创新型机电产品的快速设计

唐静++王斌

摘要：中国是制造大国，需要产品创新和技术创新。产品创新以市场需求为出发点、以技术应用为支撑，开发出的创新型产品可以给人们的工作和生活带来方便、为企业创造利润。从设计角度出发，阐述机电产品的设计要求，提出一种创新型机电产品的快速设计方法。以设计一种公共场所禁烟自动提醒装置为例，具体说明了创新型机电产品的快速设计流程。

关键词：创新；机电产品；快速设计；变形法；组合法

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）09-0039-03

我国是全球制造大国，但是在产品创新和技术创新等方面相对落后。为改变“产品创新能力比较薄弱”的国情，路甬祥院士提出了利用提升创新设计能力作为促进创新驱动发展、建设创新型国家的重要战略。机电产品广义上是机械产品、电工与电子产品、机电一体化产品，以及这些产品的零配件、附件等的统称。如今，机电产品尤其是创新型机电产品给工作和生活带来了极大方便。

1 机电产品的设计要求

机电产品在设计时要综合考虑多方面的要求，并将设计要求做进一步的分解（如图1所示）。分解后的这些要求是相互关联的，创新型机电产品的设计可以往这些方面思考和延伸。

1） 功能要求。设计机电产品要满足一定的基本功能，如自动控制功能、休闲娱乐功能等。

2） 用户需求。机电产品在设计时要尽量人性化，即考虑用户的情感和心理需求。例如，机电产品的造型要美观大方、人机交互要友好等。一旦用户需求得到满足，产品使用效率就会提高，错误操作的概率也会大大降低[1]。

3） 安全要求。用户在使用机电产品时难免有错误操作，所以机电产品在设计时必须考虑用户和环境等方面的安全因素，尤其是大型机电产品。例如尽可能提高机电产品的自动化程度，在硬件和软件系统中都增加容错设计。

4） 环保需求。设计机电产品时还需要考虑产品在整个寿命周期内对环境的影响，需要进行绿色环保设计。例如，尽可能减小机电产品的质量和体积、降低产品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

5） 成本需求。在满足产品功能要求的前提下，还需要考虑产品在制造、使用、维护和回收整个寿命周期中的总成本，尽量降低各个环节的成本，从而达到从设计源头开始控制成本的目的。例如，合理选择机电产品机械零部件的材料和加工方法、控制电路元器件的类型，以提高产品的回收利用率 [3]。

2 创新型机电产品快速设计的内涵

创新型机电产品的快速设计流程如图2所示。首先，根据市场需求产生创新想法并汇总具体的设计要求（包括上述功能要求、用户需求等），然后开始并行设计产品的机械部分和控制部分。

2.1 机械部分

机械部分可以采用“变形法”来快速设计。所谓“变形法”，指的是新产品的结构以现有产品为基础，在现有产品的主体结构上进行创新或改进，从而实现快速设计的方法。此法尤其适用于中小型机电产品的创新。例如，为解决手机用户长时间托举手机劳累的问题，有人设计出“马桶抽”手机支架，如图（3a）所示，该手机支架由圆形支撑件1和支架2组成。在此基础上应用“变形法”可以设计出“丘比特之箭”手机支架，如图3（b）所示，该手机支架既包括与“马桶抽”手机支架主体结构相似的心形支撑件1和支架2，又增加了钥匙扣环3和角度调节装置4，且支架2可以收进支撑面1的支架槽内，既能调节手机角度又方便携带。机械部分的设计可以应用UG、Solidworks等软件快速地进行三维造型和二维出图。

2.2 控制部分

控制部分可以采用“组合法”来快速设计。所谓“组合法”，指的是设计控制电路时，将一些基本的电路模块（如电源模块、显示模块、接口模块等）拼搭和完善。设计控制程序时，将一些基本的程序模块（如延时程序、计数程序等）整合与应用，从而实现快速设计的方法。组合法的应用在下文的禁烟装置中举例说明。

机械部分和控制部分在并行设计结束后，需要及时整理创新型机电产品的设计资料并告知企业，以便产品尽快投入市场、创造价值。

3 快速设计实例

如今，在网吧和饭店等公共场所，仍有部分烟民吞云吐雾，对张贴的静态禁烟标志视若罔闻。如果公共场安装动态的禁烟提醒装置，禁烟效果会更好。创新想法产生后，列出产品的设计要求： 1）动态地显示“公共场所，请勿吸烟”的文字提醒信息。2）有灭烟和放置烟头等垃圾的零部件。3）如果检测出空气中烟雾浓度超标，可以发出“公共场所，请勿吸烟”的语音提醒信息；如果有吸烟者摁灭香烟，可以发出“谢谢合作！”的语音信息，安抚吸烟者的情绪，满足用户需求。设计要求汇总后，可以从机械和控制两大部分着手，并行地快速设计相应内容。

3.1 控制部分设计

1） 确定控制方案。根据上述设计要求，控制部分主要需要控制器、显示模块、语音模块和输入信号元件（烟雾浓度传感器和吸烟者摁灭香烟时触发的微动开关）。其中，控制器可以选择单片机、PLC等。从功能要求和成本需求出发，控制器选择单片机AT89C51。

2） 设计控制电路。根据上述控制方案，并结合机械设计方案，选择所需的元器件来设计电路。元器件可以选择性价比高的典型元件，以方便电路模块和程序模块的快速组合。本例中，语音模块选用ISD1700，显示模块选用PG12864F，烟雾浓度传感器选择MP135，微动开关选择霍尼韦尔ZD系列小型防水防尘微动开关。控制电路的设计可以在Proteus、Protel等软件中应用组合法拼搭电源模块、液晶显示模块、语音模块和接口模块来快速设计。

3） 程序设计与调试。根据控制要求，程序设计流程如图4所示。

程序设计时，可以在编程软件中整合汉字显示、语音播报、延时控制等函数的程序模块，最后通过主函数调用。最后，将利用组合法快速设计完成的控制电路和程序在软件中仿真与调试。在Proteus软件中，将目标代码文件no_smoking.hex加载到AT89C51单片机中，该禁烟装置显示模块的电路及仿真结果如图5所示。

3.2 机械部分设计

1） 确定机械设计方案。机械部分设计时，除了满足各项设计要求，同样需要考虑控制部分的设计方案。例如，显示模块、语音模块及控制电路板的放置位置等。该禁烟装置的机械部分要能够放置上述显示模块和语音模块，并且能够灭烟、放置烟头等垃圾。机械部分设计时主要考虑上述两部分内容。

2） 三维造型。在现有的查询机的结构基础上，通过变形法可以快速设计出如图6所示的禁烟装置机械结构图。其中，显示模块1和语音模块2安装在上端的方形壳体中，壳体通过支架5支撑，灭烟盒3放在支架5的凸台上，垃圾桶4挂在支架5的挂钩上。当吸烟者在灭烟盒中摁灭香烟时，将触发灭烟盒下方的复位弹簧35和微动开关。

3） 二维出图。完成三维造型后，应用CAD软件可以快速生成相关联的二维图纸，注意尺寸和公差的标注。

完成机械部分和控制部分的设计后，整理相关资料。机械部分的资料主要包括总装配图和各个零件图，控制部分的资料主要包括单片机控制电路图、C语言控制程序和电子与电气元件明细表。

4 结语

创新型机电产品需要缩短设计周期，尽快投放市场。“变形法”借鉴现有产品的结构，可以实现创新型机电产品机械部分的快速设计。使用“变形法”时，设计者可以根据设计要求和设计经验创新或改良现有产品以满足各项要求。“组合法”基于基本的电路和程序模块，可以实现创新型机电产品控制部分的快速设计。使用“组合法”时，电路模块的拼搭和程序模块的整合，需要进一步组合与完善，确保控制部分的设计正确。上述禁烟装置的设计中，“变形法”和“组合法”都得到了很好的应用。设计其他创新型机电产品时，可以借鉴这些方法来达到快速设计的目的。

摘要：中国是制造大国，需要产品创新和技术创新。产品创新以市场需求为出发点、以技术应用为支撑，开发出的创新型产品可以给人们的工作和生活带来方便、为企业创造利润。从设计角度出发，阐述机电产品的设计要求，提出一种创新型机电产品的快速设计方法。以设计一种公共场所禁烟自动提醒装置为例，具体说明了创新型机电产品的快速设计流程。

关键词：创新；机电产品；快速设计；变形法；组合法

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）09-0039-03

我国是全球制造大国，但是在产品创新和技术创新等方面相对落后。为改变“产品创新能力比较薄弱”的国情，路甬祥院士提出了利用提升创新设计能力作为促进创新驱动发展、建设创新型国家的重要战略。机电产品广义上是机械产品、电工与电子产品、机电一体化产品，以及这些产品的零配件、附件等的统称。如今，机电产品尤其是创新型机电产品给工作和生活带来了极大方便。

1 机电产品的设计要求

机电产品在设计时要综合考虑多方面的要求，并将设计要求做进一步的分解（如图1所示）。分解后的这些要求是相互关联的，创新型机电产品的设计可以往这些方面思考和延伸。

1） 功能要求。设计机电产品要满足一定的基本功能，如自动控制功能、休闲娱乐功能等。

2） 用户需求。机电产品在设计时要尽量人性化，即考虑用户的情感和心理需求。例如，机电产品的造型要美观大方、人机交互要友好等。一旦用户需求得到满足，产品使用效率就会提高，错误操作的概率也会大大降低[1]。

3） 安全要求。用户在使用机电产品时难免有错误操作，所以机电产品在设计时必须考虑用户和环境等方面的安全因素，尤其是大型机电产品。例如尽可能提高机电产品的自动化程度，在硬件和软件系统中都增加容错设计。

4） 环保需求。设计机电产品时还需要考虑产品在整个寿命周期内对环境的影响，需要进行绿色环保设计。例如，尽可能减小机电产品的质量和体积、降低产品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

5） 成本需求。在满足产品功能要求的前提下，还需要考虑产品在制造、使用、维护和回收整个寿命周期中的总成本，尽量降低各个环节的成本，从而达到从设计源头开始控制成本的目的。例如，合理选择机电产品机械零部件的材料和加工方法、控制电路元器件的类型，以提高产品的回收利用率 [3]。

2 创新型机电产品快速设计的内涵

创新型机电产品的快速设计流程如图2所示。首先，根据市场需求产生创新想法并汇总具体的设计要求（包括上述功能要求、用户需求等），然后开始并行设计产品的机械部分和控制部分。

2.1 机械部分

机械部分可以采用“变形法”来快速设计。所谓“变形法”，指的是新产品的结构以现有产品为基础，在现有产品的主体结构上进行创新或改进，从而实现快速设计的方法。此法尤其适用于中小型机电产品的创新。例如，为解决手机用户长时间托举手机劳累的问题，有人设计出“马桶抽”手机支架，如图（3a）所示，该手机支架由圆形支撑件1和支架2组成。在此基础上应用“变形法”可以设计出“丘比特之箭”手机支架，如图3（b）所示，该手机支架既包括与“马桶抽”手机支架主体结构相似的心形支撑件1和支架2，又增加了钥匙扣环3和角度调节装置4，且支架2可以收进支撑面1的支架槽内，既能调节手机角度又方便携带。机械部分的设计可以应用UG、Solidworks等软件快速地进行三维造型和二维出图。

2.2 控制部分

控制部分可以采用“组合法”来快速设计。所谓“组合法”，指的是设计控制电路时，将一些基本的电路模块（如电源模块、显示模块、接口模块等）拼搭和完善。设计控制程序时，将一些基本的程序模块（如延时程序、计数程序等）整合与应用，从而实现快速设计的方法。组合法的应用在下文的禁烟装置中举例说明。

机械部分和控制部分在并行设计结束后，需要及时整理创新型机电产品的设计资料并告知企业，以便产品尽快投入市场、创造价值。

3 快速设计实例

如今，在网吧和饭店等公共场所，仍有部分烟民吞云吐雾，对张贴的静态禁烟标志视若罔闻。如果公共场安装动态的禁烟提醒装置，禁烟效果会更好。创新想法产生后，列出产品的设计要求： 1）动态地显示“公共场所，请勿吸烟”的文字提醒信息。2）有灭烟和放置烟头等垃圾的零部件。3）如果检测出空气中烟雾浓度超标，可以发出“公共场所，请勿吸烟”的语音提醒信息；如果有吸烟者摁灭香烟，可以发出“谢谢合作！”的语音信息，安抚吸烟者的情绪，满足用户需求。设计要求汇总后，可以从机械和控制两大部分着手，并行地快速设计相应内容。

3.1 控制部分设计

1） 确定控制方案。根据上述设计要求，控制部分主要需要控制器、显示模块、语音模块和输入信号元件（烟雾浓度传感器和吸烟者摁灭香烟时触发的微动开关）。其中，控制器可以选择单片机、PLC等。从功能要求和成本需求出发，控制器选择单片机AT89C51。

2） 设计控制电路。根据上述控制方案，并结合机械设计方案，选择所需的元器件来设计电路。元器件可以选择性价比高的典型元件，以方便电路模块和程序模块的快速组合。本例中，语音模块选用ISD1700，显示模块选用PG12864F，烟雾浓度传感器选择MP135，微动开关选择霍尼韦尔ZD系列小型防水防尘微动开关。控制电路的设计可以在Proteus、Protel等软件中应用组合法拼搭电源模块、液晶显示模块、语音模块和接口模块来快速设计。

3） 程序设计与调试。根据控制要求，程序设计流程如图4所示。

程序设计时，可以在编程软件中整合汉字显示、语音播报、延时控制等函数的程序模块，最后通过主函数调用。最后，将利用组合法快速设计完成的控制电路和程序在软件中仿真与调试。在Proteus软件中，将目标代码文件no_smoking.hex加载到AT89C51单片机中，该禁烟装置显示模块的电路及仿真结果如图5所示。

3.2 机械部分设计

1） 确定机械设计方案。机械部分设计时，除了满足各项设计要求，同样需要考虑控制部分的设计方案。例如，显示模块、语音模块及控制电路板的放置位置等。该禁烟装置的机械部分要能够放置上述显示模块和语音模块，并且能够灭烟、放置烟头等垃圾。机械部分设计时主要考虑上述两部分内容。

2） 三维造型。在现有的查询机的结构基础上，通过变形法可以快速设计出如图6所示的禁烟装置机械结构图。其中，显示模块1和语音模块2安装在上端的方形壳体中，壳体通过支架5支撑，灭烟盒3放在支架5的凸台上，垃圾桶4挂在支架5的挂钩上。当吸烟者在灭烟盒中摁灭香烟时，将触发灭烟盒下方的复位弹簧35和微动开关。

3） 二维出图。完成三维造型后，应用CAD软件可以快速生成相关联的二维图纸，注意尺寸和公差的标注。

完成机械部分和控制部分的设计后，整理相关资料。机械部分的资料主要包括总装配图和各个零件图，控制部分的资料主要包括单片机控制电路图、C语言控制程序和电子与电气元件明细表。

4 结语

创新型机电产品需要缩短设计周期，尽快投放市场。“变形法”借鉴现有产品的结构，可以实现创新型机电产品机械部分的快速设计。使用“变形法”时，设计者可以根据设计要求和设计经验创新或改良现有产品以满足各项要求。“组合法”基于基本的电路和程序模块，可以实现创新型机电产品控制部分的快速设计。使用“组合法”时，电路模块的拼搭和程序模块的整合，需要进一步组合与完善，确保控制部分的设计正确。上述禁烟装置的设计中，“变形法”和“组合法”都得到了很好的应用。设计其他创新型机电产品时，可以借鉴这些方法来达到快速设计的目的。

摘要：中国是制造大国，需要产品创新和技术创新。产品创新以市场需求为出发点、以技术应用为支撑，开发出的创新型产品可以给人们的工作和生活带来方便、为企业创造利润。从设计角度出发，阐述机电产品的设计要求，提出一种创新型机电产品的快速设计方法。以设计一种公共场所禁烟自动提醒装置为例，具体说明了创新型机电产品的快速设计流程。

关键词：创新；机电产品；快速设计；变形法；组合法

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）09-0039-03

我国是全球制造大国，但是在产品创新和技术创新等方面相对落后。为改变“产品创新能力比较薄弱”的国情，路甬祥院士提出了利用提升创新设计能力作为促进创新驱动发展、建设创新型国家的重要战略。机电产品广义上是机械产品、电工与电子产品、机电一体化产品，以及这些产品的零配件、附件等的统称。如今，机电产品尤其是创新型机电产品给工作和生活带来了极大方便。

1 机电产品的设计要求

机电产品在设计时要综合考虑多方面的要求，并将设计要求做进一步的分解（如图1所示）。分解后的这些要求是相互关联的，创新型机电产品的设计可以往这些方面思考和延伸。

1） 功能要求。设计机电产品要满足一定的基本功能，如自动控制功能、休闲娱乐功能等。

2） 用户需求。机电产品在设计时要尽量人性化，即考虑用户的情感和心理需求。例如，机电产品的造型要美观大方、人机交互要友好等。一旦用户需求得到满足，产品使用效率就会提高，错误操作的概率也会大大降低[1]。

3） 安全要求。用户在使用机电产品时难免有错误操作，所以机电产品在设计时必须考虑用户和环境等方面的安全因素，尤其是大型机电产品。例如尽可能提高机电产品的自动化程度，在硬件和软件系统中都增加容错设计。

4） 环保需求。设计机电产品时还需要考虑产品在整个寿命周期内对环境的影响，需要进行绿色环保设计。例如，尽可能减小机电产品的质量和体积、降低产品的能耗、提高零部件的可回收利用率等[2]。

5） 成本需求。在满足产品功能要求的前提下，还需要考虑产品在制造、使用、维护和回收整个寿命周期中的总成本，尽量降低各个环节的成本，从而达到从设计源头开始控制成本的目的。例如，合理选择机电产品机械零部件的材料和加工方法、控制电路元器件的类型，以提高产品的回收利用率 [3]。

2 创新型机电产品快速设计的内涵

创新型机电产品的快速设计流程如图2所示。首先，根据市场需求产生创新想法并汇总具体的设计要求（包括上述功能要求、用户需求等），然后开始并行设计产品的机械部分和控制部分。

2.1 机械部分

机械部分可以采用“变形法”来快速设计。所谓“变形法”，指的是新产品的结构以现有产品为基础，在现有产品的主体结构上进行创新或改进，从而实现快速设计的方法。此法尤其适用于中小型机电产品的创新。例如，为解决手机用户长时间托举手机劳累的问题，有人设计出“马桶抽”手机支架，如图（3a）所示，该手机支架由圆形支撑件1和支架2组成。在此基础上应用“变形法”可以设计出“丘比特之箭”手机支架，如图3（b）所示，该手机支架既包括与“马桶抽”手机支架主体结构相似的心形支撑件1和支架2，又增加了钥匙扣环3和角度调节装置4，且支架2可以收进支撑面1的支架槽内，既能调节手机角度又方便携带。机械部分的设计可以应用UG、Solidworks等软件快速地进行三维造型和二维出图。

2.2 控制部分

控制部分可以采用“组合法”来快速设计。所谓“组合法”，指的是设计控制电路时，将一些基本的电路模块（如电源模块、显示模块、接口模块等）拼搭和完善。设计控制程序时，将一些基本的程序模块（如延时程序、计数程序等）整合与应用，从而实现快速设计的方法。组合法的应用在下文的禁烟装置中举例说明。

机械部分和控制部分在并行设计结束后，需要及时整理创新型机电产品的设计资料并告知企业，以便产品尽快投入市场、创造价值。

3 快速设计实例

如今，在网吧和饭店等公共场所，仍有部分烟民吞云吐雾，对张贴的静态禁烟标志视若罔闻。如果公共场安装动态的禁烟提醒装置，禁烟效果会更好。创新想法产生后，列出产品的设计要求： 1）动态地显示“公共场所，请勿吸烟”的文字提醒信息。2）有灭烟和放置烟头等垃圾的零部件。3）如果检测出空气中烟雾浓度超标，可以发出“公共场所，请勿吸烟”的语音提醒信息；如果有吸烟者摁灭香烟，可以发出“谢谢合作！”的语音信息，安抚吸烟者的情绪，满足用户需求。设计要求汇总后，可以从机械和控制两大部分着手，并行地快速设计相应内容。

3.1 控制部分设计

1） 确定控制方案。根据上述设计要求，控制部分主要需要控制器、显示模块、语音模块和输入信号元件（烟雾浓度传感器和吸烟者摁灭香烟时触发的微动开关）。其中，控制器可以选择单片机、PLC等。从功能要求和成本需求出发，控制器选择单片机AT89C51。

2） 设计控制电路。根据上述控制方案，并结合机械设计方案，选择所需的元器件来设计电路。元器件可以选择性价比高的典型元件，以方便电路模块和程序模块的快速组合。本例中，语音模块选用ISD1700，显示模块选用PG12864F，烟雾浓度传感器选择MP135，微动开关选择霍尼韦尔ZD系列小型防水防尘微动开关。控制电路的设计可以在Proteus、Protel等软件中应用组合法拼搭电源模块、液晶显示模块、语音模块和接口模块来快速设计。

3） 程序设计与调试。根据控制要求，程序设计流程如图4所示。

程序设计时，可以在编程软件中整合汉字显示、语音播报、延时控制等函数的程序模块，最后通过主函数调用。最后，将利用组合法快速设计完成的控制电路和程序在软件中仿真与调试。在Proteus软件中，将目标代码文件no_smoking.hex加载到AT89C51单片机中，该禁烟装置显示模块的电路及仿真结果如图5所示。

3.2 机械部分设计

1） 确定机械设计方案。机械部分设计时，除了满足各项设计要求，同样需要考虑控制部分的设计方案。例如，显示模块、语音模块及控制电路板的放置位置等。该禁烟装置的机械部分要能够放置上述显示模块和语音模块，并且能够灭烟、放置烟头等垃圾。机械部分设计时主要考虑上述两部分内容。

2） 三维造型。在现有的查询机的结构基础上，通过变形法可以快速设计出如图6所示的禁烟装置机械结构图。其中，显示模块1和语音模块2安装在上端的方形壳体中，壳体通过支架5支撑，灭烟盒3放在支架5的凸台上，垃圾桶4挂在支架5的挂钩上。当吸烟者在灭烟盒中摁灭香烟时，将触发灭烟盒下方的复位弹簧35和微动开关。

3） 二维出图。完成三维造型后，应用CAD软件可以快速生成相关联的二维图纸，注意尺寸和公差的标注。

完成机械部分和控制部分的设计后，整理相关资料。机械部分的资料主要包括总装配图和各个零件图，控制部分的资料主要包括单片机控制电路图、C语言控制程序和电子与电气元件明细表。

4 结语

创新型机电产品需要缩短设计周期，尽快投放市场。“变形法”借鉴现有产品的结构，可以实现创新型机电产品机械部分的快速设计。使用“变形法”时，设计者可以根据设计要求和设计经验创新或改良现有产品以满足各项要求。“组合法”基于基本的电路和程序模块，可以实现创新型机电产品控制部分的快速设计。使用“组合法”时，电路模块的拼搭和程序模块的整合，需要进一步组合与完善，确保控制部分的设计正确。上述禁烟装置的设计中，“变形法”和“组合法”都得到了很好的应用。设计其他创新型机电产品时，可以借鉴这些方法来达到快速设计的目的。