上次發文已經是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，機器的創新設計是我們與產業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，希望對產業有所裨益，也希望共同探討進步。

 

一.為什么缺乏創新？

科技興國，因此將制造業列為國家發展戰略，而創新才能贏得競爭已經是共識，然而，創新并非是一個容易實現的事情，而且對創新的認識也是不足，方法與工具、人才培養尚有欠缺。

 

1.1缺乏創新的動力

按說，創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，在一個持續高速發展的市場，“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出穩定的產品，市場已經發生了巨大的變化，因此，企業在快速生產出產品就能賺錢的時代，是缺乏創新動力的。

 

 

1.2創新的方法與體系

對于機電工程而言，創新是需要非常嚴格的科學與工程系統支撐的，其有認知的問題，也有創新的方法構建問題，包括各種創新的理論如約束理論、Triz方法、基于建模的工程（Modeling Based Engineering）、V-Mode等對于很多企業都缺乏認知的，很多企業創始人往往來自工程師缺乏技術與創新管理方面的訓練，很多想進行自主研發卻缺乏方法的認知而陷入經驗主義與主觀的泥潭。

 

1.3創新的人才

人才的匱乏也是同樣的，這與教育有關，也與產業有關，教育并沒有為機電工程人員在“創造性思維”進行訓練，并且創新往往來自管理科學與工程卻又缺乏機電工程基礎，這使得專業人才卻無法為產業所用，而另一方面，企業缺乏對“試錯”的認知，也往往無法給予研發人員足夠的容忍度，使得研發人員束手束腳而無法真正投入創新性的研發工作。

 

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的創新性而無法發揮價值，而在企業層面通過測繪、抄襲模仿只能讓產業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，導致產業人員流失，陷入惡性循環，因此，至今在眾多領域都沒有特別值得稱頌的企業。

 

二、缺乏創新將帶來的后果

過去很多年，我們都從這些快速的發展中收益，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，每個環節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無法獲得良好的“利潤”回報，也喪失了企業長期發展的基礎，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的發展。

 

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

中國機器制造業必然要更加注重原創性設計，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，沒有保護創新的體制，就不會有人愿意去創新，相信國家走在堅定的變革之路上。最近發生在上海的兩起“知識產權”案，兩家企業應為盜版使用開發軟件而被判罰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”的強烈態度，因為，國家在“中興事件”中已經意識到“創新”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，這樣的事情發生在歐美極其看重原創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新的企業而言，是一種保障，也是中國制造業的邁向光明前景的必然。

 

三、機器創新必須突破的思維障礙

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

（1）.創新設計與盈利并不矛盾

很多時候我們把創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，我們必須清晰看到，那些卓越的公司，都是依靠技術的創新投入而長期獲益，壯大成長，在國內像華為就是典型的代表。

（2）.創新就是靈光一現，挖一個牛人的思想

創新是系統工程，絕對不能寄希望于挖一個頂級的工程師能解決問題，而是需要鼓勵創新、允許犯錯誤、有良好的工程人才培養的持續投入，建立完整的工程開發與測試驗證平臺，這是一個公司邁向持續發展的基礎功夫。

（3）.解決差不多文化

差不多文化對于“精益研發”的創新是致命的，每個公司、團隊必須精益求精，功夫就在細節，解決這些細節問題就是“創新”，例如：為方便消費者打開瓶蓋而開發的更好的開罐方式，為了用戶操作方便而不斷優化的HMI界面，這些都是“創新”。

（4）.創新是經濟性，而非革命性

對于機電系統的設計而言，很多創新并非要像電動汽車顛覆燃油車這樣的創新，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商業化的以太網成本已經非常之低。把創新理解為“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新本身。

 

 

四、機器創新方法

 

4.1并行工程

并行工程是相對于傳統的開發過程，傳統的機械開發都是基于順序進行，前期的規劃、機械設計、組裝完成后才能進行電氣系統的開發測試，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省開發周期，還可以大幅度降低測試驗證成本。

 

圖2-機器并行開發

并行工程主要是創建了虛擬的環境，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設計中，還可以通過FMU/FMI進行多系統建模與聯合仿真方式，進行集成的測試，使得多專業領域可以協同工作，獲得開發效率的提升。

 

4.2基于V模型的開發

圖3-V-Mode開發過程

V-Mode是常用的機電系統開發方法，圖3顯示了其過程，V-Mode以滿足客戶需求為中心，通過系統需求的定義、功能規范、系統綜合、子系統設計、細節設計、測試、驗證、發布等過程形成完整的產品，V-mode是一種正向設計過程，這樣的開發具有以下特點：

（1）風險可控：由于按照步驟嚴謹的執行項目進程，因此，避免隨意性，尤其是在系統需求的定義階段，是的后續的開發避免走彎路。

（2）成本更低：通過標準與規范的操作，成本才能得到有效的控制。

 

4.3建模仿真與機器創新

建模仿真是基于計算機與軟件技術的發展而逐漸發展起來的，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，才能確保后續的開發的高效：

（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所能帶給開發者的諸多好處：

圖4-基于模型的開發（MBD）帶來的機器創新價值

（2）可以降低測試成本

傳統的機器生產，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、驗證可以在虛擬環境中進行，可以節省大量的前期研發成本。

 

（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成本。

 

（4）降低風險

建模仿真可以在虛擬環境中調試，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

傳統上，機器的開發較為簡單，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、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.

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

 

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，對于機電系統的開發而言，集成開發平臺、建模仿真軟件是基礎的工具，將簡單介紹一二。

5.1集成開發平臺

集成開發平臺是創新的工具平臺，例如貝加萊的Automation Studio平臺為機電創新設計而開發，它面向所有開發對象（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（項目配置、仿真、編程、測試驗證、運營維護），是目前機電開發全球該領域為數不多的集成開發平臺。

圖5-Automation Studio平臺面向對象與全流程的開發能力

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，快速開發機電對象。

 

5.2MATLAB/Simulink

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

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的協同

創建Simulink模型

添加B&RSimulink功能塊到Simulink模型

創建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省開發成本，本系列文章后續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生成動態模型

仿真并驗證

導出可以在Automation Studio中運行的FMU；

創建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界共同探討“機器創新設計”—通過技術交流與知識傳播希望讓每個中國機器制造業的技術管理人員、高級研發人員形成對創新的認知、交流與探討，共同推動中國制造業的進步。