機電系統虛實一體化的創新設計自動化理論與技術研究

汪霜葉

【摘 要】虛實一體化設計是一種內容豐富、形式多樣、能夠為機電系統創新設計提供豐富資源的、行之有效的設計方式。在虛擬的環境下對機電系統進行設計，能夠在產品未生產的情況下，就能讓人對產品的最終結果有個大概的印象。虛擬技術的內涵不止這些，目前的虛擬技術還包括了人工現實、虛擬環境、遙現技術、賽博空間等多個方面的內容。20世紀60年代涌現的虛擬現實技術曾引起各國技術界、產業界以及用戶的廣泛關注并迅速滲透至人們生活的方方面面。近年來，隨著虛擬現實理論與技術研究的逐步深入，虛擬現實系統的應用也日趨成熟，圍繞如何有效利用虛擬現實技術進行產品設計以及如何科學的進行虛擬現實系統的設計，成為需要著力研究的課題。

【關鍵詞】機電系統；虛實一體化；創新設計

1引言

國際上多家著名大型研究機構對虛實一體化的研究的不斷深入，國際上企業界龍頭在自己的產品中開發、引入虛實一體化設計，從而使虛實一體化的實用性更具有現實意義。從虛實一體化的發展進程來看，虛實一體化技術的需求市場已經從發展早期的軍工市場擴大到了工業、農業、水電建設業、服務業等領域，實現全方位地滲透。從起發展跡象進行分析，虛實一體化最終將成為這個時代信息發展的代表性成果。國內外眾多學者在設計自動化領域取得了一些令人鼓舞的成就，然而現有成熟的CAD系統仍未徹底解決長期困擾學術界的需求分析、概念設計、功構映射等難題，對符合設計人員正常設計思維的Top-down設計風范和并行設計等問題的考慮仍顯不足，因而導致在人機協同、創新能力等方面的支持依舊有限。作為一種行之有效的設計方法，虛擬設計豐富了設計行為方式，提供了嶄新的設計表達形式和設計評價理論，能夠在產品設計完成之前形成對產品的具體印象和感受，這些均有助于彌補現有CAD系統的缺陷，但從總體上講，虛擬設計對設計全過程、特別是對設計過程的早期階段、對待設計機電系統可能具有的虛實結合功能以及對人在待設計機電系統中的功能體現等問題缺乏考慮，產品設計或使用的體驗多是主觀的、感性的。

2機電系統虛實一體化的創新設計理論依據

2.1關于虛實一體化的設計

關于機電系統在生產效率、產品品質、生產成本、產品效果和生產環境方面的內容是機電系統企業追求企業產品數量和企業利益重點關注的產品問題。企業機電系統產品的這些問題還是反應企業歷史發展戰略部署、自身市場競爭力測量、客戶對企業產品滿意度等認識積累的情況。創新是產品生產的前提，有先進的設計技術是制造技術先進性的保障。創新設計是設計人員采用比傳統的設計方案更加有效；在創新的指導下，產品的設計能夠提高產品打質量；在設計的時間成本得到節??；對于后繼的設計來說，除了有借鑒價值之外，還能夠啟發后繼設計者的設計思路；對于產品來說，其操作上簡易性也得到提升。

2.2機電系統虛實一體化的理論基礎

創新為企業的市場競爭提供保障，同時創新的設計又是超越傳統設計理念中的慣性原則和定性的設計模式。創新設計能夠幫助企業走向一個新的戰略平臺。對于機電系統的創新來說，是對整個機電系統的原理、功能，以及結構上的創新。在機電系統中實現創新，需要機電系統的設計者對機電系統的機理、運作方式和工作模式都有深刻的了解。也就是說，機電系統的創新在設計上能夠具有特定的數字和符號的模式。另外，機電系統虛實一體化要有特定的原理，所以在對機電系統虛實一體化設計上的創新，只能夠從挖掘設計過程中涉及到的輔助工具的功能入手，從而得出高效的創新設計方案。

3機電系統虛實一體化需求分析

長期以來，人們堅持不懈的將數學規劃等方法應用于企業的計劃安排和管理以及產業鏈的有效構筑—從MRP到縱向一體化的ERP再到整合物流、信息流、商流、資金流的橫向一體化的供應鏈管理（SCM）。然而，滿足消費者的期望永遠是事業成功的關鍵，因為對于設計者和使用者而言這意味著在有限的資金和時間條件下產生高質量的成果，因此，作為SCM的逆向視角—需求鏈管理理應成為未來的發展趨勢。在軟件工程領域，20世紀90年代Jawed Siddiqi明確提出需求工程是軟件開發中至關重要的問題，軟件開發由注重源碼、算法、規范轉而注重需求分析，而用戶的有效參與以及需求的完備性則是確保需求分析成功的關鍵，圍繞如何有效確認需求出現了基于目標和基于場景的2大類方法，基于目標的方法有KAOS（Knowledge Acquisition in Automated Specification）、（distributed intention）框架、GONFR（Goal Oriented Function Requirement）等方法，它們從原始需求材料的分析入手，通過對最初目標的分解和提煉，逐步獲得更具體目標并構造目標模型，進而完成需求建模。

4機電系統虛實一體化創新設計模型

人工手段的制造規律與自然界的變化規律具有辯證統一的關系。產品的生產和自然界的生命一樣，是具有一定的生長過程的。所以，根據大自然生物的生長變化的規律，是可以從中總結出產品生產的變化規律的。在對產品進行設計之前，需要對產品的基本信息進行了解。與自然界的生物一樣，隨著時間的推移，產品的信息內容就會越發的豐富化。這里需要提到有關分解重構的方法理論。分解重構是一種具有較強思維邏輯性的方法，重構和分解是兩個獨立的個體，但是二者之間有存在著辯證統一的關系。這里的分解指的是世間萬物都是可以進行拆分的，但這樣的拆分并不是隨意的，它需要對事物特有的性質進行考量，要對這些特殊點進行仔細的研究與考量。重構是把事物和特定對象進行重新組合。對于機電系統來說，重構就是對其的功能零件和功能表面在進行過分解之后進行的重新組合。這樣一來，機電系統的設計就需要對設計中涉及的算法和原理進行仔細地考慮，最終形成綜合性的機電系統設計知識體系。

把機電系統設計的分解模式考慮到機電系統虛實一體化創新設計模型中來，應用分解重構的方法，根據產品的功能原理、物理結構，以及結構與功能之間的覆蓋映射，再依據產品的生長特點，最終得出產品的關聯信息的內容。這個過程是幫助機電系統虛實一體化創新設計者形成一個概念模式，然后根據產品在生產過程中產生的變化，這些變化再一點一點地積累，最終得到功能完善的元件，以及概念完全的產品。功能完善的元件和概念完全的產品再經由重方法作用，就能夠得到與裝配模型完全相關的設計。機電系統虛實一體化創新設計的發展正是基于這樣的模式，才日益的豐富起來。

結束語

綜上所述，機電系統虛實一體化創新設計需要對整個機電系統的各個要素有準確的掌握。有準確的認識才能夠對機電系統進行合理的分解。分解的目的是將機電系統中的各個功能元件和功能表面進行幾何方式的重構。這樣一來，才能在產品生產中，出現的變化能夠使的生產的元件更加趨于完善化，有元件構成的產品概念也才能更為完全。有了創新技術的支持，企業才能更好的應對激烈的市場競爭，所以機電系統虛實一體化創新設計的發展是順應時代要求的。在這個方面的研究前景非常廣闊，值得我們對生產過程中出現的有關問題進行深入的研究。

參考文獻：

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