机电系统虚实一体化的创新设计自动化理论与技术研究

汪霜叶

【摘 要】虚实一体化设计是一种内容丰富、形式多样、能够为机电系统创新设计提供丰富资源的、行之有效的设计方式。在虚拟的环境下对机电系统进行设计，能够在产品未生产的情况下，就能让人对产品的最终结果有个大概的印象。虚拟技术的内涵不止这些，目前的虚拟技术还包括了人工现实、虚拟环境、遥现技术、赛博空间等多个方面的内容。20世纪60年代涌现的虚拟现实技术曾引起各国技术界、产业界以及用户的广泛关注并迅速渗透至人们生活的方方面面。近年来，随着虚拟现实理论与技术研究的逐步深入，虚拟现实系统的应用也日趋成熟，围绕如何有效利用虚拟现实技术进行产品设计以及如何科学的进行虚拟现实系统的设计，成为需要着力研究的课题。

【关键词】机电系统；虚实一体化；创新设计

1引言

国际上多家著名大型研究机构对虚实一体化的研究的不断深入，国际上企业界龙头在自己的产品中开发、引入虚实一体化设计，从而使虚实一体化的实用性更具有现实意义。从虚实一体化的发展进程来看，虚实一体化技术的需求市场已经从发展早期的军工市场扩大到了工业、农业、水电建设业、服务业等领域，实现全方位地渗透。从起发展迹象进行分析，虚实一体化最终将成为这个时代信息发展的代表性成果。国内外众多学者在设计自动化领域取得了一些令人鼓舞的成就，然而现有成熟的CAD系统仍未彻底解决长期困扰学术界的需求分析、概念设计、功构映射等难题，对符合设计人员正常设计思维的Top-down设计风范和并行设计等问题的考虑仍显不足，因而导致在人机协同、创新能力等方面的支持依旧有限。作为一种行之有效的设计方法，虚拟设计丰富了设计行为方式，提供了崭新的设计表达形式和设计评价理论，能够在产品设计完成之前形成对产品的具体印象和感受，这些均有助于弥补现有CAD系统的缺陷，但从总体上讲，虚拟设计对设计全过程、特别是对设计过程的早期阶段、对待设计机电系统可能具有的虚实结合功能以及对人在待设计机电系统中的功能体现等问题缺乏考虑，产品设计或使用的体验多是主观的、感性的。

2机电系统虚实一体化的创新设计理论依据

2.1关于虚实一体化的设计

关于机电系统在生产效率、产品品质、生产成本、产品效果和生产环境方面的内容是机电系统企业追求企业产品数量和企业利益重点关注的产品问题。企业机电系统产品的这些问题还是反应企业历史发展战略部署、自身市场竞争力测量、客户对企业产品满意度等认识积累的情况。创新是产品生产的前提，有先进的设计技术是制造技术先进性的保障。创新设计是设计人员采用比传统的设计方案更加有效；在创新的指导下，产品的设计能够提高产品打质量；在设计的时间成本得到节省；对于后继的设计来说，除了有借鉴价值之外，还能够启发后继设计者的设计思路；对于产品来说，其操作上简易性也得到提升。

2.2机电系统虚实一体化的理论基础

创新为企业的市场竞争提供保障，同时创新的设计又是超越传统设计理念中的惯性原则和定性的设计模式。创新设计能够帮助企业走向一个新的战略平台。对于机电系统的创新来说，是对整个机电系统的原理、功能，以及结构上的创新。在机电系统中实现创新，需要机电系统的设计者对机电系统的机理、运作方式和工作模式都有深刻的了解。也就是说，机电系统的创新在设计上能够具有特定的数字和符号的模式。另外，机电系统虚实一体化要有特定的原理，所以在对机电系统虚实一体化设计上的创新，只能够从挖掘设计过程中涉及到的辅助工具的功能入手，从而得出高效的创新设计方案。

3机电系统虚实一体化需求分析

长期以来，人们坚持不懈的将数学规划等方法应用于企业的计划安排和管理以及产业链的有效构筑—从MRP到纵向一体化的ERP再到整合物流、信息流、商流、资金流的横向一体化的供应链管理（SCM）。然而，满足消費者的期望永远是事业成功的关键，因为对于设计者和使用者而言这意味着在有限的资金和时间条件下产生高质量的成果，因此，作为SCM的逆向视角—需求链管理理应成为未来的发展趋势。在软件工程领域，20世纪90年代Jawed Siddiqi明确提出需求工程是软件开发中至关重要的问题，软件开发由注重源码、算法、规范转而注重需求分析，而用户的有效参与以及需求的完备性则是确保需求分析成功的关键，围绕如何有效确认需求出现了基于目标和基于场景的2大类方法，基于目标的方法有KAOS（Knowledge Acquisition in Automated Specification）、（distributed intention）框架、GONFR（Goal Oriented Function Requirement）等方法，它们从原始需求材料的分析入手，通过对最初目标的分解和提炼，逐步获得更具体目标并构造目标模型，进而完成需求建模。

4机电系统虚实一体化创新设计模型

人工手段的制造规律与自然界的变化规律具有辩证统一的关系。产品的生产和自然界的生命一样，是具有一定的生长过程的。所以，根据大自然生物的生长变化的规律，是可以从中总结出产品生产的变化规律的。在对产品进行设计之前，需要对产品的基本信息进行了解。与自然界的生物一样，随着时间的推移，产品的信息内容就会越发的丰富化。这里需要提到有关分解重构的方法理论。分解重构是一种具有较强思维逻辑性的方法，重构和分解是两个独立的个体，但是二者之间有存在着辩证统一的关系。这里的分解指的是世间万物都是可以进行拆分的，但这样的拆分并不是随意的，它需要对事物特有的性质进行考量，要对这些特殊点进行仔细的研究与考量。重构是把事物和特定对象进行重新组合。对于机电系统来说，重构就是对其的功能零件和功能表面在进行过分解之后进行的重新组合。这样一来，机电系统的设计就需要对设计中涉及的算法和原理进行仔细地考虑，最终形成综合性的机电系统设计知识体系。

把机电系统设计的分解模式考虑到机电系统虚实一体化创新设计模型中来，应用分解重构的方法，根据产品的功能原理、物理结构，以及结构与功能之间的覆盖映射，再依据产品的生长特点，最终得出产品的关联信息的内容。这个过程是帮助机电系统虚实一体化创新设计者形成一个概念模式，然后根据产品在生产过程中产生的变化，这些变化再一点一点地积累，最终得到功能完善的元件，以及概念完全的产品。功能完善的元件和概念完全的产品再经由重方法作用，就能够得到与装配模型完全相关的设计。机电系统虚实一体化创新设计的发展正是基于这样的模式，才日益的丰富起来。

结束语

综上所述，机电系统虚实一体化创新设计需要对整个机电系统的各个要素有准确的掌握。有准确的认识才能够对机电系统进行合理的分解。分解的目的是将机电系统中的各个功能元件和功能表面进行几何方式的重构。这样一来，才能在产品生产中，出现的变化能够使的生产的元件更加趋于完善化，有元件构成的产品概念也才能更为完全。有了创新技术的支持，企业才能更好的应对激烈的市场竞争，所以机电系统虚实一体化创新设计的发展是顺应时代要求的。在这个方面的研究前景非常广阔，值得我们对生产过程中出现的有关问题进行深入的研究。

参考文献：

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