對(duì)功能的要求之外，人們對(duì)外觀、顏色、人機(jī)工程、舒適度及和環(huán)境的和諧要求也是評(píng)價(jià)產(chǎn)品優(yōu)良的因素之一，所以就要求機(jī)電類產(chǎn)品經(jīng)理在方案設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮產(chǎn)品的其它要素，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綜合性能的完美結(jié)合，避免遺漏，造成設(shè)計(jì)的返工，推倒重來及設(shè)計(jì)周期的延長(zhǎng)，避免設(shè)計(jì)師在反復(fù)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)逆反情緒和疲勞設(shè)計(jì)，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量或者造成設(shè)計(jì)的失敗。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：江蘇綠柏智能科技有限公司）