基于數據驅動的復雜機電產品創新設計探析

楊琳琳

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著計算機技術的不斷進步，機械設計能夠實現最優化的產品結構設計，并且逐漸形成立足于信息集成系統和專家系統的開發平臺，最終迎合市場的需求。

1 復雜機電產品創新設計中數據挖掘的應用

信息知識社會的來臨，使得創新成為經濟發展、社會進步的不竭動力。復雜機電產品的創新，就是基于知識作為基礎來進行創造，所以，知識的獲取，就是創新的基礎條件，同時也是對復雜機電產品創新產生影響的關鍵因素。

通過計算機技術來進行創新設計，主要包含：基于規則的設計方法和基于實例的設計方法。第一，基于規則的設計，在設計之前需要描述專有的理論知識以及功能，在設計中，基于已經建立的規則，通過計算機技術來加以訪問，從而獲取有用的信息進行后續的指導設計，最終將產品設計完成。第二，基于實例的設計，針對給定的設計問題，將設計問題直接轉化成為功能表示的方法，利用實例知識庫信息，直接將功能模型轉化成為需要的設計結果。設計者按照設計的需求以及構件特征，就通過規則庫的反復使用，從而對設計工作進行指導，最終獲取設計方案。這一種方法的思想簡單，并且相對容易實現，能夠克服知識的難題，因此也可以得到廣泛的使用。基于實例的設計，能夠在已知信息較少的前提下，依舊可以獲取滿意的解決方案。基于這一種分析，在方案要求得以滿足的前提下，基于規則設計，就可以將知識獲取的難題克服[1]。

基于規則知識挖掘與獲取工作，才是數據挖掘需要的研究問題，并且還能夠獲取不錯的研究成果。為了能夠將復雜機電產品創新的問題解決，直接利用數據挖掘技術來獲取關聯規則知識，這樣就可以對復雜機電產品創新設計加以輔助，從而解決瓶頸問題。

2 數據驅動的復雜機電產品創新設計實例分析

基于數據驅動的復雜機電產品創新設計實例的分析，首先就應該對其需求與功能進行分析，然后基于功能-結構的包裝機設計知識進行建模，最后，基于測試結果的包裝機創新設計分析，這樣就可以了解數據驅動下的復雜機電產品創新設計途徑。

2.1 需求與功能分析

（1）需求分析。在進入市場之前，包裝是需要進行的過程，實現包裝，需要利用包裝機械。不難看出，市場對于包裝機械有著龐大的需求。目前，物品形狀外觀有所差異，利用包裝，就可以做好相對應的改變，這對于包裝機械就提出了更高的要求。目前，包裝機的需求特點在于：

第一，結構設計標準化、模組化。相同的包裝機，在經過調整之后，就可以實現不同產品的包裝，只需要改變原有的基礎，就可以得到另外一種包裝機[2]。

第二，包裝速度快。包裝機可以從原本的單列包裝朝著多列包裝過渡，可以增強包裝的速度。

第三，運行精度高。通過全新技術，利用編碼器、伺服電機、可編程控制器PLC等，就可以執行各種動作，最終提升包裝機的運行精度。

第四，控制智能化、彈性化。通過智能型儀器、觸摸屏顯示各種應用軟件，就能夠實時的跟蹤各種運行參數。在電子屏幕上，也可以隨時的顯示包裝溫度、包裝速度以及包裝產量等情況。

第五，包裝類型多樣化。基于市場對于包裝類型的實際需求來調整包裝機，從而生成多樣類型的包裝。

（2）功能分析。基于需求分析，從而進行功能的分析。包裝機一般是由驅動系統、傳動系統、檢測系統等共同來組成，其中，每一個部分的功能都有不一樣的要求。

第一，驅動系統。驅動系數能夠為包裝機械提供一定的動力，這樣就可以滿足系統之間能量轉換。針對包裝機械，不僅僅需要對各種尺寸的產品加以包裝，同時也需要確保包裝尺寸的精度。所以，在驅動系統設計中，需要合理的選擇電機。

第二，傳動系統。傳動系統屬于執行元件和動力元件之間的傳動裝置。對于產品包裝而言，每一天包裝數量使用較多，這就需要確保包裝機的生產效率，從而來針對性的選擇傳動機構。

第三，檢測系統。檢測系統主要是確保包裝機的位移、旋轉、速度的精度裝置。隨著產品多樣化，產品形狀與大小的改變，其各種要求也在不斷的增多，這就要求我們能夠生產出尺寸不一的包裝，并且還需要實現溫度與精度的合理控制，最終來選擇檢測機構。

第四，控制系統。控制系統是為了滿足系統之間的穩定，并且讓包裝機可以將功能任務完成。智能時代的來臨，對于包裝機控制系統要求越來越嚴格，所以就需要選擇合適的控制裝置來加以實現[3]。

第五，輔助系統。除開上述系統之外，能夠確保包裝機順利運行的其他裝置。如做好包裝機的潤滑保養、滿足環境條件的需求，這樣才可以合理的選擇輔助裝置來實現。

2.2 基于功能-結構的包裝機設計知識建模

針對包裝機的設計知識進行建模。在包裝機機械之中主要包含了驅動系統、傳動系統、檢測系統、控制系統和輔助系統。基于功能-結構映射模型，從而分解包裝機的歐洲那個功能，這樣就可以獲取相對應的子功能，針對每一組成分功能進行分解，直至分解可以獲取關聯規則知識表所對應的子功能為止，然后通過獲取的功能與結構關聯知識，就能直接獲取結構解，最終獲取能夠滿足包裝機子功能需求的結構，然后進行結構的組合，將包裝機的設計完成。

（1）驅動功能。基于需求與功能分析，包裝機驅動系統能夠同時生產不同尺寸包裝，能夠滿足不同規格產品的需求，在包裝生產中，能夠滿足尺寸最大值與最小值之差。所以，包裝機產品驅動功能包含：第一，確保包裝機包裝尺寸不一，第二，確保包裝尺寸的精度，也就是包裝機產品的驅動動能能夠分解成為確保包裝尺寸不一和保證包裝尺寸精度的子功能。

通過驅動功能子功能的查找，確保包裝尺寸不一以及包裝精度能夠建立關聯規則指示表當中找到對應的結構。通過查找，結果是不能找到相對應的結果，就需要做好子功能進一步的分解，見圖1所示。

圖1 驅動功能子功能分解圖Fig.1 Driver function subfunction decomposition diagram

之后，再分別的查找子功能實現轉速可調驅動以及精度高的驅動能否建立關聯規則指示表之中找到相對應的結構。通過查找，結果是相對應的，從而完成分解。

（2）傳動功能。由于傳動系統是為了滿足快速的運輸包裝。所以，包裝機產品傳動功能包含了一個子功能，就是確保生產的效率，也就是包裝機產品的傳動功能可以直接分解成為滿足生產效率的子功能[4]。

之后查找傳動功能子功能滿足包裝生產效率是否能夠建立關聯規則指示表之中找到對應的結構，如果查找之后的結果與其無法相互的對應，就需要繼續分解子功能，具體見圖2所示。

圖2 傳動功能子功能分解圖Fig.2 Functional decomposition diagram of transmission functions

之后通過查找子功能提供較高效率傳動能否建立關聯規則指示表，就可以找到相對應的結構。通過查找，結果是相對應的，從而完成分解。

（3）檢測功能。基于前面的需求與功能分析，包裝機產品的檢測功能主要包含：第一，包裝尺寸精度；第二，包裝尺寸不一；第三，包裝溫度。也就是在檢測功能之中需要將其劃分成為包裝尺寸精度、尺寸不一、包裝溫度。

之后，對于三個子功能進行查找，從而在能否建立關聯方規則指示表之中找到相對應的結果。經過查找之后找不到對應結構，還需要再進一步進行分解處理，具體見圖3所示。

圖3 檢測功能子功能分解圖Fig.3 Detection sub-function decomposition diagram

通過三個子功能的查找，就可以確保速度穩定、位置精準以及溫度測量是否能夠在關聯規則指示表之中找到對應的結構。通過查找，結果是相對應的，從而完成分解。

（4）控制功能。在包裝機產品控制之中只包含了一個子功能，也就是包裝機系統的控制，也就是其控制功能需要分解成為系統控制[5]。

通過控制功能子功能的查找，確保系統控制能否建立關聯規則指示表之中找到相對應的結構，如果無法找到相對應的結構，還需要繼續的分解，具體見圖4所示。

圖4 控制功能子功能分解圖Fig.4 Control function subfunction decomposition diagram

經過查找，子功能實現工業控制要求能否在建立關聯規則指示表之中找到相對應的結構。通過查找，結果是相對應的，從而完成分解。

2.3 基于測試結果的包裝機創新設計

經過包裝設計知識功能-結構映射模型，基于已經獲取的知識結構來針對包裝機做好相應的創設設計。通過子功能與結構的相互對應，這樣就可以實現包裝機的創新設計，進而滿足包裝機各個功能需求，達到設計標準，從而對方法的正確性進行了驗證，具體見圖5所示。

圖5 包裝機的創新設計Fig.5 Innovative design of packaging machine

3 結束語

總而言之，隨著科技不斷的發展與進步，新型產品逐漸增多，復雜機電產品的出現，使得創新就成為其焦點所在。復雜機電產品的設計不再局限于變形設計或者是適應性設計，更多的是需要進行創新，這才是復雜機電產品的重難點。因此，為了能夠增強市場的競爭優勢，就需要提升產品的設計質量，最終實現創新設計。