機電類產品全生命周期設計技術過程及未來技術發展趨勢

高源

摘要：隨著我國科學生產力的不斷發展，企業生產的產品是競爭的核心要素，是企業發展和賴以生存的技術載體。機電類的產品不斷的推動這社會的進步，滿足人們多樣的需求。機電類產品的設計是企業開發團隊成員通過技術整合完成的滿足功能需要的腦力勞動，將機械、電氣、通信、計算機等領域的科學技術轉換成實體。目前微電子單片機及功能芯片的快速發展，以及未來的人工智能，都會賦予機電類產品新的設計理念?？傊粩嘤楷F的機電產品會為我們提供更加多元的服務。可以預見，在不久的將來，帶人工智能及自動化領域的機電產品會更多的服務于工業和農業，從而將人們從繁重的體力勞動中解放出來。

關鍵詞：全生命周期;機電類產品;設計;自動化;人工智能;農業

前言

機電類產品包含的種內有很多，涉及行業的方方面面，比如機械類產品設計，電氣類產品設計，自動化類產品設計，無線電通信類產品設計，醫療器械類產品設計，消費類電子類產品等等。以上的產品并不是某一單一功能的產品設計，而是綜合各種不同的種類產品的組合，以一種體現主要服務功能為主的產品。比如一臺桌面級3D打印機的產品，就結合了機械、電氣、電子、通信等諸多產品的功能于一體。再比如一臺醫療機械領域的X光機或呼吸器同樣結合機械、電氣、電子、通信等諸多產品的功能于一體，但是它的主要服務功能是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、機電類產品全生命周期內的設計技術

（一）產品全生命周期內的開發階段的任務

一款好的機電類產品一定是經過各個功能要素綜合考慮的結果，它主要根據機電產品的復雜程度和客戶提的額外要求來對產品進行設計。

企業進行一項產品的研發時，項目經理會進行一系列的市場調研，結合客戶需求，市場分析、法律法規的合規性審查，標準的學習等一系列前期工作，之后撰寫產品項目可行性研究，風險分析。為企業開發和管理團隊提供決策的依據。當所有前期分析工作準備妥當之后，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就是對項目進行任務人員需求計算和方向上的任務分解。下一個接著的環節是進行產品的方案設計和遠景分析。方案設計的目的是對產品做初步的可視化設計，為后面產品研發做預演。為企業開發和管理團隊提供戰略上的部署。方案設計是模擬，需要產品經理對產品做3D模型演示并提供必要的文字說明。方案設計可能有幾個皆可行的方案，需要企業企業開發和管理團隊確定最終的產品設計方案。方案的唯一性確定之后進入項目的任務分解。將產品的設計任務根據團隊人員實際情況進行分解，配備相應的到人員。項目設計任務的分解還有一個關鍵的任務是項目預算。項目設計任務的分解當產品任務分解到人員后，即可開始產品的實質開發階段。開發人員會依據相應的任務進行細化的設計，安排合理的機電類產品設計周期產品，在預估的時間節點完成整機的研發工作。接著進入調試和實驗階段，對目標功能的實現做驗證，各項功能調試后進行整機的聯調和試運行，最后所有功能確認無誤后，項目組進行內部驗收。驗收合格后企業開發和管理團隊做最后驗收。至此產品全生命周期內的開發階段的任務完成。

（二）產品全生命周期內的批量生產階段任務。

在這個階段，主要是對研發后的產品進行批量生產，希望能夠達到預計市場效果。這個階段對研發出的產品進行機械零部件、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和調試。該階段是對研發階段的樣機做批量裝配生產一致性的驗證。該階段需要完成整機的BOM文件資料整理，產品的作業指導書整理，產品說明書、軟件操作說明書、并完成輸出，從而指導生產人員裝配和調試。

在這個階段，需要研發產品的人員對生產過程中出現的問題做處妥善的處理并總結。生產的管理人員對生產的工時、機器使用工時、材料價格做出正確計算，并形成工作臺賬。有條件的企業會使用企業ERP系統對原材料做出相應的生產管理。

（三）產品全生命周期內售后階段。

產品從包裝發貨和用戶使用，這一階段需要定期跟蹤產品的使用情況，并對用戶進行回訪記錄相關問題。為產品迭代優化提供依據。

綜上所述：一款機電類的產品的全生命周期是經過一系列過程：從產品調研、立項、研發、生產、市場銷售直至報廢的整個時間過程。是產品從無到有，從有到優的過程。

（四）以一款斷路器的自動重合閘為例做產品全生命周期設計技術的簡要敘述。

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）。當用戶在使用過程中，會出現跳閘現象。這樣就出現了斷電情況，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 自動重合閘產品的全生命周期中前期準備階段和開發階段的設計過程如表1

4.3 自動重合閘全生命周期中前期準備階段和開發階段的設計過簡要描述：

當前期準備工作：市場調研、可行性分析、合規審查、風險分析之后確認產品立項，開始項目任務分解。該項目進行項目任務分解為2大塊：機械結構設計和電氣設計。

產品研發啟動后進行方案設計，方案設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軌上，外觀和斷路器協調一致，不產生突兀感覺。

二、機械結構設計的任務：

（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。根據最大扭矩確定自動重合閘輸出扭矩。

（二）按照方案設計的要求，主要是布局和體積大小進行機

械傳動的設計。傳動設計是選擇齒輪傳動，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速，結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、當電機、減速傳動比裝置確定之后進行產品的結構設計。結構設計的要求是能夠將電機、減速裝置合理布局，并設計自動重合閘輸出軸。

2、結構零件設計，外發加工，考慮批量要求選擇模具制造。

三、電氣設計的任務：

1、協助機械機構設計、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、和機械結構設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點，要求機械結構做避讓和預留。

5、編程，實現斷路器跳閘后能夠實現自動合閘功能，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試和實驗。調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品設計技術的大概描述，因為機電類產品復雜程度不一樣，有的是系統，有的可以是一個功能單元，所以設計流程可以做相應調整，無需做嚴格按照。

機電類產品全生命周期設計技術的未來發展趨勢

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，結構小巧，使用維護方便、服務優質的產品吸引。這就要求企業在研發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。不同機電類產品的應用領域也會對產品全生命周期設計技術提出要求，比如應用于工業自動化領域的產品，會對可靠性要求更高，便于維護和拆裝。這就要求產品需要進行模塊化設計，采用搭積木的方式，方便的實現工業現場的產品維護。放在數據中心或機房里的產品可以兼顧外觀設計，增加操作人員的工作舒適度。標識設計也是產品設計的一個因素。人們可以通過標識清楚的了解產品的注意事項。還有一些產品為了能夠對售出的產品進行跟蹤，設備運行監控系統也會應用到產品設計中去。這樣產品的運行狀態和數據可以及時的發送至主機。并對產品進行遠程升級和維護。

結語：

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

參考文獻

[1]丁士昭，吳慧娟 建設工程項目管理? 中國建筑工業出版社? 2014

[2]鐘元 面向制造和裝配的產品設計指南

（作者單位：江蘇綠柏智能科技有限公司）