基于数据驱动的复杂机电产品创新设计探析

杨琳琳

（中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

0 引言

随着计算机技术的不断进步，机械设计能够实现最优化的产品结构设计，并且逐渐形成立足于信息集成系统和专家系统的开发平台，最终迎合市场的需求。

1 复杂机电产品创新设计中数据挖掘的应用

信息知识社会的来临，使得创新成为经济发展、社会进步的不竭动力。复杂机电产品的创新，就是基于知识作为基础来进行创造，所以，知识的获取，就是创新的基础条件，同时也是对复杂机电产品创新产生影响的关键因素。

通过计算机技术来进行创新设计，主要包含：基于规则的设计方法和基于实例的设计方法。第一，基于规则的设计，在设计之前需要描述专有的理论知识以及功能，在设计中，基于已经建立的规则，通过计算机技术来加以访问，从而获取有用的信息进行后续的指导设计，最终将产品设计完成。第二，基于实例的设计，针对给定的设计问题，将设计问题直接转化成为功能表示的方法，利用实例知识库信息，直接将功能模型转化成为需要的设计结果。设计者按照设计的需求以及构件特征，就通过规则库的反复使用，从而对设计工作进行指导，最终获取设计方案。这一种方法的思想简单，并且相对容易实现，能够克服知识的难题，因此也可以得到广泛的使用。基于实例的设计，能够在已知信息较少的前提下，依旧可以获取满意的解决方案。基于这一种分析，在方案要求得以满足的前提下，基于规则设计，就可以将知识获取的难题克服[1]。

基于规则知识挖掘与获取工作，才是数据挖掘需要的研究问题，并且还能够获取不错的研究成果。为了能够将复杂机电产品创新的问题解决，直接利用数据挖掘技术来获取关联规则知识，这样就可以对复杂机电产品创新设计加以辅助，从而解决瓶颈问题。

2 数据驱动的复杂机电产品创新设计实例分析

基于数据驱动的复杂机电产品创新设计实例的分析，首先就应该对其需求与功能进行分析，然后基于功能-结构的包装机设计知识进行建模，最后，基于测试结果的包装机创新设计分析，这样就可以了解数据驱动下的复杂机电产品创新设计途径。

2.1 需求与功能分析

（1）需求分析。在进入市场之前，包装是需要进行的过程，实现包装，需要利用包装机械。不难看出，市场对于包装机械有着庞大的需求。目前，物品形状外观有所差异，利用包装，就可以做好相对应的改变，这对于包装机械就提出了更高的要求。目前，包装机的需求特点在于：

第一，结构设计标准化、模组化。相同的包装机，在经过调整之后，就可以实现不同产品的包装，只需要改变原有的基础，就可以得到另外一种包装机[2]。

第二，包装速度快。包装机可以从原本的单列包装朝着多列包装过渡，可以增强包装的速度。

第三，运行精度高。通过全新技术，利用编码器、伺服电机、可编程控制器PLC等，就可以执行各种动作，最终提升包装机的运行精度。

第四，控制智能化、弹性化。通过智能型仪器、触摸屏显示各种应用软件，就能够实时的跟踪各种运行参数。在电子屏幕上，也可以随时的显示包装温度、包装速度以及包装产量等情况。

第五，包装类型多样化。基于市场对于包装类型的实际需求来调整包装机，从而生成多样类型的包装。

（2）功能分析。基于需求分析，从而进行功能的分析。包装机一般是由驱动系统、传动系统、检测系统等共同来组成，其中，每一个部分的功能都有不一样的要求。

第一，驱动系统。驱动系数能够为包装机械提供一定的动力，这样就可以满足系统之间能量转换。针对包装机械，不仅仅需要对各种尺寸的产品加以包装，同时也需要确保包装尺寸的精度。所以，在驱动系统设计中，需要合理的选择电机。

第二，传动系统。传动系统属于执行元件和动力元件之间的传动装置。对于产品包装而言，每一天包装数量使用较多，这就需要确保包装机的生产效率，从而来针对性的选择传动机构。

第三，检测系统。检测系统主要是确保包装机的位移、旋转、速度的精度装置。随着产品多样化，产品形状与大小的改变，其各种要求也在不断的增多，这就要求我们能够生产出尺寸不一的包装，并且还需要实现温度与精度的合理控制，最终来选择检测机构。

第四，控制系统。控制系统是为了满足系统之间的稳定，并且让包装机可以将功能任务完成。智能时代的来临，对于包装机控制系统要求越来越严格，所以就需要选择合适的控制装置来加以实现[3]。

第五，辅助系统。除开上述系统之外，能够确保包装机顺利运行的其他装置。如做好包装机的润滑保养、满足环境条件的需求，这样才可以合理的选择辅助装置来实现。

2.2 基于功能-结构的包装机设计知识建模

针对包装机的设计知识进行建模。在包装机机械之中主要包含了驱动系统、传动系统、检测系统、控制系统和辅助系统。基于功能-结构映射模型，从而分解包装机的欧洲那个功能，这样就可以获取相对应的子功能，针对每一组成分功能进行分解，直至分解可以获取关联规则知识表所对应的子功能为止，然后通过获取的功能与结构关联知识，就能直接获取结构解，最终获取能够满足包装机子功能需求的结构，然后进行结构的组合，将包装机的设计完成。

（1）驱动功能。基于需求与功能分析，包装机驱动系统能够同时生产不同尺寸包装，能够满足不同规格产品的需求，在包装生产中，能够满足尺寸最大值与最小值之差。所以，包装机产品驱动功能包含：第一，确保包装机包装尺寸不一，第二，确保包装尺寸的精度，也就是包装机产品的驱动动能能够分解成为确保包装尺寸不一和保证包装尺寸精度的子功能。

通过驱动功能子功能的查找，确保包装尺寸不一以及包装精度能够建立关联规则指示表当中找到对应的结构。通过查找，结果是不能找到相对应的结果，就需要做好子功能进一步的分解，见图1所示。

图1 驱动功能子功能分解图Fig.1 Driver function subfunction decomposition diagram

之后，再分别的查找子功能实现转速可调驱动以及精度高的驱动能否建立关联规则指示表之中找到相对应的结构。通过查找，结果是相对应的，从而完成分解。

（2）传动功能。由于传动系统是为了满足快速的运输包装。所以，包装机产品传动功能包含了一个子功能，就是确保生产的效率，也就是包装机产品的传动功能可以直接分解成为满足生产效率的子功能[4]。

之后查找传动功能子功能满足包装生产效率是否能够建立关联规则指示表之中找到对应的结构，如果查找之后的结果与其无法相互的对应，就需要继续分解子功能，具体见图2所示。

图2 传动功能子功能分解图Fig.2 Functional decomposition diagram of transmission functions

之后通过查找子功能提供较高效率传动能否建立关联规则指示表，就可以找到相对应的结构。通过查找，结果是相对应的，从而完成分解。

（3）检测功能。基于前面的需求与功能分析，包装机产品的检测功能主要包含：第一，包装尺寸精度；第二，包装尺寸不一；第三，包装温度。也就是在检测功能之中需要将其划分成为包装尺寸精度、尺寸不一、包装温度。

之后，对于三个子功能进行查找，从而在能否建立关联方规则指示表之中找到相对应的结果。经过查找之后找不到对应结构，还需要再进一步进行分解处理，具体见图3所示。

图3 检测功能子功能分解图Fig.3 Detection sub-function decomposition diagram

通过三个子功能的查找，就可以确保速度稳定、位置精准以及温度测量是否能够在关联规则指示表之中找到对应的结构。通过查找，结果是相对应的，从而完成分解。

（4）控制功能。在包装机产品控制之中只包含了一个子功能，也就是包装机系统的控制，也就是其控制功能需要分解成为系统控制[5]。

通过控制功能子功能的查找，确保系统控制能否建立关联规则指示表之中找到相对应的结构，如果无法找到相对应的结构，还需要继续的分解，具体见图4所示。

图4 控制功能子功能分解图Fig.4 Control function subfunction decomposition diagram

经过查找，子功能实现工业控制要求能否在建立关联规则指示表之中找到相对应的结构。通过查找，结果是相对应的，从而完成分解。

2.3 基于测试结果的包装机创新设计

经过包装设计知识功能-结构映射模型，基于已经获取的知识结构来针对包装机做好相应的创设设计。通过子功能与结构的相互对应，这样就可以实现包装机的创新设计，进而满足包装机各个功能需求，达到设计标准，从而对方法的正确性进行了验证，具体见图5所示。

图5 包装机的创新设计Fig.5 Innovative design of packaging machine

3 结束语

总而言之，随着科技不断的发展与进步，新型产品逐渐增多，复杂机电产品的出现，使得创新就成为其焦点所在。复杂机电产品的设计不再局限于变形设计或者是适应性设计，更多的是需要进行创新，这才是复杂机电产品的重难点。因此，为了能够增强市场的竞争优势，就需要提升产品的设计质量，最终实现创新设计。