上次發(fā)文已經是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，機器的創(chuàng)新設計是我們與產業(yè)同仁共同探討如何更好的設計機器、產線的方法、工具與思想，希望對產業(yè)有所裨益，也希望共同探討進步。

 

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是共識，然而，創(chuàng)新并非是一個容易實現的事情，而且對創(chuàng)新的認識也是不足，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)新的動力應當是來自于市場的競爭，但是，隨著經濟的開放導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，花費在自主性設計、驗證過程消耗太多的成本，而關鍵在于等你研發(fā)出穩(wěn)定的產品，市場已經發(fā)生了巨大的變化，因此，企業(yè)在快速生產出產品就能賺錢的時代，是缺乏創(chuàng)新動力的。

 

 

1.2創(chuàng)新的方法與體系

對于機電工程而言，創(chuàng)新是需要非常嚴格的科學與工程系統(tǒng)支撐的，其有認知的問題，也有創(chuàng)新的方法構建問題，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)都缺乏認知的，很多企業(yè)創(chuàng)始人往往來自工程師缺乏技術與創(chuàng)新管理方面的訓練，很多想進行自主研發(fā)卻缺乏方法的認知而陷入經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，也與產業(yè)有關，教育并沒有為機電工程人員在“創(chuàng)造性思維”進行訓練，并且創(chuàng)新往往來自管理科學與工程卻又缺乏機電工程基礎，這使得專業(yè)人才卻無法為產業(yè)所用，而另一方面，企業(yè)缺乏對“試錯”的認知，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，這使得在機電工程領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、抄襲模仿只能讓產業(yè)陷入同質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，導致產業(yè)人員流失，陷入惡性循環(huán)，因此，至今在眾多領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，在物質與消費貧乏的年代，你生產出任何產品都可以賣出去，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在于“硬”的容易在幾何上進行測繪，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，除非以技術竊密的違法方式，很難進行抄襲；

（2）.材料處理工藝；

（3）.組裝工藝-對于很多機械領域，使用特殊的工具與工藝流程才能實現組裝；

（4）.更多的以軟件形式來封裝功能、工藝，難以測繪；

…

隨著機器的復雜性不斷的提高，影響機器性能、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差距，而導致競爭力大幅度下降。

圖1-智能時代同樣意味著Know-How的封裝更難于復制

這只會導致差距越來越大，而非所謂的“接近國際先進水平”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“同質化”，同質化競爭的唯一競爭語言就是“價格”，這種價格的競爭最終導致了產業(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，因為這會導致人才流失、士氣低落，甚至會導致企業(yè)突破底線以次充好，偷工減料僅短期可運行的機器，這傷害的是整個產業(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”設計以應對，就像你擁有程序的源代碼，那么你可以根據客戶需求而修改，但如果你并不擁有源代碼—那么，你無法響應這種個性化的變化。

 

2.3知識產權只會越來越嚴格

中國機器制造業(yè)必然要更加注重原創(chuàng)性設計，因為，知識產權保護將越來越嚴這是必然的趨勢。

（1）.國內市場的變化：國家承諾在知識產權保護上做出改善，這是加入WTO等組織必須做出的；

國家已經意識到這個問題，一定會加強在知識產權保護上的力度，否則，沒有保護創(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“知識產權”案，兩家企業(yè)應為盜版使用開發(fā)軟件而被判罰900與1050萬，李克強總理在近期已經表達了“要讓侵權者傾家蕩產”的強烈態(tài)度，因為，國家在“中興事件”中已經意識到“創(chuàng)新”與尊重知識產權的重要性。

 

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

 

保護知識產權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、機器創(chuàng)新必須突破的思維障礙

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

（1）.創(chuàng)新設計與盈利并不矛盾

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業(yè)，我們必須清晰看到，那些卓越的公司，都是依靠技術的創(chuàng)新投入而長期獲益，壯大成長，在國內像華為就是典型的代表。

（2）.創(chuàng)新就是靈光一現，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、團隊必須精益求精，功夫就在細節(jié)，解決這些細節(jié)問題就是“創(chuàng)新”，例如：為方便消費者打開瓶蓋而開發(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)新是經濟性，而非革命性

對于機電系統(tǒng)的設計而言，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來尋求經濟性，使得解決客戶的需求和問題，例如：通過以太網替代總線的復雜性，使得介質簡化，因為IT商業(yè)化的以太網成本已經非常之低。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品與服務，而不以是否顛覆式來評估創(chuàng)新本身。

 

 

四、機器創(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)的機械開發(fā)都是基于順序進行，前期的規(guī)劃、機械設計、組裝完成后才能進行電氣系統(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械同期進行，而且通過預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，這也得益于計算機工程的提高，而在大型復雜的機電系統(tǒng)設計中，還可以通過FMU/FMI進行多系統(tǒng)建模與聯合仿真方式，進行集成的測試，使得多專業(yè)領域可以協(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)設計、細節(jié)設計、測試、驗證、發(fā)布等過程形成完整的產品，V-mode是一種正向設計過程，這樣的開發(fā)具有以下特點：

（1）風險可控：由于按照步驟嚴謹的執(zhí)行項目進程，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：通過標準與規(guī)范的操作，成本才能得到有效的控制。

 

4.3建模仿真與機器創(chuàng)新

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

（1）模型具有適應性—提高機器的差異化

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

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）帶來的機器創(chuàng)新價值

（2）可以降低測試成本

傳統(tǒng)的機器生產，往往需要組裝機械后進行測試，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，甚至會被驗證為失敗的方案等，這些都會造成成本與潛在的風險，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行積累封裝，這也是國際機械制造商通用的方法，保護了知識產權，也同時通過復用降低研發(fā)成本。

 

（4）降低風險

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

 

4.4軟件復用與組件技術

傳統(tǒng)上，機器的開發(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器的整個控制，但是，隨著機器的復雜性不斷的提高，回路調節(jié)、運動控制、CNC&機器人、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雜，因此，需要引用軟件工程相關方法，比較典型的就是軟件復用（Software Reuse）和基于組件的開發(fā)CBD（Component-basedDevelopment）.

軟件復用這個概念在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與非技術因素，它并未有得到很好的發(fā)展，在后來面向對象的技術得到大量使用后，軟件復用才開始有了較好的基礎，并逐漸形成完整的方法體系。

軟件復用主要為了解決兩個主要的問題：

（1）.軟件生產效率問題：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）.軟件質量問題：由于被復用的軟件往往已經經過了反復的應用測試，較之新的模塊而言，其出錯的概率將大幅度降低.

在機電系統(tǒng)設計中，貝加萊的mapp就是基于軟件復用與組件技術而開發(fā)，將在后續(xù)中詳解其應用。

 

五、工欲善其事,必先利其器

工程師最基礎的工作就是使用工具來解決問題，對于機電系統(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平臺為機電創(chuàng)新設計而開發(fā)，它面向所有開發(fā)對象（PLC邏輯、定位同步控制、CNC和機器人、液壓、安全、網絡配置）以及全流程開發(fā)（項目配置、仿真、編程、測試驗證、運營維護），是目前機電開發(fā)全球該領域為數不多的集成開發(fā)平臺。

圖5-Automation Studio平臺面向對象與全流程的開發(fā)能力

Automation Studio以軟件獨立于硬件、應用軟件獨立于平臺的設計思想，基于PLCopen標準化封裝模塊化的mapp軟件，快速開發(fā)機電對象。

 

5.2MATLAB/Simulink

該軟件由Mathworks開發(fā)，已經有數十年的歷史，廣泛應用于控制、醫(yī)療、建筑等領域，并提供非常廣泛的控制模型庫供開發(fā)者使用。

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

 

通過簡單的幾步即可實現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

自動代碼生成并集成到AutomationStudio。

 

在風力發(fā)電功率控制、機器人慣量前饋等應用領域，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)將介紹其具體的應用案例。

 

5.3MapleSim

MapleSim是MapleSoft公司的仿真建模軟件，對于機電設計而言，可以實現三維建模的運行仿真，并與控制器進行協(xié)同調試。

 

MapleSim在機電軟件設計方面更為專注，其與貝加萊的Automation Studio通過FMI接口實現建模仿真的對接，FMU/FMI是一種功能打樣，關于FMU/FMI將在本系列文章中介紹，其實實現Digital Twin思想的一種標準與規(guī)范，通過FMI接口，程序代碼與仿真信息可以進行交互，從而實現機械-電氣的聯合調試（Co-Simulation）。

圖6-通過FMU/FMI實現與AutomationStudio的導入

 

通過幾步即可實現

在MapleSim生成動態(tài)模型

仿真并驗證

導出可以在Automation Studio中運行的FMU；

創(chuàng)建Automation Studio項目

導入FMU

連接導入的變量到其自身源碼并硬件配置。

 

本系列文章將與產業(yè)界共同探討“機器創(chuàng)新設計”—通過技術交流與知識傳播希望讓每個中國機器制造業(yè)的技術管理人員、高級研發(fā)人員形成對創(chuàng)新的認知、交流與探討，共同推動中國制造業(yè)的進步。