机电产品需求获取及概念设计探析

2018-08-17王灵秀

机电产品开发与创新 2018年4期

王灵秀

（中国矿业大学，江苏徐州 221000）

0 引言

为了能够满足机电产品一体化设计的目标，就需要做好机电产品长期使用服务功能的合理优化，并且能够加深对机电产品概念设计的实际了解，再配合上多学科的融合，通过UGNX平台的使用，就可以全面的提升产品概念的设计合理性。所以，在进行机电产品概念设计的时候，就需要合理的利用UGNX，这样才可以确保其达到预期的效果，迎合机电产品的实际需求。

1 概念设计

1.1 定义

所谓概念设计，就是基于用户的实际需求，从而对概念产品创新设计进行求解的一个过程。其主要的研究内容是基于用户的实际需求出发，确定需要实现的功能，从而求解概念结构，然后按照一系列的经济指标以及技术特性来进行评价，这样就可以确定出最优的概念产品方案[1]。

虽然成功的概念设计能够提升产品的设计水平，也能够提升产品的实际性能，但是在具体的设计过程中，需要社会科学、工程科学等学科领域知识的支持。概念设计过程之中，不仅会受到市场定位、消费需求等市场因素的影响，也会受到材料工艺、生产技术等技术的约束，所以，就需要得到设计者专业领域知识的支持。在处理用户需求以及产品规划方面，QFD理论占据了较大的优势，并且TRIZ能够提供解决矛盾的有效措施，并且在科学效应库的支持之下，就可以获取跨领域的解。所以，在概念设计的过程之中，就需要集成其余的现代设计方法，并且不断的提升概念设计水平，这样才可以对后续的产品开发过程加以指导。

1.2 内涵和特点

产品设计的过程模型，一般是针对产品设计抽象化归纳，最为广泛的表述就是做好产品设计的划分，如设计目标、需求分析、概念设计以及具体设计等。针对产品设计，其模型见图1所示。

产品的概念设计主要包含：①基于用户需求，明确影响权重，直接映射出产品的目标值和技术特征，其中包含产品的总体功能与目标值，也就是实现功能需求；②分析功能，从而分解并且完成需求到功能的相互转换；③分析其功能，然后分解并完成需求到功能的转换；④基于功能模式的“被动实体变化”，就可以对功能改变的物理量进行识别，然后将其映射到行为，这样才可以满足功能-行为的映射；⑤从行为到效应的映射，然后由效应直接映射出实现效应的主要结构[2]；⑥对于功能、概念结构等产品的实际因素进行综合的考虑，从而建立出相对应的结构模型。针对产品概念设计，其实际的过程模型见图2所示。

图1 产品设计过程模型Fig.1 Product design process model

图2 概念设计流程Fig.2 Conceptual design process

进行产品概念设计，就是为了能够获取概念产品，并且概念产品还应该符合需求设计，从而成为指导产品后续开发的基础。设计者需要按照用户的实际需求来实现层次化的功能分解，这样就可以分解首相的设计任务，将其具体到子任务，如图3所示。通过抽象问题的分解，设计者就能够直接将总体的设计任务细化与分解，最终对设计任务进行求解，形成概念产品。

图3 产品功能层次模型Fig.3 Product function hierarchy model

2 概念设计需求处理技术

2.1 用户需求的构成要素

在进行需求处理的时候，首先可以针对用户的需求进行描述，由于用户需求本身呈现出多变性和多样性的特点，就无法得到确切的描述。通过产品特点的实际分析，总结并归纳用户需求，可以发现对机械产品而言，其用户需求主要表现在：①功能，也就是表示产品能够改变动物体的物理量行为；②质量，产品能够实现其功能的实际程度以及在试用期内功能的保持性，如耐久性、可靠性与安全性；③工效，指的是单位时间中，工作指标的完成量；④价格，用户期望新产品本身具有合理的价格与成本；⑤人机工程，能够满足人机工程学的基本原理，如产品的美观度、舒适性；⑥结构，能够实现合理的布局，如装配关系、零件结构等；⑦用户对于产品特点的使用和安装的需求；⑧环保，也就是环境的保护要求；⑨节能，要求在生产与使用的过程中实现低耗能；⑩服务，除开产品之外，如维修与退换等[3]。

2.2 用户需求的特征

所谓需求，就是生活之中人们对于产品提出的物质要求以及精神要求。对于机电产品来说，需求就是实现产品功能，对于价格等附加因素的实际期望值。针对需求，其主要表现在：

（1）用户需求层次性。基本需求指的是用户认为产品需要具备的功能，如图4所示，其特点在于当需求无法满足的时候，用户会极度不满意，但是满足很好的时候，反而不会产生特别的兴趣。所谓期望需求，也可以称之为一维型需求，指的是用户希望产品拥有的功能，其特点在于用户满意度以及产品具有的需求程度呈现出线性的关系。兴趣需求，则是用户在期望之外的功能需求，能够引起用户的兴趣，如果无法具备，则可能引起用户的不满意。

（2）用户需求的多样性、差异性以及多变性。也就是基于不同的经济基础、社会环境和意识形态，对于产品需求的表现和反映具有多样性、差异性以及不同时段所表现出来的需求也是复杂多变的，甚至同一调查对象处于不同场景之中，对于需求的评判结构也会所有差异。

图4 用户需求模型Fig.4 User requirements model

（3）用户需求模糊性。由于评价尺度的模糊与不同意，用户需求就会经常存在无法明确的表述问题，需要设计人员基于产品应用的实际场景来分析与判定其需求，必要时，还需要结合设计经验，将用户的需求加以明确。

3 机电产品概念设计中UGNX的应用

3.1 明确设计需求，强化设计过程管理

利用生命周期的管理软件，再加上MCD的有效配合，这样就可以指定出端到端问题的解决措施，进而将概念设计的有效性提上去。在具体的操作中，利用产品的生命周期管理软件，就可以建立满足实际需求的，可以按照客户需求来进行分析的参考模型，并对各个部分的产品功能加以说明，最终提升设计方案本身的适用性。在两者的支持下，就可以通过有效的保障实现概念设计的目标。

3.2 构建产品功能模型

考虑到生命周期管理软件的作用，按照具体的需求进行设计，按照相应的导入方式，就需要先放入已经设置完毕的MCD，这样就能提升管理软件与设计需求之间的关联度，并且在构建圆形装载机功能模型的时候，也应该考虑到：①明确机电一体化系统每一个部分的功能，能够做好装载功能设计的循环优化；②基于MCD的支持，就能够构建出相对应的层次结构，进而确保所有的辅助机构、处理单元都能置身于相对稳定的状态下；③循环使用各个功能。在进行机电一体化产品概念设计的手，还需要考虑到多次利用同一种功能，能够满足本身的循环利用需求。因此，在具体的环节，利用MCD设计工具，就可以将实际的效率完全展示出来，并且还可以发挥每一个动能单元作用[4]。

3.3 明确机械概念的定义

在构建完机电产品功能模型之后，就可以考虑到UGNX之下的MCD设计工具，这样就可以构建相对粗糙的产品功能模型。在这一个环节，圆形的装载机概念设计能够针对各个组件的继电属性加以定义，基于机械的角度进行分析，同时也需要明确具体的行为。基于粗糙的三维模型，就可以将MCD机电产品概念设计的良好性呈现出来，具体而言：①针对功能模型之中的属性可以进行科学的定义；②不同组件的运动连接能够得以明确；③不同子功能的衔接要求能够得以满足。

3.4 添加抽象执行机构及基于时间操作的定义

在机电一体化产品概念设计中，设计的合理性需要重点考虑，基于系统运动学特性的基础上，还应该增添抽象执行机构。另外，MCD还可以提供速度方面的控制以及位置方面的控制，最终在广义执行机构系统中满足圆形装载机的概念设计。当然，在执行机构定义完成之后，还需要对怎样操作进行具体的分析与说明。因此，就需要基于时间来对其进行定义，并且还应该分析圆形装载机实际的操作顺序：①基座应该满足正常旋转的要求；②滑块应该满足垂直运动的要求；③握爪应该满足线性运动模式的要求。

3.5 产品概念设计的三维动态仿真及模型构建

想要将基于MCD机电一体化的概念设计目标实现，就需要针对性的做好三维动态仿真处理，这样才可以将可能存在的设计缺陷逐一的弥补完善。因为MCD属于核心程序，就可以同归建模的方式对现实的环境进行相对应的模拟处理，这样也能够将机械的概念明确，同时也能够优化机电产品的服务功能。因此，基于MCD的概念设计方式也需要进行合理的使用。另外，基于MCD的仿真技术支持，就需要在虚拟环境之中融入机电产品的机械行为，如此也可以满足模型三维动态仿真的实际需求，并且做好相应模型的构建，从而提升设计的科学性[5]。