机器的创新设计[01]—创新思想,方法与工具

上次发文已经是7月30日的事情了，赶紧修改一篇前期拟计划写的文章以让此号不荒芜。

本文为系列文章第一篇，机器的创新设计是我们与产业同仁共同探讨如何更好的设计机器、产线的方法、工具与思想，希望对产业有所裨益，也希望共同探讨进步。

 

一.为什么缺乏创新？

科技兴国，因此将制造业列为国家发展战略，而创新才能赢得竞争已经是共识，然而，创新并非是一个容易实现的事情，而且对创新的认识也是不足，方法与工具、人才培养尚有欠缺。

 

1.1缺乏创新的动力

按说，创新的动力应当是来自于市场的竞争，但是，随着经济的开放导致了需求被快速放大，在一个持续高速发展的市场，“赚快钱”成为了一个必然的选择，因为，花费在自主性设计、验证过程消耗太多的成本，而关键在于等你研发出稳定的产品，市场已经发生了巨大的变化，因此，企业在快速生产出产品就能赚钱的时代，是缺乏创新动力的。

 

 

1.2创新的方法与体系

对于机电工程而言，创新是需要非常严格的科学与工程系统支撑的，其有认知的问题，也有创新的方法构建问题，包括各种创新的理论如约束理论、Triz方法、基于建模的工程（Modeling Based Engineering）、V-Mode等对于很多企业都缺乏认知的，很多企业创始人往往来自工程师缺乏技术与创新管理方面的训练，很多想进行自主研发却缺乏方法的认知而陷入经验主义与主观的泥潭。

 

1.3创新的人才

人才的匮乏也是同样的，这与教育有关，也与产业有关，教育并没有为机电工程人员在“创造性思维”进行训练，并且创新往往来自管理科学与工程却又缺乏机电工程基础，这使得专业人才却无法为产业所用，而另一方面，企业缺乏对“试错”的认知，也往往无法给予研发人员足够的容忍度，使得研发人员束手束脚而无法真正投入创新性的研发工作。

 

抄袭是快速的，这使得在机电工程领域的工程师因为缺乏自主研发的创新性而无法发挥价值，而在企业层面通过测绘、抄袭模仿只能让产业陷入同质化竞争而无法获得高价值、差异化竞争的回报，因此也无法给予工程师更好的收入，导致产业人员流失，陷入恶性循环，因此，至今在众多领域都没有特别值得称颂的企业。

 

二、缺乏创新将带来的后果

过去很多年，我们都从这些快速的发展中收益，在物质与消费贫乏的年代，你生产出任何产品都可以卖出去，然而，今天这样的事情正在变得不可能，过去，你可以抄袭，山寨，而在未来，这样的事情也变得越发的难了。

2.1Know-How封装方法使得抄袭变得更难

原来的抄袭往往易于实现在于“硬”的容易在几何上进行测绘，逆向工程，然而，对于新的更为“软性”的Know-How封装方式，抄袭变得更难：

（1）.材料的配方，除非以技术窃密的违法方式，很难进行抄袭；

（2）.材料处理工艺；

（3）.组装工艺-对于很多机械领域，使用特殊的工具与工艺流程才能实现组装；

（4）.更多的以软件形式来封装功能、工艺，难以测绘；

…

随着机器的复杂性不断的提高，影响机器性能、效率的因素变得越来越多，这个时候，每个环节的差距累积都会形成更高的技术差距，而导致竞争力大幅度下降。

图1-智能时代同样意味着Know-How的封装更难于复制

这只会导致差距越来越大，而非所谓的“接近国际先进水平”或者“差不多”—那些看上去你觉得的“差不多”背后可能是我们无法认知的“差距”。

 

2.2缺乏“差异化”竞争力

恶性竞争的来源在于“同质化”，同质化竞争的唯一竞争语言就是“价格”，这种价格的竞争最终导致了产业无法获得良好的“利润”回报，也丧失了企业长期发展的基础，因为这会导致人才流失、士气低落，甚至会导致企业突破底线以次充好，偷工减料仅短期可运行的机器，这伤害的是整个产业的发展。

 

客户的需求也正在走向差异化，而差异化的行程需要“原创性”设计以应对，就像你拥有程序的源代码，那么你可以根据客户需求而修改，但如果你并不拥有源代码—那么，你无法响应这种个性化的变化。

 

2.3知识产权只会越来越严格

中国机器制造业必然要更加注重原创性设计，因为，知识产权保护将越来越严这是必然的趋势。

（1）.国内市场的变化：国家承诺在知识产权保护上做出改善，这是加入WTO等组织必须做出的；

国家已经意识到这个问题，一定会加强在知识产权保护上的力度，否则，没有保护创新的体制，就不会有人愿意去创新，相信国家走在坚定的变革之路上。最近发生在上海的两起“知识产权”案，两家企业应为盗版使用开发软件而被判罚900与1050万，李克强总理在近期已经表达了“要让侵权者倾家荡产”的强烈态度，因为，国家在“中兴事件”中已经意识到“创新”与尊重知识产权的重要性。

 

（2）.迈向全球市场--长期以来，我们不尊重知识产权，对其的判罚也不够严厉，但是，这样的事情发生在欧美极其看重原创性与知识产权的国家就会遇到众多的问题，如果想突破国内竞争迈向全球化，我们就必须加强自主知识产权与原创性设计，否则，将处处受制于人，支付专利费，并且被不断的法律诉讼，因此支付巨额的赔偿。

 

保护知识产权对于那些积极致力于自主创新的企业而言，是一种保障，也是中国制造业的迈向光明前景的必然。

 

三、机器创新必须突破的思维障碍

在我们探讨机器创新设计的这个问题之前必须先要在思想上解决对于创新的认知误区：

（1）.创新设计与盈利并不矛盾

很多时候我们把创新这种长期的投入理解为风险巨大，投资回报低，事实上并非如此，我们横向纵向观察全球产业，我们必须清晰看到，那些卓越的公司，都是依靠技术的创新投入而长期获益，壮大成长，在国内像华为就是典型的代表。

（2）.创新就是灵光一现，挖一个牛人的思想

创新是系统工程，绝对不能寄希望于挖一个顶级的工程师能解决问题，而是需要鼓励创新、允许犯错误、有良好的工程人才培养的持续投入，建立完整的工程开发与测试验证平台，这是一个公司迈向持续发展的基础功夫。

（3）.解决差不多文化

差不多文化对于“精益研发”的创新是致命的，每个公司、团队必须精益求精，功夫就在细节，解决这些细节问题就是“创新”，例如：为方便消费者打开瓶盖而开发的更好的开罐方式，为了用户操作方便而不断优化的HMI界面，这些都是“创新”。

（4）.创新是经济性，而非革命性

对于机电系统的设计而言，很多创新并非要像电动汽车颠覆燃油车这样的创新，而是采用跨界的技术来寻求经济性，使得解决客户的需求和问题，例如：通过以太网替代总线的复杂性，使得介质简化，因为IT商业化的以太网成本已经非常之低。把创新理解为“颠覆式”是走错了方向—因为无论如何，你都必须围绕为客户提供更具竞争力的产品与服务，而不以是否颠覆式来评估创新本身。

 

 

四、机器创新方法

 

4.1并行工程

并行工程是相对于传统的开发过程，传统的机械开发都是基于顺序进行，前期的规划、机械设计、组装完成后才能进行电气系统的开发测试，而并行工程则是可以通过仿真使得电气控制可以与机械同期进行，而且通过预先组装的软件功能块，这个开发过程也可以被测试。如图2所示，基于前期的仿真不仅可以缩短节省开发周期，还可以大幅度降低测试验证成本。

 

图2-机器并行开发

并行工程主要是创建了虚拟的环境，仿真，这也得益于计算机工程的提高，而在大型复杂的机电系统设计中，还可以通过FMU/FMI进行多系统建模与联合仿真方式，进行集成的测试，使得多专业领域可以协同工作，获得开发效率的提升。

 

4.2基于V模型的开发

图3-V-Mode开发过程

V-Mode是常用的机电系统开发方法，图3显示了其过程，V-Mode以满足客户需求为中心，通过系统需求的定义、功能规范、系统综合、子系统设计、细节设计、测试、验证、发布等过程形成完整的产品，V-mode是一种正向设计过程，这样的开发具有以下特点：

（1）风险可控：由于按照步骤严谨的执行项目进程，因此，避免随意性，尤其是在系统需求的定义阶段，是的后续的开发避免走弯路。

（2）成本更低：通过标准与规范的操作，成本才能得到有效的控制。

 

4.3建模仿真与机器创新

建模仿真是基于计算机与软件技术的发展而逐渐发展起来的，基于模型设计MBD（Model-BasedDesign）是非常常用的机电设备开发方法，从正向设计的角度而言，必须对机器的原理性进行梳理，架构，才能确保后续的开发的高效：

（1）模型具有适应性—提高机器的差异化

随着生产的个性化需求，机器也更多的产生变化，而模型可以适应多种变化，例如：注塑机针对不同的形式（油压、油电混合、全电动、二板机等）、材料、控制顺序进行建模，并对其过程中的控制工艺进行仿真，这使得可以适应于各种变化的机器需求。

图4较为完整的阐述了MBD所能带给开发者的诸多好处：

图4-基于模型的开发（MBD）带来的机器创新价值

（2）可以降低测试成本

传统的机器生产，往往需要组装机械后进行测试，而这样的测试过程往往需要消耗大量的原材料、而且还需要返工，甚至会被验证为失败的方案等，这些都会造成成本与潜在的风险，而通过建模仿真，大量的测试、验证可以在虚拟环境中进行，可以节省大量的前期研发成本。

 

（3）可以形成知识的积累

未来的竞争是知识的竞争，模型具有可复用性，其生成的软件也可以具有很大的灵活性，因此，可以将一个公司可重用的部分进行积累封装，这也是国际机械制造商通用的方法，保护了知识产权，也同时通过复用降低研发成本。

 

（4）降低风险

建模仿真可以在虚拟环境中调试，也可以降低对潜在的人身伤害，并对调试过程中潜在的安全风险及时的发现，这些其安全风险降低的作用。

 

4.4软件复用与组件技术

传统上，机器的开发较为简单，PLC-可编程逻辑控制器也以顺序逻辑控制为核心，因此，基本上一个人即可掌控机器的整个控制，但是，随着机器的复杂性不断的提高，回路调节、运动控制、CNC&机器人、液压、安全、通信、Web诊断等的不断集成，使得软件也变得更为复杂，因此，需要引用软件工程相关方法，比较典型的就是软件复用（Software Reuse）和基于组件的开发CBD（Component-basedDevelopment）.

软件复用这个概念在NTAO（北大西洋公约组织）1968年软件工程会议上就开始提出，只是期间因为各种技术与非技术因素，它并未有得到很好的发展，在后来面向对象的技术得到大量使用后，软件复用才开始有了较好的基础，并逐渐形成完整的方法体系。

软件复用主要为了解决两个主要的问题：

（1）.软件生产效率问题：在软件无需从零开始的情况下，它可以大幅度缩短开发周期

（2）.软件质量问题：由于被复用的软件往往已经经过了反复的应用测试，较之新的模块而言，其出错的概率将大幅度降低.

在机电系统设计中，贝加莱的mapp就是基于软件复用与组件技术而开发，将在后续中详解其应用。

 

五、工欲善其事,必先利其器

工程师最基础的工作就是使用工具来解决问题，对于机电系统的开发而言，集成开发平台、建模仿真软件是基础的工具，将简单介绍一二。

5.1集成开发平台

集成开发平台是创新的工具平台，例如贝加莱的Automation Studio平台为机电创新设计而开发，它面向所有开发对象（PLC逻辑、定位同步控制、CNC和机器人、液压、安全、网络配置）以及全流程开发（项目配置、仿真、编程、测试验证、运营维护），是目前机电开发全球该领域为数不多的集成开发平台。

图5-Automation Studio平台面向对象与全流程的开发能力

Automation Studio以软件独立于硬件、应用软件独立于平台的设计思想，基于PLCopen标准化封装模块化的mapp软件，快速开发机电对象。

 

5.2MATLAB/Simulink

该软件由Mathworks开发，已经有数十年的历史，广泛应用于控制、医疗、建筑等领域，并提供非常广泛的控制模型库供开发者使用。

MATLAB/Simulink可以实现机电对象的建模仿真，并通过一键导入的方式与贝加莱Automation Studio平台实现对接，通过MATLAB/Simulink建模以及自动代码生成的代码具有高度的效率，可以直接运行于贝加莱各个系列的控制器，实现“硬件在环测试-HIL(Hardware In the Loop)”

 

通过简单的几步即可实现MATLAB/Simulink与Automation Studio的协同

创建Simulink模型

添加B&RSimulink功能块到Simulink模型

创建AutomationStudio项目

配置AutomationStudio Target for Simulink参数

自动代码生成并集成到AutomationStudio。

 

在风力发电功率控制、机器人惯量前馈等应用领域，通过MATLAB/Simulink的建模仿真可以大幅节省开发成本，本系列文章后续将介绍其具体的应用案例。

 

5.3MapleSim

MapleSim是MapleSoft公司的仿真建模软件，对于机电设计而言，可以实现三维建模的运行仿真，并与控制器进行协同调试。

 

MapleSim在机电软件设计方面更为专注，其与贝加莱的Automation Studio通过FMI接口实现建模仿真的对接，FMU/FMI是一种功能打样，关于FMU/FMI将在本系列文章中介绍，其实实现Digital Twin思想的一种标准与规范，通过FMI接口，程序代码与仿真信息可以进行交互，从而实现机械-电气的联合调试（Co-Simulation）。

图6-通过FMU/FMI实现与AutomationStudio的导入

 

通过几步即可实现

在MapleSim生成动态模型

仿真并验证

导出可以在Automation Studio中运行的FMU；

创建Automation Studio项目

导入FMU

连接导入的变量到其自身源码并硬件配置。

 

本系列文章将与产业界共同探讨“机器创新设计”—通过技术交流与知识传播希望让每个中国机器制造业的技术管理人员、高级研发人员形成对创新的认知、交流与探讨，共同推动中国制造业的进步。