上次發(fā)文已經(jīng)是7月30日的事情了，趕緊修改一篇前期擬計劃寫的文章以讓此號不荒蕪。

本文為系列文章第一篇，機(jī)器的創(chuàng)新設(shè)計是我們與產(chǎn)業(yè)同仁共同探討如何更好的設(shè)計機(jī)器、產(chǎn)線的方法、工具與思想，希望對產(chǎn)業(yè)有所裨益，也希望共同探討進(jìn)步。

 

一.為什么缺乏創(chuàng)新？

科技興國，因此將制造業(yè)列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，而創(chuàng)新才能贏得競爭已經(jīng)是共識，然而，創(chuàng)新并非是一個容易實現(xiàn)的事情，而且對創(chuàng)新的認(rèn)識也是不足，方法與工具、人才培養(yǎng)尚有欠缺。

 

1.1缺乏創(chuàng)新的動力

按說，創(chuàng)新的動力應(yīng)當(dāng)是來自于市場的競爭，但是，隨著經(jīng)濟(jì)的開放導(dǎo)致了需求被快速放大，在一個持續(xù)高速發(fā)展的市場，“賺快錢”成為了一個必然的選擇，因為，花費(fèi)在自主性設(shè)計、驗證過程消耗太多的成本，而關(guān)鍵在于等你研發(fā)出穩(wěn)定的產(chǎn)品，市場已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，因此，企業(yè)在快速生產(chǎn)出產(chǎn)品就能賺錢的時代，是缺乏創(chuàng)新動力的。

 

 

1.2創(chuàng)新的方法與體系

對于機(jī)電工程而言，創(chuàng)新是需要非常嚴(yán)格的科學(xué)與工程系統(tǒng)支撐的，其有認(rèn)知的問題，也有創(chuàng)新的方法構(gòu)建問題，包括各種創(chuàng)新的理論如約束理論、Triz方法、基于建模的工程（Modeling Based Engineering）、V-Mode等對于很多企業(yè)都缺乏認(rèn)知的，很多企業(yè)創(chuàng)始人往往來自工程師缺乏技術(shù)與創(chuàng)新管理方面的訓(xùn)練，很多想進(jìn)行自主研發(fā)卻缺乏方法的認(rèn)知而陷入經(jīng)驗主義與主觀的泥潭。

 

1.3創(chuàng)新的人才

人才的匱乏也是同樣的，這與教育有關(guān)，也與產(chǎn)業(yè)有關(guān)，教育并沒有為機(jī)電工程人員在“創(chuàng)造性思維”進(jìn)行訓(xùn)練，并且創(chuàng)新往往來自管理科學(xué)與工程卻又缺乏機(jī)電工程基礎(chǔ)，這使得專業(yè)人才卻無法為產(chǎn)業(yè)所用，而另一方面，企業(yè)缺乏對“試錯”的認(rèn)知，也往往無法給予研發(fā)人員足夠的容忍度，使得研發(fā)人員束手束腳而無法真正投入創(chuàng)新性的研發(fā)工作。

 

抄襲是快速的，這使得在機(jī)電工程領(lǐng)域的工程師因為缺乏自主研發(fā)的創(chuàng)新性而無法發(fā)揮價值，而在企業(yè)層面通過測繪、抄襲模仿只能讓產(chǎn)業(yè)陷入同質(zhì)化競爭而無法獲得高價值、差異化競爭的回報，因此也無法給予工程師更好的收入，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)人員流失，陷入惡性循環(huán)，因此，至今在眾多領(lǐng)域都沒有特別值得稱頌的企業(yè)。

 

二、缺乏創(chuàng)新將帶來的后果

過去很多年，我們都從這些快速的發(fā)展中收益，在物質(zhì)與消費(fèi)貧乏的年代，你生產(chǎn)出任何產(chǎn)品都可以賣出去，然而，今天這樣的事情正在變得不可能，過去，你可以抄襲，山寨，而在未來，這樣的事情也變得越發(fā)的難了。

2.1Know-How封裝方法使得抄襲變得更難

原來的抄襲往往易于實現(xiàn)在于“硬”的容易在幾何上進(jìn)行測繪，逆向工程，然而，對于新的更為“軟性”的Know-How封裝方式，抄襲變得更難：

（1）.材料的配方，除非以技術(shù)竊密的違法方式，很難進(jìn)行抄襲；

（2）.材料處理工藝；

（3）.組裝工藝-對于很多機(jī)械領(lǐng)域，使用特殊的工具與工藝流程才能實現(xiàn)組裝；

（4）.更多的以軟件形式來封裝功能、工藝，難以測繪；

…

隨著機(jī)器的復(fù)雜性不斷的提高，影響機(jī)器性能、效率的因素變得越來越多，這個時候，每個環(huán)節(jié)的差距累積都會形成更高的技術(shù)差距，而導(dǎo)致競爭力大幅度下降。

圖1-智能時代同樣意味著Know-How的封裝更難于復(fù)制

這只會導(dǎo)致差距越來越大，而非所謂的“接近國際先進(jìn)水平”或者“差不多”—那些看上去你覺得的“差不多”背后可能是我們無法認(rèn)知的“差距”。

 

2.2缺乏“差異化”競爭力

惡性競爭的來源在于“同質(zhì)化”，同質(zhì)化競爭的唯一競爭語言就是“價格”，這種價格的競爭最終導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)無法獲得良好的“利潤”回報，也喪失了企業(yè)長期發(fā)展的基礎(chǔ)，因為這會導(dǎo)致人才流失、士氣低落，甚至?xí)?dǎo)致企業(yè)突破底線以次充好，偷工減料僅短期可運(yùn)行的機(jī)器，這傷害的是整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

客戶的需求也正在走向差異化，而差異化的行程需要“原創(chuàng)性”設(shè)計以應(yīng)對，就像你擁有程序的源代碼，那么你可以根據(jù)客戶需求而修改，但如果你并不擁有源代碼—那么，你無法響應(yīng)這種個性化的變化。

 

2.3知識產(chǎn)權(quán)只會越來越嚴(yán)格

中國機(jī)器制造業(yè)必然要更加注重原創(chuàng)性設(shè)計，因為，知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)將越來越嚴(yán)這是必然的趨勢。

（1）.國內(nèi)市場的變化：國家承諾在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)上做出改善，這是加入WTO等組織必須做出的；

國家已經(jīng)意識到這個問題，一定會加強(qiáng)在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)上的力度，否則，沒有保護(hù)創(chuàng)新的體制，就不會有人愿意去創(chuàng)新，相信國家走在堅定的變革之路上。最近發(fā)生在上海的兩起“知識產(chǎn)權(quán)”案，兩家企業(yè)應(yīng)為盜版使用開發(fā)軟件而被判罰900與1050萬，李克強(qiáng)總理在近期已經(jīng)表達(dá)了“要讓侵權(quán)者傾家蕩產(chǎn)”的強(qiáng)烈態(tài)度，因為，國家在“中興事件”中已經(jīng)意識到“創(chuàng)新”與尊重知識產(chǎn)權(quán)的重要性。

 

（2）.邁向全球市場--長期以來，我們不尊重知識產(chǎn)權(quán)，對其的判罰也不夠嚴(yán)厲，但是，這樣的事情發(fā)生在歐美極其看重原創(chuàng)性與知識產(chǎn)權(quán)的國家就會遇到眾多的問題，如果想突破國內(nèi)競爭邁向全球化，我們就必須加強(qiáng)自主知識產(chǎn)權(quán)與原創(chuàng)性設(shè)計，否則，將處處受制于人，支付專利費(fèi)，并且被不斷的法律訴訟，因此支付巨額的賠償。

 

保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)對于那些積極致力于自主創(chuàng)新的企業(yè)而言，是一種保障，也是中國制造業(yè)的邁向光明前景的必然。

 

三、機(jī)器創(chuàng)新必須突破的思維障礙

在我們探討機(jī)器創(chuàng)新設(shè)計的這個問題之前必須先要在思想上解決對于創(chuàng)新的認(rèn)知誤區(qū)：

（1）.創(chuàng)新設(shè)計與盈利并不矛盾

很多時候我們把創(chuàng)新這種長期的投入理解為風(fēng)險巨大，投資回報低，事實上并非如此，我們橫向縱向觀察全球產(chǎn)業(yè)，我們必須清晰看到，那些卓越的公司，都是依靠技術(shù)的創(chuàng)新投入而長期獲益，壯大成長，在國內(nèi)像華為就是典型的代表。

（2）.創(chuàng)新就是靈光一現(xiàn)，挖一個牛人的思想

創(chuàng)新是系統(tǒng)工程，絕對不能寄希望于挖一個頂級的工程師能解決問題，而是需要鼓勵創(chuàng)新、允許犯錯誤、有良好的工程人才培養(yǎng)的持續(xù)投入，建立完整的工程開發(fā)與測試驗證平臺，這是一個公司邁向持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)功夫。

（3）.解決差不多文化

差不多文化對于“精益研發(fā)”的創(chuàng)新是致命的，每個公司、團(tuán)隊必須精益求精，功夫就在細(xì)節(jié)，解決這些細(xì)節(jié)問題就是“創(chuàng)新”，例如：為方便消費(fèi)者打開瓶蓋而開發(fā)的更好的開罐方式，為了用戶操作方便而不斷優(yōu)化的HMI界面，這些都是“創(chuàng)新”。

（4）.創(chuàng)新是經(jīng)濟(jì)性，而非革命性

對于機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計而言，很多創(chuàng)新并非要像電動汽車顛覆燃油車這樣的創(chuàng)新，而是采用跨界的技術(shù)來尋求經(jīng)濟(jì)性，使得解決客戶的需求和問題，例如：通過以太網(wǎng)替代總線的復(fù)雜性，使得介質(zhì)簡化，因為IT商業(yè)化的以太網(wǎng)成本已經(jīng)非常之低。把創(chuàng)新理解為“顛覆式”是走錯了方向—因為無論如何，你都必須圍繞為客戶提供更具競爭力的產(chǎn)品與服務(wù)，而不以是否顛覆式來評估創(chuàng)新本身。

 

 

四、機(jī)器創(chuàng)新方法

 

4.1并行工程

并行工程是相對于傳統(tǒng)的開發(fā)過程，傳統(tǒng)的機(jī)械開發(fā)都是基于順序進(jìn)行，前期的規(guī)劃、機(jī)械設(shè)計、組裝完成后才能進(jìn)行電氣系統(tǒng)的開發(fā)測試，而并行工程則是可以通過仿真使得電氣控制可以與機(jī)械同期進(jìn)行，而且通過預(yù)先組裝的軟件功能塊，這個開發(fā)過程也可以被測試。如圖2所示，基于前期的仿真不僅可以縮短節(jié)省開發(fā)周期，還可以大幅度降低測試驗證成本。

 

圖2-機(jī)器并行開發(fā)

并行工程主要是創(chuàng)建了虛擬的環(huán)境，仿真，這也得益于計算機(jī)工程的提高，而在大型復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計中，還可以通過FMU/FMI進(jìn)行多系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真方式，進(jìn)行集成的測試，使得多專業(yè)領(lǐng)域可以協(xié)同工作，獲得開發(fā)效率的提升。

 

4.2基于V模型的開發(fā)

圖3-V-Mode開發(fā)過程

V-Mode是常用的機(jī)電系統(tǒng)開發(fā)方法，圖3顯示了其過程，V-Mode以滿足客戶需求為中心，通過系統(tǒng)需求的定義、功能規(guī)范、系統(tǒng)綜合、子系統(tǒng)設(shè)計、細(xì)節(jié)設(shè)計、測試、驗證、發(fā)布等過程形成完整的產(chǎn)品，V-mode是一種正向設(shè)計過程，這樣的開發(fā)具有以下特點(diǎn)：

（1）風(fēng)險可控：由于按照步驟嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膱?zhí)行項目進(jìn)程，因此，避免隨意性，尤其是在系統(tǒng)需求的定義階段，是的后續(xù)的開發(fā)避免走彎路。

（2）成本更低：通過標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的操作，成本才能得到有效的控制。

 

4.3建模仿真與機(jī)器創(chuàng)新

建模仿真是基于計算機(jī)與軟件技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，基于模型設(shè)計MBD（Model-BasedDesign）是非常常用的機(jī)電設(shè)備開發(fā)方法，從正向設(shè)計的角度而言，必須對機(jī)器的原理性進(jìn)行梳理，架構(gòu)，才能確保后續(xù)的開發(fā)的高效：

（1）模型具有適應(yīng)性—提高機(jī)器的差異化

隨著生產(chǎn)的個性化需求，機(jī)器也更多的產(chǎn)生變化，而模型可以適應(yīng)多種變化，例如：注塑機(jī)針對不同的形式（油壓、油電混合、全電動、二板機(jī)等）、材料、控制順序進(jìn)行建模，并對其過程中的控制工藝進(jìn)行仿真，這使得可以適應(yīng)于各種變化的機(jī)器需求。

圖4較為完整的闡述了MBD所能帶給開發(fā)者的諸多好處：

圖4-基于模型的開發(fā)（MBD）帶來的機(jī)器創(chuàng)新價值

（2）可以降低測試成本

傳統(tǒng)的機(jī)器生產(chǎn)，往往需要組裝機(jī)械后進(jìn)行測試，而這樣的測試過程往往需要消耗大量的原材料、而且還需要返工，甚至?xí)或炞C為失敗的方案等，這些都會造成成本與潛在的風(fēng)險，而通過建模仿真，大量的測試、驗證可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，可以節(jié)省大量的前期研發(fā)成本。

 

（3）可以形成知識的積累

未來的競爭是知識的競爭，模型具有可復(fù)用性，其生成的軟件也可以具有很大的靈活性，因此，可以將一個公司可重用的部分進(jìn)行積累封裝，這也是國際機(jī)械制造商通用的方法，保護(hù)了知識產(chǎn)權(quán)，也同時通過復(fù)用降低研發(fā)成本。

 

（4）降低風(fēng)險

建模仿真可以在虛擬環(huán)境中調(diào)試，也可以降低對潛在的人身傷害，并對調(diào)試過程中潛在的安全風(fēng)險及時的發(fā)現(xiàn)，這些其安全風(fēng)險降低的作用。

 

4.4軟件復(fù)用與組件技術(shù)

傳統(tǒng)上，機(jī)器的開發(fā)較為簡單，PLC-可編程邏輯控制器也以順序邏輯控制為核心，因此，基本上一個人即可掌控機(jī)器的整個控制，但是，隨著機(jī)器的復(fù)雜性不斷的提高，回路調(diào)節(jié)、運(yùn)動控制、CNC&機(jī)器人、液壓、安全、通信、Web診斷等的不斷集成，使得軟件也變得更為復(fù)雜，因此，需要引用軟件工程相關(guān)方法，比較典型的就是軟件復(fù)用（Software Reuse）和基于組件的開發(fā)CBD（Component-basedDevelopment）.

軟件復(fù)用這個概念在NTAO（北大西洋公約組織）1968年軟件工程會議上就開始提出，只是期間因為各種技術(shù)與非技術(shù)因素，它并未有得到很好的發(fā)展，在后來面向?qū)ο蟮募夹g(shù)得到大量使用后，軟件復(fù)用才開始有了較好的基礎(chǔ)，并逐漸形成完整的方法體系。

軟件復(fù)用主要為了解決兩個主要的問題：

（1）.軟件生產(chǎn)效率問題：在軟件無需從零開始的情況下，它可以大幅度縮短開發(fā)周期

（2）.軟件質(zhì)量問題：由于被復(fù)用的軟件往往已經(jīng)經(jīng)過了反復(fù)的應(yīng)用測試，較之新的模塊而言，其出錯的概率將大幅度降低.

在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計中，貝加萊的mapp就是基于軟件復(fù)用與組件技術(shù)而開發(fā)，將在后續(xù)中詳解其應(yīng)用。

 

五、工欲善其事,必先利其器

工程師最基礎(chǔ)的工作就是使用工具來解決問題，對于機(jī)電系統(tǒng)的開發(fā)而言，集成開發(fā)平臺、建模仿真軟件是基礎(chǔ)的工具，將簡單介紹一二。

5.1集成開發(fā)平臺

集成開發(fā)平臺是創(chuàng)新的工具平臺，例如貝加萊的Automation Studio平臺為機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計而開發(fā)，它面向所有開發(fā)對象（PLC邏輯、定位同步控制、CNC和機(jī)器人、液壓、安全、網(wǎng)絡(luò)配置）以及全流程開發(fā)（項目配置、仿真、編程、測試驗證、運(yùn)營維護(hù)），是目前機(jī)電開發(fā)全球該領(lǐng)域為數(shù)不多的集成開發(fā)平臺。

圖5-Automation Studio平臺面向?qū)ο笈c全流程的開發(fā)能力

Automation Studio以軟件獨(dú)立于硬件、應(yīng)用軟件獨(dú)立于平臺的設(shè)計思想，基于PLCopen標(biāo)準(zhǔn)化封裝模塊化的mapp軟件，快速開發(fā)機(jī)電對象。

 

5.2MATLAB/Simulink

該軟件由Mathworks開發(fā)，已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，廣泛應(yīng)用于控制、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域，并提供非常廣泛的控制模型庫供開發(fā)者使用。

MATLAB/Simulink可以實現(xiàn)機(jī)電對象的建模仿真，并通過一鍵導(dǎo)入的方式與貝加萊Automation Studio平臺實現(xiàn)對接，通過MATLAB/Simulink建模以及自動代碼生成的代碼具有高度的效率，可以直接運(yùn)行于貝加萊各個系列的控制器，實現(xiàn)“硬件在環(huán)測試-HIL(Hardware In the Loop)”

 

通過簡單的幾步即可實現(xiàn)MATLAB/Simulink與Automation Studio的協(xié)同

創(chuàng)建Simulink模型

添加B&RSimulink功能塊到Simulink模型

創(chuàng)建AutomationStudio項目

配置AutomationStudio Target for Simulink參數(shù)

自動代碼生成并集成到AutomationStudio。

 

在風(fēng)力發(fā)電功率控制、機(jī)器人慣量前饋等應(yīng)用領(lǐng)域，通過MATLAB/Simulink的建模仿真可以大幅節(jié)省開發(fā)成本，本系列文章后續(xù)將介紹其具體的應(yīng)用案例。

 

5.3MapleSim

MapleSim是MapleSoft公司的仿真建模軟件，對于機(jī)電設(shè)計而言，可以實現(xiàn)三維建模的運(yùn)行仿真，并與控制器進(jìn)行協(xié)同調(diào)試。

 

MapleSim在機(jī)電軟件設(shè)計方面更為專注，其與貝加萊的Automation Studio通過FMI接口實現(xiàn)建模仿真的對接，F(xiàn)MU/FMI是一種功能打樣，關(guān)于FMU/FMI將在本系列文章中介紹，其實實現(xiàn)Digital Twin思想的一種標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，通過FMI接口，程序代碼與仿真信息可以進(jìn)行交互，從而實現(xiàn)機(jī)械-電氣的聯(lián)合調(diào)試（Co-Simulation）。

圖6-通過FMU/FMI實現(xiàn)與AutomationStudio的導(dǎo)入

 

通過幾步即可實現(xiàn)

在MapleSim生成動態(tài)模型

仿真并驗證

導(dǎo)出可以在Automation Studio中運(yùn)行的FMU；

創(chuàng)建Automation Studio項目

導(dǎo)入FMU

連接導(dǎo)入的變量到其自身源碼并硬件配置。

 

本系列文章將與產(chǎn)業(yè)界共同探討“機(jī)器創(chuàng)新設(shè)計”—通過技術(shù)交流與知識傳播希望讓每個中國機(jī)器制造業(yè)的技術(shù)管理人員、高級研發(fā)人員形成對創(chuàng)新的認(rèn)知、交流與探討，共同推動中國制造業(yè)的進(jìn)步。