机电类产品全生命周期设计技术过程及未来技术发展趋势

高源

摘要：随着我国科学生产力的不断发展，企业生产的产品是竞争的核心要素，是企业发展和赖以生存的技术载体。机电类的产品不断的推动这社会的进步，满足人们多样的需求。机电类产品的设计是企业开发团队成员通过技术整合完成的满足功能需要的脑力劳动，将机械、电气、通信、计算机等领域的科学技术转换成实体。目前微电子单片机及功能芯片的快速发展，以及未来的人工智能，都会赋予机电类产品新的设计理念。总之不断涌现的机电产品会为我们提供更加多元的服务。可以预见，在不久的将来，带人工智能及自动化领域的机电产品会更多的服务于工业和农业，从而将人们从繁重的体力劳动中解放出来。

关键词：全生命周期;机电类产品;设计;自动化;人工智能;农业

前言

机电类产品包含的种内有很多，涉及行业的方方面面，比如机械类产品设计，电气类产品设计，自动化类产品设计，无线电通信类产品设计，医疗器械类产品设计，消费类电子类产品等等。以上的产品并不是某一单一功能的产品设计，而是综合各种不同的种类产品的组合，以一种体现主要服务功能为主的产品。比如一台桌面级3D打印机的产品，就结合了机械、电气、电子、通信等诸多产品的功能于一体。再比如一台医疗机械领域的X光机或呼吸器同样结合机械、电气、电子、通信等诸多产品的功能于一体，但是它的主要服务功能是X射线透视功能或者肺部呼吸功能，其它的机械功能，电气功能，通信功能都是为实现主要功能而存在的，所以每种的功能都是比不可少的。

一、机电类产品全生命周期内的设计技术

（一）产品全生命周期内的开发阶段的任务

一款好的机电类产品一定是经过各个功能要素综合考虑的结果，它主要根据机电产品的复杂程度和客户提的额外要求来对产品进行设计。

企业进行一项产品的研发时，项目经理会进行一系列的市场调研，结合客户需求，市场分析、法律法规的合规性审查，标准的学习等一系列前期工作，之后撰写产品项目可行性研究，风险分析。为企业开发和管理团队提供决策的依据。当所有前期分析工作准备妥当之后，开始项目的立项工作，并进行项目的概算。立项还有一个重要任务就是对项目进行任务人员需求计算和方向上的任务分解。下一个接着的环节是进行产品的方案设计和远景分析。方案设计的目的是对产品做初步的可视化设计，为后面产品研发做预演。为企业开发和管理团队提供战略上的部署。方案设计是模拟，需要产品经理对产品做3D模型演示并提供必要的文字说明。方案设计可能有几个皆可行的方案，需要企业企业开发和管理团队确定最终的产品设计方案。方案的唯一性确定之后进入项目的任务分解。将产品的设计任务根据团队人员实际情况进行分解，配备相应的到人员。项目设计任务的分解还有一个关键的任务是项目预算。项目设计任务的分解当产品任务分解到人员后，即可开始产品的实质开发阶段。开发人员会依据相应的任务进行细化的设计，安排合理的机电类产品设计周期产品，在预估的时间节点完成整机的研发工作。接着进入调试和实验阶段，对目标功能的实现做验证，各项功能调试后进行整机的联调和试运行，最后所有功能确认无误后，项目组进行内部验收。验收合格后企业开发和管理团队做最后验收。至此产品全生命周期内的开发阶段的任务完成。

（二）产品全生命周期内的批量生产阶段任务。

在这个阶段，主要是对研发后的产品进行批量生产，希望能够达到预计市场效果。这个阶段对研发出的产品进行机械零部件、电气功能的电路板组件、通信功能电路板组件等进行批量组装生产和调试。该阶段是对研发阶段的样机做批量装配生产一致性的验证。该阶段需要完成整机的BOM文件资料整理，产品的作业指导书整理，产品说明书、软件操作说明书、并完成输出，从而指导生产人员装配和调试。

在这个阶段，需要研发产品的人员对生产过程中出现的问题做处妥善的处理并总结。生产的管理人员对生产的工时、机器使用工时、材料价格做出正确计算，并形成工作台账。有条件的企业会使用企业ERP系统对原材料做出相应的生产管理。

（三）产品全生命周期内售后阶段。

产品从包装发货和用户使用，这一阶段需要定期跟踪产品的使用情况，并对用户进行回访记录相关问题。为产品迭代优化提供依据。

综上所述：一款机电类的产品的全生命周期是经过一系列过程：从产品调研、立项、研发、生产、市场销售直至报废的整个时间过程。是产品从无到有，从有到优的过程。

（四）以一款断路器的自动重合闸为例做产品全生命周期设计技术的简要叙述。

4.1 功能描述：目前市场上存在许多不同厂家的断路器，有三相三线制（3P）、三相四线制（4P）、单向的断路器（1P）。当用户在使用过程中，会出现跳闸现象。这样就出现了断电情况，需要人去合上断开的断路器。为了能够取代人的操作。在断路器跳闸后，自动重合闸检测到断路器断开后，自动将断开的断路器合上。

4.2 自动重合闸产品的全生命周期中前期准备阶段和开发阶段的设计过程如表1

4.3 自动重合闸全生命周期中前期准备阶段和开发阶段的设计过简要描述：

当前期准备工作：市场调研、可行性分析、合规审查、风险分析之后确认产品立项，开始项目任务分解。该项目进行项目任务分解为2大块：机械结构设计和电气设计。

产品研发启动后进行方案设计，方案设计主要是确保自动重合闸能够和断路器紧密配合，能够装配在断路器的导轨上，外观和断路器协调一致，不产生突兀感觉。

二、機械结构设计的任务：

（一）确定不同厂家断路器的合闸扭矩，找出最小合闸扭矩和最大最大合闸扭矩。确定扭矩范围。根据最大扭矩确定自动重合闸输出扭矩。

（二）按照方案设计的要求，主要是布局和体积大小进行机

械传动的设计。传动设计是选择齿轮传动，材料POM。综合考虑电机的选择，可以选择直流电机或交流电机。选择电机时要考虑电机的大小和电机的转速，结合确定的自动重合闸输出扭矩，确定机械传动的减速比，机械传动比会对扭矩进行放大和缩小。这就需要综合考虑。机械功率的计算P=FV。根据自动重合闸输出扭矩和机械传动的减速比，推出电机的输出功率。

1、当电机、减速传动比装置确定之后进行产品的结构设计。结构设计的要求是能够将电机、减速装置合理布局，并设计自动重合闸输出轴。

2、结构零件设计，外发加工，考虑批量要求选择模具制造。

三、电气设计的任务：

1、协助机械机构设计、确认电机。

2、确认电气工作步骤，选择单片机和各功能芯片。

3、和机械结构设计师确认电气线路板尺寸大小，布板。

4、确定机械位置控制节点，要求机械结构做避让和预留。

5、编程，实现断路器跳闸后能够实现自动合闸功能，和其它的检测功能。

机械零部件和电子线路板组件制作完成后进行整机装配，装配完成后进行功能调试和实验。调试和实验合格之后进行带断路器的试运行。所有功能合格之后验收整机。

上述的项目实例是对机电类产品设计技术的大概描述，因为机电类产品复杂程度不一样，有的是系统，有的可以是一个功能单元，所以设计流程可以做相应调整，无需做严格按照。

机电类产品全生命周期设计技术的未来发展趋势

随着消费者和客户要求的不断提升，和大众的消费心理的变化，人们会被外形美观、颜色悦目，结构小巧，使用维护方便、服务优质的产品吸引。这就要求企业在研发前期和方案阶段做更多的工作，比如前期消费者心理研究，方案阶段的颜色搭配等。不同机电类产品的应用领域也会对产品全生命周期设计技术提出要求，比如应用于工业自动化领域的产品，会对可靠性要求更高，便于维护和拆装。这就要求产品需要进行模块化设计，采用搭积木的方式，方便的实现工业现场的产品维护。放在数据中心或机房里的产品可以兼顾外观设计，增加操作人员的工作舒适度。标识设计也是产品设计的一个因素。人们可以通过标识清楚的了解产品的注意事项。还有一些产品为了能够对售出的产品进行跟踪，设备运行监控系统也会应用到产品设计中去。这样产品的运行状态和数据可以及时的发送至主机。并对产品进行远程升级和维护。

结语：

机电类产品除了对功能的要求之外，人们对外观、颜色、人机工程、舒适度及和环境的和谐要求也是评价产品优良的因素之一，所以就要求机电类产品经理在方案设计时就要综合考虑产品的其它要素，实现产品综合性能的完美结合，避免遗漏，造成设计的返工，推倒重来及设计周期的延长，避免设计师在反复设计中出现逆反情绪和疲劳设计，影响设计质量或者造成设计的失敗。

参考文献

[1]丁士昭，吴慧娟 建设工程项目管理  中国建筑工业出版社  2014

[2]钟元 面向制造和装配的产品设计指南

（作者单位：江苏绿柏智能科技有限公司）