近年来，随着工程教诲改革的推进，越来越多的高校开始履行项目式传授教化（project-based teaching，PBT）或学习方法（project-based learning，PBL），且多以繁芜机电系统作为设计实践工具。繁芜机电系统是由机、电、液、光等多物理过程，多单元技能，集成于机器载体而形成整体功能的繁芜装备，具备繁芜性、系统性和耦合性等特色；在构造方面紧张包括机器本体、掌握器、驱动装置（包括动力源、实行装置和传动机构）、传感器及打算机 5部分；在功能方面，繁芜机电系统通过对物质、能量和信息的变换，从而实现特定功能。
目前，设计科学研究领域及系统工程领域已有许多支持繁芜机电系统设计的教程和方法。在教程方面，德国的 Phal等、美国的 Dieter平分离提出了系统化工程设计方法，美国的Ulrich等从商业角度出发构建了更为普遍适用的产品设计与开拓方法，美国的Ullman等提出了机器设计过程方法。上述教程为繁芜机电系统设计与开拓供应了可借鉴的流程、方法和工具。在设计方法方面，设计领域还有许多可以辅导学生团队进行设计实践的方法，例如FBS（function-behaviour-structure）模型以及各种扩展的FBS模型、公理化设计方法以数据驱动的创新设计方法等，上述方法紧张集中在创新设计层面。然而，正如Tomiyma等的综述文章所指出的，学术界所提出的设计理论与方法仍未得到工业届的普遍认可和利用，其缘故原由在于还缺少系统考虑如何履行设计过程和如何环绕设计工具逐步开展设计的方法，即短缺关注设计知识的数字化和模型化表达、模型的标准化、基于模型的知识流动机制、模型如何集成的研究。
在系统工程方面，基于模型的系统工程方法（model-based system engineering，MBSE）是工业界正在积极推动的系统化设计方法，其可以运用的建模措辞包括UML以及基于 UML发展起来的 SysML措辞，上述措辞详细地规定了如何基于模型开展设计的过程，如何以设计工具为中央构培植计工具模型，目前已有许多可以利用的工具。在专门针对繁芜机电系统的设计方法方面，Shetty等先容了机电一体化关键元素，即信息系统、机器系统、电气系统和打算机系统，系统地先容了繁芜机电系统的建模和仿真方法。钟掘构建了面向繁芜机电系统的耦合设计理论与方法，从多学科耦合与模块系统集成的角度为繁芜机电系统的设计与开拓供应了理论与方法。Barbieri等提出了基于模型的机电系统设计方法，并以大略系统为例进行了实践。
目前已经有许多理论、方法和工具可用于辅导繁芜机电系统的设计与实践，然而项目式传授教化实践表明，在繁芜机电系统的创新设计过程中，学生团队仍紧张借助团队谈论、采纳试错法进行繁芜机电系统的设计与实践。目前，还短缺适用于学生团队开展繁芜机电系统创新设计的系统化方法。本文旨在构建基于模型的繁芜机电系统创新设计方法，以支持项目式传授教化与学习，该方法包括项目过程模型和设计工具模型，以微动摩擦磨损试验系统为设计工具，对所提出的方法进行运用验证。
基于模型的繁芜机电系统创新设计
问题的提出及研究范围的界定
传统创新设计是一个办理从需求到功能实现的过程，在这一过程中，涉及到对需求（功能需求、性能需求）、环境、功能、行为、构造等基本观点的形式化表达，并构建观点和观点之间的关联关系，形成设计方案，如图 1所示。但是，在这一过程中缺少与设计知识明确关联的研究，未强调基于模型的设计。项目式传授教化与学习强调以项目为牵引、基于团队的设计与实践。在传授教化方法方面或讲授工程设计过程与方法或采纳教练式传授教化方法；在实践方面，强调以学生为中央的团队实践。但是，目前普遍短缺基于模型的设计方法论也短缺基于模型的易操作设计工具。有别于有履历的工程师，学生团队具备创造力强、知识和履历不敷以及短缺系统化设计方法等特点，因此学生团队在进行设计时一旦形成观点便寻求办理方案及进行原型制作，常日会带来设计迭代乃至设计失落败的结果。
图1 项目式传授教化与学习紧张内容及其问题
面向繁芜机电系统的创新设计，方法论和工具的缺失落会影响项目式团队的设计沟通、设计效率，同时还会影响设计结果。针对学生团队的繁芜机电系统的创新设计，本文将设计范围限定到从需求剖析到事理样机实现层面，不涉及之后的工程样机阶段。基于上述范围，构建面向繁芜机电系统的项目过程模型和设计工具模型。
项目过程模型
综合项目管理、工程设计干系理论和方法，构建如图 2所示的设计过程模型，基于该模型支持项目式团队基于设计过程模型开展项目式学习与实践。须要把稳的是，该项目过程模型用以支持项目式团队方案项目任务及过程，适用于设计过程各个阶段。
图 2 设计过程模型
设计工具模型
由于设计具有过程性和工具性双重属性，设计的过程实际上是设计工具随着设计过程不断进化的过程，亦即设计工具知识完全度不断提高的过程。因此，基于系统化设计方法和基于模型的系统工程方法并结合 SysML建模措辞，可以建立如图 3所示的设计工具模型。个中图 3（a）为基于扩展 FBS的设计工具模型，图 3（b）为基于 SysML的设计工具知识表达模型。
图 3 设计工具模型
运用案例
针对本科生项目式团队，基于上述基于模型的设计方法，以上海图阅智能科技有限公司的 SysGraph Modeler为建模工具，以摩擦磨损试验机为设计工具，进行繁芜机电系统的创新设计与开拓。
项目过程模型
项目任务为针对微振动摩擦磨损中的常见模型球-面打仗，探究和评估振动类型、正压力等外界成分对材料微动磨损性能的影响，设计并搭建微动摩擦试验平台及微动仿照机构，获取其运动学和动力学参数。面向上述繁芜机电系统，采纳如图 2所示基于模型的项目过程管理方法，构建如图 4所示的项目过程模型以辅导学生基于项目过程模型履行项目任务操持，从而完成微动摩擦磨损试验系统的创新设计与样机开拓。个中，图 4（a）为基于模型的项目背景描述，图 4（b）为事情任务分解模型，图 4（c）为本项目任务-职员任务分配矩阵，图4（d）为项目韶光管理模型。
图 4 微动摩擦磨损试验机项目过程模型
设计工具模型
以 FBS扩展模型为辅导，基于 SysML建模措辞针对微动摩擦磨损试验机进行设计，构建以下模型：组织架构、需求（利益干系者需求、试验机系统需求）、试验机功能构造、系统构造、试验机接口定义以及行为模型，而后采取 SysGraph Modeler工具进行建模实践，以下以模型组织架构图和系统构造图为示例解释如何采取 SysGraph Modeler开展基于模型的繁芜机电系统的设计。
图 5为基于 SysGraph Modeler构建的微动摩擦磨损试验机的组织架构模型图，个中包括需求、构造、行为、参数和单位库 5个包图，包图中所包含的元素可在图中右侧图谱构造中进行查询。以 SysGraph Modeler 为建模工具的繁芜机电系统创新设计即不断对上述包图进行细化和实例化。基于模型的设计过程即设计工具从抽象到详细，设计工具知识模型从不完全到相对完全的过程。
图 5 微动摩擦磨损试验机组织架构模型
图 6为基于 SysGraph Modeler构建的微动摩擦磨损试验机的系统需求模型图，该模型是对图 5中抽象的需求模型的进一步细化。需求模型中，包括利益干系者需求和系统需求两部分，前者是从用户的角度描述需求，例如用户须要试验机频率高档；后者是从产品的角度描述，例如，试验机的频率应达到多少、载荷范围应为多少等。系统需求详细描述了包括功能需求、性能需求、接口需求、物理需求以及设计约束等在内的系统开拓需求，包图中所包含的元素，可在右侧图谱构造中进行查询。
图 6 微动摩擦磨损试验机系统需求模型
图 7为基于 Sysgraph Modeler构建的微动摩擦磨损试验机的系统构造模型图，该模型包括运动模块、丈量模块、PC机、压力加载模块、装夹模块和基座模块。针对模型中各模块逐一进行细化可构建针对全体微动摩擦磨损试验机的构造模型。由图 7可知，基于繁芜机电系统的构造模型图，可以进行构造模块的划分和模块的逐级细化，从而完成系统构造模型的构建。
图 7 微动摩擦磨损试验机系统构造模型
图 8为基于项目过程模型和基于设计工具模型所开拓的微动摩擦磨损试验机物理样机。该试验机中的各模块与图7所示系统构造模型相对应。
图8 微动摩擦磨损试验机样机
结论
1）构建了基于模型的繁芜机电系统创新设计模型，可以有效方案项目流程、明确项目任务分工，进而提高设计效率。
2）构建了基于模型的繁芜机电系统设计工具模型，为繁芜机电系统设计供应一种系统化设计方法，同时可以提高设计沟通效率。
3）采纳本文所提出的方法并运用 SysGraph Modeler系统建模工具，可用于繁芜机电系统的创新设计。（任务编辑 祝叶华）
致谢 尹念、王力、黄稹敏、王静茹、戴京航、黄子钊同学在摩擦磨损试验系统实现方面做出一定贡献；上海图阅智能科技有限公司供应SysGraph Modeler及在建模方面给予支持。
参考文献（略）
作者简介
作者简介：张执南，上海交通大学机器与动力工程学院，副教授，研究方向为创新设计理论与方法、摩擦学系统建模与剖析。
注：本文揭橥于《科技导报》2019 年第7期，敬请关注。
