創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計

唐靜++王斌

摘要：中國是制造大國，需要產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新以市場需求為出發(fā)點、以技術(shù)應(yīng)用為支撐，開發(fā)出的創(chuàng)新型產(chǎn)品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業(yè)創(chuàng)造利潤。從設(shè)計角度出發(fā)，闡述機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求，提出一種創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計方法。以設(shè)計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例，具體說明了創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新；機(jī)電產(chǎn)品；快速設(shè)計；變形法；組合法

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新等方面相對落后。為改變“產(chǎn)品創(chuàng)新能力比較薄弱”的國情，路甬祥院士提出了利用提升創(chuàng)新設(shè)計能力作為促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要戰(zhàn)略。機(jī)電產(chǎn)品廣義上是機(jī)械產(chǎn)品、電工與電子產(chǎn)品、機(jī)電一體化產(chǎn)品，以及這些產(chǎn)品的零配件、附件等的統(tǒng)稱。如今，機(jī)電產(chǎn)品尤其是創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品給工作和生活帶來了極大方便。

1 機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求

機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要綜合考慮多方面的要求，并將設(shè)計要求做進(jìn)一步的分解（如圖1所示）。分解后的這些要求是相互關(guān)聯(lián)的，創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計可以往這些方面思考和延伸。

1） 功能要求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)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(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要盡量人性化，即考慮用戶的情感和心理需求。例如，機(jī)電產(chǎn)品的造型要美觀大方、人機(jī)交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足，產(chǎn)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(jī)電產(chǎn)品時難免有錯誤操作，所以機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時必須考慮用戶和環(huán)境等方面的安全因素，尤其是大型機(jī)電產(chǎn)品。例如盡可能提高機(jī)電產(chǎn)品的自動化程度，在硬件和軟件系統(tǒng)中都增加容錯設(shè)計。

4） 環(huán)保需求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品時還需要考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)對環(huán)境的影響，需要進(jìn)行綠色環(huán)保設(shè)計。例如，盡可能減小機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量和體積、降低產(chǎn)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(chǎn)品功能要求的前提下，還需要考慮產(chǎn)品在制造、使用、維護(hù)和回收整個壽命周期中的總成本，盡量降低各個環(huán)節(jié)的成本，從而達(dá)到從設(shè)計源頭開始控制成本的目的。例如，合理選擇機(jī)電產(chǎn)品機(jī)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(chǎn)品的回收利用率 [3]。

2 創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品快速設(shè)計的內(nèi)涵

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

2.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分可以采用“變形法”來快速設(shè)計。所謂“變形法”，指的是新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn)，從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。此法尤其適用于中小型機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新。例如，為解決手機(jī)用戶長時間托舉手機(jī)勞累的問題，有人設(shè)計出“馬桶抽”手機(jī)支架，如圖（3a）所示，該手機(jī)支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用“變形法”可以設(shè)計出“丘比特之箭”手機(jī)支架，如圖3（b）所示，該手機(jī)支架既包括與“馬桶抽”手機(jī)支架主體結(jié)構(gòu)相似的心形支撐件1和支架2，又增加了鑰匙扣環(huán)3和角度調(diào)節(jié)裝置4，且支架2可以收進(jìn)支撐面1的支架槽內(nèi)，既能調(diào)節(jié)手機(jī)角度又方便攜帶。機(jī)械部分的設(shè)計可以應(yīng)用UG、Solidworks等軟件快速地進(jìn)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(shè)計。所謂“組合法”，指的是設(shè)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(shè)計控制程序時，將一些基本的程序模塊（如延時程序、計數(shù)程序等）整合與應(yīng)用，從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。組合法的應(yīng)用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

機(jī)械部分和控制部分在并行設(shè)計結(jié)束后，需要及時整理創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計資料并告知企業(yè)，以便產(chǎn)品盡快投入市場、創(chuàng)造價值。

3 快速設(shè)計實例

如今，在網(wǎng)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(tài)禁煙標(biāo)志視若罔聞。如果公共場安裝動態(tài)的禁煙提醒裝置，禁煙效果會更好。創(chuàng)新想法產(chǎn)生后，列出產(chǎn)品的設(shè)計要求： 1）動態(tài)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(biāo)，可以發(fā)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(fā)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(shè)計要求匯總后，可以從機(jī)械和控制兩大部分著手，并行地快速設(shè)計相應(yīng)內(nèi)容。

3.1 控制部分設(shè)計

1） 確定控制方案。根據(jù)上述設(shè)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(fā)的微動開關(guān)）。其中，控制器可以選擇單片機(jī)、PLC等。從功能要求和成本需求出發(fā)，控制器選擇單片機(jī)AT89C51。

2） 設(shè)計控制電路。根據(jù)上述控制方案，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計方案，選擇所需的元器件來設(shè)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(guān)選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關(guān)?？刂齐娐返脑O(shè)計可以在Proteus、Protel等軟件中應(yīng)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(shè)計。

3） 程序設(shè)計與調(diào)試。根據(jù)控制要求，程序設(shè)計流程如圖4所示。

程序設(shè)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(shù)的程序模塊，最后通過主函數(shù)調(diào)用。最后，將利用組合法快速設(shè)計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調(diào)試。在Proteus軟件中，將目標(biāo)代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機(jī)中，該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

3.2 機(jī)械部分設(shè)計

1） 確定機(jī)械設(shè)計方案。機(jī)械部分設(shè)計時，除了滿足各項設(shè)計要求，同樣需要考慮控制部分的設(shè)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(jī)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(jī)械部分設(shè)計時主要考慮上述兩部分內(nèi)容。

2） 三維造型。在現(xiàn)有的查詢機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過變形法可以快速設(shè)計出如圖6所示的禁煙裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dāng)吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時，將觸發(fā)滅煙盒下方的復(fù)位彈簧35和微動開關(guān)。

3） 二維出圖。完成三維造型后，應(yīng)用CAD軟件可以快速生成相關(guān)聯(lián)的二維圖紙，注意尺寸和公差的標(biāo)注。

完成機(jī)械部分和控制部分的設(shè)計后，整理相關(guān)資料。機(jī)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(jī)控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細(xì)表。

4 結(jié)語

創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品需要縮短設(shè)計周期，盡快投放市場?！白冃畏ā苯梃b現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械部分的快速設(shè)計。使用“變形法”時，設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)新或改良現(xiàn)有產(chǎn)品以滿足各項要求?！敖M合法”基于基本的電路和程序模塊，可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品控制部分的快速設(shè)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(jìn)一步組合與完善，確保控制部分的設(shè)計正確。上述禁煙裝置的設(shè)計中，“變形法”和“組合法”都得到了很好的應(yīng)用。設(shè)計其他創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品時，可以借鑒這些方法來達(dá)到快速設(shè)計的目的。

摘要：中國是制造大國，需要產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新以市場需求為出發(fā)點、以技術(shù)應(yīng)用為支撐，開發(fā)出的創(chuàng)新型產(chǎn)品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業(yè)創(chuàng)造利潤。從設(shè)計角度出發(fā)，闡述機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求，提出一種創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計方法。以設(shè)計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例，具體說明了創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新；機(jī)電產(chǎn)品；快速設(shè)計；變形法；組合法

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新等方面相對落后。為改變“產(chǎn)品創(chuàng)新能力比較薄弱”的國情，路甬祥院士提出了利用提升創(chuàng)新設(shè)計能力作為促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要戰(zhàn)略。機(jī)電產(chǎn)品廣義上是機(jī)械產(chǎn)品、電工與電子產(chǎn)品、機(jī)電一體化產(chǎn)品，以及這些產(chǎn)品的零配件、附件等的統(tǒng)稱。如今，機(jī)電產(chǎn)品尤其是創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品給工作和生活帶來了極大方便。

1 機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求

機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要綜合考慮多方面的要求，并將設(shè)計要求做進(jìn)一步的分解（如圖1所示）。分解后的這些要求是相互關(guān)聯(lián)的，創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計可以往這些方面思考和延伸。

1） 功能要求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)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(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要盡量人性化，即考慮用戶的情感和心理需求。例如，機(jī)電產(chǎn)品的造型要美觀大方、人機(jī)交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足，產(chǎn)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(jī)電產(chǎn)品時難免有錯誤操作，所以機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時必須考慮用戶和環(huán)境等方面的安全因素，尤其是大型機(jī)電產(chǎn)品。例如盡可能提高機(jī)電產(chǎn)品的自動化程度，在硬件和軟件系統(tǒng)中都增加容錯設(shè)計。

4） 環(huán)保需求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品時還需要考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)對環(huán)境的影響，需要進(jìn)行綠色環(huán)保設(shè)計。例如，盡可能減小機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量和體積、降低產(chǎn)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(chǎn)品功能要求的前提下，還需要考慮產(chǎn)品在制造、使用、維護(hù)和回收整個壽命周期中的總成本，盡量降低各個環(huán)節(jié)的成本，從而達(dá)到從設(shè)計源頭開始控制成本的目的。例如，合理選擇機(jī)電產(chǎn)品機(jī)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(chǎn)品的回收利用率 [3]。

2 創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品快速設(shè)計的內(nèi)涵

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

2.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分可以采用“變形法”來快速設(shè)計。所謂“變形法”，指的是新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn)，從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。此法尤其適用于中小型機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新。例如，為解決手機(jī)用戶長時間托舉手機(jī)勞累的問題，有人設(shè)計出“馬桶抽”手機(jī)支架，如圖（3a）所示，該手機(jī)支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用“變形法”可以設(shè)計出“丘比特之箭”手機(jī)支架，如圖3（b）所示，該手機(jī)支架既包括與“馬桶抽”手機(jī)支架主體結(jié)構(gòu)相似的心形支撐件1和支架2，又增加了鑰匙扣環(huán)3和角度調(diào)節(jié)裝置4，且支架2可以收進(jìn)支撐面1的支架槽內(nèi)，既能調(diào)節(jié)手機(jī)角度又方便攜帶。機(jī)械部分的設(shè)計可以應(yīng)用UG、Solidworks等軟件快速地進(jìn)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(shè)計。所謂“組合法”，指的是設(shè)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(shè)計控制程序時，將一些基本的程序模塊（如延時程序、計數(shù)程序等）整合與應(yīng)用，從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。組合法的應(yīng)用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

機(jī)械部分和控制部分在并行設(shè)計結(jié)束后，需要及時整理創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計資料并告知企業(yè)，以便產(chǎn)品盡快投入市場、創(chuàng)造價值。

3 快速設(shè)計實例

如今，在網(wǎng)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(tài)禁煙標(biāo)志視若罔聞。如果公共場安裝動態(tài)的禁煙提醒裝置，禁煙效果會更好。創(chuàng)新想法產(chǎn)生后，列出產(chǎn)品的設(shè)計要求： 1）動態(tài)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(biāo)，可以發(fā)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(fā)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(shè)計要求匯總后，可以從機(jī)械和控制兩大部分著手，并行地快速設(shè)計相應(yīng)內(nèi)容。

3.1 控制部分設(shè)計

1） 確定控制方案。根據(jù)上述設(shè)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(fā)的微動開關(guān)）。其中，控制器可以選擇單片機(jī)、PLC等。從功能要求和成本需求出發(fā)，控制器選擇單片機(jī)AT89C51。

2） 設(shè)計控制電路。根據(jù)上述控制方案，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計方案，選擇所需的元器件來設(shè)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(guān)選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關(guān)。控制電路的設(shè)計可以在Proteus、Protel等軟件中應(yīng)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(shè)計。

3） 程序設(shè)計與調(diào)試。根據(jù)控制要求，程序設(shè)計流程如圖4所示。

程序設(shè)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(shù)的程序模塊，最后通過主函數(shù)調(diào)用。最后，將利用組合法快速設(shè)計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調(diào)試。在Proteus軟件中，將目標(biāo)代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機(jī)中，該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

3.2 機(jī)械部分設(shè)計

1） 確定機(jī)械設(shè)計方案。機(jī)械部分設(shè)計時，除了滿足各項設(shè)計要求，同樣需要考慮控制部分的設(shè)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(jī)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(jī)械部分設(shè)計時主要考慮上述兩部分內(nèi)容。

2） 三維造型。在現(xiàn)有的查詢機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過變形法可以快速設(shè)計出如圖6所示的禁煙裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dāng)吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時，將觸發(fā)滅煙盒下方的復(fù)位彈簧35和微動開關(guān)。

3） 二維出圖。完成三維造型后，應(yīng)用CAD軟件可以快速生成相關(guān)聯(lián)的二維圖紙，注意尺寸和公差的標(biāo)注。

完成機(jī)械部分和控制部分的設(shè)計后，整理相關(guān)資料。機(jī)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(jī)控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細(xì)表。

4 結(jié)語

創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品需要縮短設(shè)計周期，盡快投放市場?！白冃畏ā苯梃b現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械部分的快速設(shè)計。使用“變形法”時，設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)新或改良現(xiàn)有產(chǎn)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(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品控制部分的快速設(shè)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(jìn)一步組合與完善，確?？刂撇糠值脑O(shè)計正確。上述禁煙裝置的設(shè)計中，“變形法”和“組合法”都得到了很好的應(yīng)用。設(shè)計其他創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品時，可以借鑒這些方法來達(dá)到快速設(shè)計的目的。

摘要：中國是制造大國，需要產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新。產(chǎn)品創(chuàng)新以市場需求為出發(fā)點、以技術(shù)應(yīng)用為支撐，開發(fā)出的創(chuàng)新型產(chǎn)品可以給人們的工作和生活帶來方便、為企業(yè)創(chuàng)造利潤。從設(shè)計角度出發(fā)，闡述機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求，提出一種創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計方法。以設(shè)計一種公共場所禁煙自動提醒裝置為例，具體說明了創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的快速設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新；機(jī)電產(chǎn)品；快速設(shè)計；變形法；組合法

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新等方面相對落后。為改變“產(chǎn)品創(chuàng)新能力比較薄弱”的國情，路甬祥院士提出了利用提升創(chuàng)新設(shè)計能力作為促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要戰(zhàn)略。機(jī)電產(chǎn)品廣義上是機(jī)械產(chǎn)品、電工與電子產(chǎn)品、機(jī)電一體化產(chǎn)品，以及這些產(chǎn)品的零配件、附件等的統(tǒng)稱。如今，機(jī)電產(chǎn)品尤其是創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品給工作和生活帶來了極大方便。

1 機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計要求

機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要綜合考慮多方面的要求，并將設(shè)計要求做進(jìn)一步的分解（如圖1所示）。分解后的這些要求是相互關(guān)聯(lián)的，創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計可以往這些方面思考和延伸。

1） 功能要求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)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(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時要盡量人性化，即考慮用戶的情感和心理需求。例如，機(jī)電產(chǎn)品的造型要美觀大方、人機(jī)交互要友好等。一旦用戶需求得到滿足，產(chǎn)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(jī)電產(chǎn)品時難免有錯誤操作，所以機(jī)電產(chǎn)品在設(shè)計時必須考慮用戶和環(huán)境等方面的安全因素，尤其是大型機(jī)電產(chǎn)品。例如盡可能提高機(jī)電產(chǎn)品的自動化程度，在硬件和軟件系統(tǒng)中都增加容錯設(shè)計。

4） 環(huán)保需求。設(shè)計機(jī)電產(chǎn)品時還需要考慮產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)對環(huán)境的影響，需要進(jìn)行綠色環(huán)保設(shè)計。例如，盡可能減小機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量和體積、降低產(chǎn)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(chǎn)品功能要求的前提下，還需要考慮產(chǎn)品在制造、使用、維護(hù)和回收整個壽命周期中的總成本，盡量降低各個環(huán)節(jié)的成本，從而達(dá)到從設(shè)計源頭開始控制成本的目的。例如，合理選擇機(jī)電產(chǎn)品機(jī)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(chǎn)品的回收利用率 [3]。

2 創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品快速設(shè)計的內(nèi)涵

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

2.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分可以采用“變形法”來快速設(shè)計。所謂“變形法”，指的是新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新或改進(jìn)，從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。此法尤其適用于中小型機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新。例如，為解決手機(jī)用戶長時間托舉手機(jī)勞累的問題，有人設(shè)計出“馬桶抽”手機(jī)支架，如圖（3a）所示，該手機(jī)支架由圓形支撐件1和支架2組成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用“變形法”可以設(shè)計出“丘比特之箭”手機(jī)支架，如圖3（b）所示，該手機(jī)支架既包括與“馬桶抽”手機(jī)支架主體結(jié)構(gòu)相似的心形支撐件1和支架2，又增加了鑰匙扣環(huán)3和角度調(diào)節(jié)裝置4，且支架2可以收進(jìn)支撐面1的支架槽內(nèi)，既能調(diào)節(jié)手機(jī)角度又方便攜帶。機(jī)械部分的設(shè)計可以應(yīng)用UG、Solidworks等軟件快速地進(jìn)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(shè)計。所謂“組合法”，指的是設(shè)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(shè)計控制程序時，將一些基本的程序模塊（如延時程序、計數(shù)程序等）整合與應(yīng)用，從而實現(xiàn)快速設(shè)計的方法。組合法的應(yīng)用在下文的禁煙裝置中舉例說明。

機(jī)械部分和控制部分在并行設(shè)計結(jié)束后，需要及時整理創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計資料并告知企業(yè)，以便產(chǎn)品盡快投入市場、創(chuàng)造價值。

3 快速設(shè)計實例

如今，在網(wǎng)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(tài)禁煙標(biāo)志視若罔聞。如果公共場安裝動態(tài)的禁煙提醒裝置，禁煙效果會更好。創(chuàng)新想法產(chǎn)生后，列出產(chǎn)品的設(shè)計要求： 1）動態(tài)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(biāo)，可以發(fā)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(fā)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(shè)計要求匯總后，可以從機(jī)械和控制兩大部分著手，并行地快速設(shè)計相應(yīng)內(nèi)容。

3.1 控制部分設(shè)計

1） 確定控制方案。根據(jù)上述設(shè)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(fā)的微動開關(guān)）。其中，控制器可以選擇單片機(jī)、PLC等。從功能要求和成本需求出發(fā)，控制器選擇單片機(jī)AT89C51。

2） 設(shè)計控制電路。根據(jù)上述控制方案，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計方案，選擇所需的元器件來設(shè)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(guān)選擇霍尼韋爾ZD系列小型防水防塵微動開關(guān)?？刂齐娐返脑O(shè)計可以在Proteus、Protel等軟件中應(yīng)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(shè)計。

3） 程序設(shè)計與調(diào)試。根據(jù)控制要求，程序設(shè)計流程如圖4所示。

程序設(shè)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(shù)的程序模塊，最后通過主函數(shù)調(diào)用。最后，將利用組合法快速設(shè)計完成的控制電路和程序在軟件中仿真與調(diào)試。在Proteus軟件中，將目標(biāo)代碼文件no_smoking.hex加載到AT89C51單片機(jī)中，該禁煙裝置顯示模塊的電路及仿真結(jié)果如圖5所示。

3.2 機(jī)械部分設(shè)計

1） 確定機(jī)械設(shè)計方案。機(jī)械部分設(shè)計時，除了滿足各項設(shè)計要求，同樣需要考慮控制部分的設(shè)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(jī)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(jī)械部分設(shè)計時主要考慮上述兩部分內(nèi)容。

2） 三維造型。在現(xiàn)有的查詢機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過變形法可以快速設(shè)計出如圖6所示的禁煙裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dāng)吸煙者在滅煙盒中摁滅香煙時，將觸發(fā)滅煙盒下方的復(fù)位彈簧35和微動開關(guān)。

3） 二維出圖。完成三維造型后，應(yīng)用CAD軟件可以快速生成相關(guān)聯(lián)的二維圖紙，注意尺寸和公差的標(biāo)注。

完成機(jī)械部分和控制部分的設(shè)計后，整理相關(guān)資料。機(jī)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(jī)控制電路圖、C語言控制程序和電子與電氣元件明細(xì)表。

4 結(jié)語

創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品需要縮短設(shè)計周期，盡快投放市場。“變形法”借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品機(jī)械部分的快速設(shè)計。使用“變形法”時，設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)計要求和設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)新或改良現(xiàn)有產(chǎn)品以滿足各項要求?！敖M合法”基于基本的電路和程序模塊，可以實現(xiàn)創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品控制部分的快速設(shè)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(jìn)一步組合與完善，確?？刂撇糠值脑O(shè)計正確。上述禁煙裝置的設(shè)計中，“變形法”和“組合法”都得到了很好的應(yīng)用。設(shè)計其他創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品時，可以借鑒這些方法來達(dá)到快速設(shè)計的目的。