機電類產(chǎn)品全生命周期設(shè)計技術(shù)過程及未來技術(shù)發(fā)展趨勢

高源

摘要：隨著我國科學(xué)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品是競爭的核心要素，是企業(yè)發(fā)展和賴以生存的技術(shù)載體。機電類的產(chǎn)品不斷的推動這社會的進步，滿足人們多樣的需求。機電類產(chǎn)品的設(shè)計是企業(yè)開發(fā)團隊成員通過技術(shù)整合完成的滿足功能需要的腦力勞動，將機械、電氣、通信、計算機等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)換成實體。目前微電子單片機及功能芯片的快速發(fā)展，以及未來的人工智能，都會賦予機電類產(chǎn)品新的設(shè)計理念。總之不斷涌現(xiàn)的機電產(chǎn)品會為我們提供更加多元的服務(wù)?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，帶人工智能及自動化領(lǐng)域的機電產(chǎn)品會更多的服務(wù)于工業(yè)和農(nóng)業(yè)，從而將人們從繁重的體力勞動中解放出來。

關(guān)鍵詞：全生命周期;機電類產(chǎn)品;設(shè)計;自動化;人工智能;農(nóng)業(yè)

前言

機電類產(chǎn)品包含的種內(nèi)有很多，涉及行業(yè)的方方面面，比如機械類產(chǎn)品設(shè)計，電氣類產(chǎn)品設(shè)計，自動化類產(chǎn)品設(shè)計，無線電通信類產(chǎn)品設(shè)計，醫(yī)療器械類產(chǎn)品設(shè)計，消費類電子類產(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，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。比如一臺桌面級3D打印機的產(chǎn)品，就結(jié)合了機械、電氣、電子、通信等諸多產(chǎn)品的功能于一體。再比如一臺醫(yī)療機械領(lǐng)域的X光機或呼吸器同樣結(jié)合機械、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，其它的機械功能，電氣功能，通信功能都是為實現(xiàn)主要功能而存在的，所以每種的功能都是比不可少的。

一、機電類產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的設(shè)計技術(shù)

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

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

企業(yè)進行一項產(chǎn)品的研發(fā)時，項目經(jīng)理會進行一系列的市場調(diào)研，結(jié)合客戶需求，市場分析、法律法規(guī)的合規(guī)性審查，標(biāo)準的學(xué)習(xí)等一系列前期工作，之后撰寫產(chǎn)品項目可行性研究，風(fēng)險分析。為企業(yè)開發(fā)和管理團隊提供決策的依據(jù)。當(dāng)所有前期分析工作準備妥當(dāng)之后，開始項目的立項工作，并進行項目的概算。立項還有一個重要任務(wù)就是對項目進行任務(wù)人員需求計算和方向上的任務(wù)分解。下一個接著的環(huán)節(jié)是進行產(chǎn)品的方案設(shè)計和遠景分析。方案設(shè)計的目的是對產(chǎn)品做初步的可視化設(shè)計，為后面產(chǎn)品研發(fā)做預(yù)演。為企業(yè)開發(fā)和管理團隊提供戰(zhàn)略上的部署。方案設(shè)計是模擬，需要產(chǎn)品經(jīng)理對產(chǎn)品做3D模型演示并提供必要的文字說明。方案設(shè)計可能有幾個皆可行的方案，需要企業(yè)企業(yè)開發(fā)和管理團隊確定最終的產(chǎn)品設(shè)計方案。方案的唯一性確定之后進入項目的任務(wù)分解。將產(chǎn)品的設(shè)計任務(wù)根據(jù)團隊人員實際情況進行分解，配備相應(yīng)的到人員。項目設(shè)計任務(wù)的分解還有一個關(guān)鍵的任務(wù)是項目預(yù)算。項目設(shè)計任務(wù)的分解當(dāng)產(chǎn)品任務(wù)分解到人員后，即可開始產(chǎn)品的實質(zhì)開發(fā)階段。開發(fā)人員會依據(jù)相應(yīng)的任務(wù)進行細化的設(shè)計，安排合理的機電類產(chǎn)品設(shè)計周期產(chǎn)品，在預(yù)估的時間節(jié)點完成整機的研發(fā)工作。接著進入調(diào)試和實驗階段，對目標(biāo)功能的實現(xiàn)做驗證，各項功能調(diào)試后進行整機的聯(lián)調(diào)和試運行，最后所有功能確認無誤后，項目組進行內(nèi)部驗收。驗收合格后企業(yè)開發(fā)和管理團隊做最后驗收。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)。

在這個階段，主要是對研發(fā)后的產(chǎn)品進行批量生產(chǎn)，希望能夠達到預(yù)計市場效果。這個階段對研發(fā)出的產(chǎn)品進行機械零部件、電氣功能的電路板組件、通信功能電路板組件等進行批量組裝生產(chǎn)和調(diào)試。該階段是對研發(fā)階段的樣機做批量裝配生產(chǎn)一致性的驗證。該階段需要完成整機的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。

在這個階段，需要研發(fā)產(chǎn)品的人員對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題做處妥善的處理并總結(jié)。生產(chǎn)的管理人員對生產(chǎn)的工時、機器使用工時、材料價格做出正確計算，并形成工作臺賬。有條件的企業(yè)會使用企業(yè)ERP系統(tǒng)對原材料做出相應(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，并對用戶進行回訪記錄相關(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、研發(fā)、生產(chǎn)、市場銷售直至報廢的整個時間過程。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重合閘為例做產(chǎn)品全生命周期設(shè)計技術(shù)的簡要敘述。

4.1 功能描述：目前市場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，自動重合閘檢測到斷路器斷開后，自動將斷開的斷路器合上。

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

4.3 自動重合閘全生命周期中前期準備階段和開發(fā)階段的設(shè)計過簡要描述：

當(dāng)前期準備工作：市場調(diào)研、可行性分析、合規(guī)審查、風(fēng)險分析之后確認產(chǎn)品立項，開始項目任務(wù)分解。該項目進行項目任務(wù)分解為2大塊：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣設(shè)計。

產(chǎn)品研發(fā)啟動后進行方案設(shè)計，方案設(shè)計主要是確保自動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、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(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)最大扭矩確定自動重合閘輸出扭矩。

（二）按照方案設(shè)計的要求，主要是布局和體積大小進行機

械傳動的設(shè)計。傳動設(shè)計是選擇齒輪傳動，材料POM。綜合考慮電機的選擇，可以選擇直流電機或交流電機。選擇電機時要考慮電機的大小和電機的轉(zhuǎn)速，結(jié)合確定的自動重合閘輸出扭矩，確定機械傳動的減速比，機械傳動比會對扭矩進行放大和縮小。這就需要綜合考慮。機械功率的計算P=FV。根據(jù)自動重合閘輸出扭矩和機械傳動的減速比，推出電機的輸出功率。

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

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

三、電氣設(shè)計的任務(wù)：

1、協(xié)助機械機構(gòu)設(shè)計、確認電機。

2、確認電氣工作步驟，選擇單片機和各功能芯片。

3、和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計師確認電氣線路板尺寸大小，布板。

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

5、編程，實現(xiàn)斷路器跳閘后能夠?qū)崿F(xiàn)自動合閘功能，和其它的檢測功能。

機械零部件和電子線路板組件制作完成后進行整機裝配，裝配完成后進行功能調(diào)試和實驗。調(diào)試和實驗合格之后進行帶斷路器的試運行。所有功能合格之后驗收整機。

上述的項目實例是對機電類產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的大概描述，因為機電類產(chǎn)品復(fù)雜程度不一樣，有的是系統(tǒng)，有的可以是一個功能單元，所以設(shè)計流程可以做相應(yīng)調(diào)整，無需做嚴格按照。

機電類產(chǎn)品全生命周期設(shè)計技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

隨著消費者和客戶要求的不斷提升，和大眾的消費心理的變化，人們會被外形美觀、顏色悅目，結(jié)構(gòu)小巧，使用維護方便、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，比如前期消費者心理研究，方案階段的顏色搭配等。不同機電類產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域也會對產(chǎn)品全生命周期設(shè)計技術(shù)提出要求，比如應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的產(chǎn)品，會對可靠性要求更高，便于維護和拆裝。這就要求產(chǎn)品需要進行模塊化設(shè)計，采用搭積木的方式，方便的實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的產(chǎn)品維護。放在數(shù)據(jù)中心或機房里的產(chǎn)品可以兼顧外觀設(shè)計，增加操作人員的工作舒適度。標(biāo)識設(shè)計也是產(chǎn)品設(shè)計的一個因素。人們可以通過標(biāo)識清楚的了解產(chǎn)品的注意事項。還有一些產(chǎn)品為了能夠?qū)κ鄢龅漠a(chǎn)品進行跟蹤，設(shè)備運行監(jiān)控系統(tǒng)也會應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中去。這樣產(chǎn)品的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)可以及時的發(fā)送至主機。并對產(chǎn)品進行遠程升級和維護。

結(jié)語：

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

參考文獻

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[2]鐘元 面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計指南

（作者單位：江蘇綠柏智能科技有限公司）