机电产品现代设计方法.ppt

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1、机电产品现代设计方法,讲授者：廖平,一、绪论,随着互联网+和科技智能化技术的不断提升和发展，机电产品正朝着智能化、集成化以及系统化的方向发展，为现代机电产品的高效设计提出了挑战。其核心就是机电一体化,1.1典型的机电产品,消防、侦查机器人,大飞机,玉兔月球车,J20战斗机,加工中心,俄罗斯主战坦克T-72B,1.2 机电一体化的基本概念,现代机电产品设计将现代机械设计技术、人工智能技术、微电子技术、光学技术、通信技术、自动控制技术以及互联网+等多种技术有机结合，实现机电一体化 目标：高质量、高精度、高可靠性、低能耗。,普通车床,数控车床,“机电一体化”一词的英文名词是“Mechatronics

2、”,它是取Mechanics（机械学）的前半部分和Electronics（电子学）的后半部分拼合而成的。机电一体化是现代机电产品设计的灵魂,现代高新技术（如微电子技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、国防技术、海洋开发技术、光纤通信技术及现代医学等）的发展需要具有智能化、自动化和柔性化的机电产品。现代高端装备如燃气轮机、光刻机、高端数控机床等国家综合实力的体现。,1.3 现代机电产品组成要素,上述组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。,现代机电产品的组成要素,动力源,控制与决策,机械本体,检测,传动与执行机构,信息传递,1

3、.机械本体现代机电产品的机械本体包括机身、机壳、框架、连接等。要求机械本体人机友好、外形美观、结构轻巧,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,2.动力与驱动 动力部分的功能是按照系统控制要求,为系统提供能量和动力,使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出,是现代机电产品的显著特征之一。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,同步电机,同步电机,液压系统,压电陶瓷精密驱动,气缸,3.传动与执行机构（a）传动机构传动机构是把动力从机器的一部分传递到另一部分，使机器或机器部件运动或运转的构件或机构。(1)功用改变动力机输出转矩，以满足工作机的要求；把动力机输出的运动转变为工

4、作机所需的形式，如将旋转运动改变为直线运动，或反之；将一个动力机的机械能传送到数个工作机上，或将数个动力机的机械能传送到一个工作机上；其他特殊作用，如有利于机器的控制、装配、安装、维护和安全等而设置传动装置。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,机械传动 是指利用机械方式传递动力和运动的传动。分为两类：一是靠机件间的摩擦力传递动力与摩擦传动，二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,齿轮传动,链传动,带传动,蜗轮蜗杆传动,凸轮机构,流体传动是指利用流体作为工质的一种传动。依靠液体的静压力传递能量的称为液压传动。依靠叶轮与

5、液体之间的流体动力作用传递能量的称为液力传动。利用气体的压力传递能量的称为气压传动。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,混泥土泵车,电气传动是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的传动，也称电力拖动。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,复合传动是指利用两种或两种以上的传动方式的机构或结构。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,（2）执行机构 执行机构的功能是根据控制信息和指令,完成要求的动作。执行机构是运动部件。根据采用动力源的不同，通常有电动执行机构，气动执行机构，液动执行机构等。执行机构是自动控制系统的重要环节，它接受控制

6、信号，对其进行功率放大，然后转换为输出轴的相应的角位移或直线位移，用以推动各种调节机构，如调节阀、风门挡板等，改变被调介质流量，以完成各种过程参数的自动控制或人工手动控制。执行机构的动作规律通常是线性的，也有采用等百分比型的。其控制信号有连续的电流信号，也有断续的电压信号或脉冲信号。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,4.信息传递单元 信息传递单元的功能是各要素的工况信息和外部信息通过规定的数据格式和通信方式进行传递。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,5.控制与决策单元 控制与决策单元的功能是将来自各要素的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工,根据信息处理结果,按

7、照一定的程序和节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的地运行。常见的控制器有工控机、嵌入式控制器、单片机、PLC等,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,工控机,嵌入式控制器,单片机,西门子PLC,6 传感与检测单元传感与检测单元是将机电产品的各种工况和运行状态的物理信息通过传感器转换成电信号（电压或电流），并对电信号进行滤波、放大、A/D转换处理，变换成数字信号输入到控制单元中。,1.4 现代机电产品的机电产品的功能构成,压力传感器,温度传感器,线位移传感器,角位移传感器（光电编码器）,1.5 机电产品现代设计方法（1）机电机电产品设计基础机电机电产品设计基础是机电一体化技术，牵涉到多学科

8、交叉。它所涉及的主要技术科学领域既包括有：机械设计、微电子技术、控制理论与技术、信息处理技术、现代设计方法、软件工程，模糊识别、系统仿真、人工智能、网络技术等跨学科知识。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品的发展趋势a.机电产品智能化。随着计算机技术、人工智能、互联网技术（尤其是5G技术的出现）的迅速发展，使得机电产品的功能更加智能化，机电产品的功能和品质发生了质的飞跃。导致了智能机械（如机器人、智能仪表）的出现。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品的发展趋势b.现代机电产品的小型化、轻量化 由于微电子技术和纳米技术的发展，加速了机电一体化技术发展的进程，机电产品也越做

9、越小、质量也越来越轻；,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品的发展趋势c.正向着综合化方向发展。由于现代机电产品涉及的领域越来越多，不仅涵盖了机、电、磁、声等领域，也实现了与信息论、控制论、系统论的集成。技术含量也越来越高，产品的结构越来越复杂、功能越来越齐全；,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品的发展趋势4.正向着高可靠性方向发展 机电产品集机械产品和电子产品于一体，而且使用机电产品的场合也越来越多，环境也越来越复杂，对于现代的机电产品而言，势必要求其具有较高的可靠性和抗干扰能力。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法1.并行设计 并行设计是一

10、种对产品及其相关过程（包括设计制造过程和相关的支持过程）进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类：,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法1.并行设计（1）基于人员协同和集成的并行化 就是把组成与产品方面有关的，针对给定设计任务的专门的、综合性的设计团体（企业）协同起来。机电产品的特殊性要求是：团队成员的知

11、识面较广是跨领域的、善于理解他人观点的能协同的人员。所有成员都能相互交流，可以通过利用日益完善的通信技术和计算机技术，建立一套完善合理的使用于机电产品的人员管理体系，加强不同设计团队（企业）工作的协调性。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法1.并行设计（2）基于信息、知识协同和集成的并行化 该方法基于计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网络对机电产品进行设计，并进行可制造性、经济性、可靠性、可装配性等内容的分析及时的反馈信息，并按要求修改各零部件的设计模型，直至整个机电产品完成为止。可以采用面向制造（DFM）和面向装配（DFA）的设计方法，涉及CAX技术（

12、即CAD/CAM/CAPP一体化技术）、产品信息集成（PDM）技术以及与人员协同集成有关的信息技术。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法1.并行设计 这两种机电产品并行设计方法并不是相互独立的。在实际应用过程中，它们往往是紧密结合在一起的。如现代企业所实行的ERP（企业资源计划），不仅企业人员管理机制，还集成了CAX（CAX是CAD、CAM、CAE、CAPP、CIM、CIMS、CAS、CAT、CAI等各项技术之综合叫法，CAX实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来复合和协调地进行工作）、PDM（物理数据模型，用于存储结构和访问机制的更高层描述，描述数据是如何在计算

13、机中存储的，如何表达记录结构、记录顺序和访问路径等信息。）以及其他的相关技术，通过采用这样的方式来全面实现企业及企业间的并行工程。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法2.虚拟设计在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造（也叫拟实制造）指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。正是依

14、托这样的虚拟制造技术，建立与产品设计有关的计算机虚拟设计现实系统（VRS），在这个软环境中从事产品设计的技术叫做虚拟设计。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法2.虚拟设计虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。它不仅继承了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的利用和补充，使产品保持技术上的优势。机电产品的虚拟设计要以计算机技术（尤其是计算机网络、通信技术）为基础。对机电产品虚拟设计平台的建立应该包括三个层次的内容：一是产品

15、模型的建立以及产品设计的优化；二是对产品（包括各部件）的评价和验证，比如产品性能评价、可制造性的评价；三是产品模型以及相关信息的传输。要实现虚拟设计过程中产品信息的共享，一般采用了STEP（产品模型数据交换标准）的格式。在这些基础上可以建立机电产品虚拟设计系统，该系统集成了CAD/CAM系统、PDM系统、专家系统以及网络、通讯等系统。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法3.绿色设计 绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。

16、我国在机电产品的绿色设计方面的研究尚处于起步阶段，目前的产品绿色设计只停留在简单的材料回收上，往往忽视了对产品零部件深层次的重复利用。产品的绿色设计主要包括以下内容：,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法3.绿色设计（a）产品材料的选择和管理 产品的材料不仅要满足传统设计的使用和性能要求，也包括对环境约束准则的考虑。（b）产品可拆卸性和可回收性设律列 可拆卸性设计是将废弃淘汰产品的连接按照需要和回收目标拆开而将零部件相互分离，及用利于产品拆卸的连接方式代替传统的连接方式；可同收性设计则是将产品中的可重用零部件及材料按照其性质进行分类，以便实现零部件重用或材料循环的一种

17、设计思想和方法。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法3.绿色设计（c）绿色产品成本分析和设计数据库的建立 对产品的成本分析不仅包括了产品原始成本的分析，还包括产品环境成本的分析，以便设计出更绿色、成本更低的产品。而产品绿色设计数据库包括与产品寿命周期中环境、经济等有关的基础数据，以及各类评判标准。（d）产品的绿色包装设计 除了设计出能满足客户要求和喜爱的产品造型和样式之外，还要充分考虑包装对环境的影响因素。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法4.可靠性设计 机电产品的可靠性设计可定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力

18、。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性（概率）之间的关系。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。可靠性常用的数值标准有：可靠度（Reliability）、失效率（Failure Rate）平均寿命（Mean Life）。机电系统的可靠性不仅与组成系统单元（机械单元、电气单元或混合单元）的可靠性有关，还与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。通常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容：,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现

19、代设计方法4.可靠性设计（a）明确机电产品中机械部件和电气部件的设计制造要求。（b）系统可靠性建模。系统常用的可靠性建模方式有：串联系统建模、并联系统建模、混联系统建模、k/n系统建模和储备系统建模。可通过这些数学模型并采用适当的算法来计算出机电系统的可靠性。（c）可靠性可预测。预测单元（机械单元、电气单元或混合单元）的可靠性，首先要确定单元的基本失效率，它们是在一定的环境条件下得出的，设计时可以从相关的手册、资料中查得。然后根据公式=kb来确定各单元的应用失效率，k为修正系数，可由专门的资料中查得。对于不同的机电系统，其可靠性预测的方法也不同，常用的有元器件统计法、数学模型法和故障树分析法等

20、方法。（d）可靠性的分配。目的是提高产品设计质量、节约产品设计制造费用和时间。分配的原则根据机电产品各单元技术水平、复杂程度、重要程度以及相关费用等条件来决定，总的来说都是为了获取系统最高的可靠性。现在常用的分配方法有等分发、再分发、Agree分配法和相对失效法和相对概率法。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法5、智能优化设计 随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。智能优化设计应该以

21、计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，而实现的手段有：,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电产品常见现代设计方法5、智能优化设计（a）模糊设计模糊设计是以模糊数学为理论基础，它首先通过对设计对象的各项性能指标建立满足某些模糊集合的隶属度函数，并按其重要性乘以不同的加权引子，然后按一定的算法得到综合模糊集合的隶属函数，再通过优化策略，把模糊问题向非模糊化转化，从而实现寻优的过程。现在机电产品中涉及到模糊理论的场合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣机、模糊微波炉，它们正悄然地改变着人们的生活方式。,1.5 机电产品现代设计方法（2）现代机电

22、产品常见现代设计方法5、智能优化设计（b）神经网络优化设计 神经网络是一种模仿人类大脑结构、功能的信息处理智能系统，一般由多输人单输出非线性单元组成神经元，各神经元按一定的模式连接，并构成各种连接模型。它通过反复的训练和学习以及自身的适应能力来完成对复杂信息的处理，使输出达到最优。神经网络的重要特征就是具有很强的自适应、自组织、自学习的能力和强容错性。为实现机电产品智能化的功能，还有一个途径就是利用专家系统的框架。通过提取人类成熟的操作经验和知识，以知识库为核心，配以特征知识处理，并采用不同的匹配法则和推理机制，构成完整的最优决策系统。近年来，深度学习、机器学习等人工智能技术已开始在现代机电产

23、品设计中得到应用。,1.机电一体化的高性能化 高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。2.机电一体化的智能化趋势 人工智能在机电一体化技术中的研究日益得到重视,机器人与数控机床的智能化就是其重要应用。,1.6 现代机电产品的发展趋势,机电一体化的智能化趋势包括以下几个方面：（1）诊断过程的智能化。诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。（2）人机接口的智能化。智能化的人机接口,可以大大简化操作过程,这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。（3）自动编程的智能化。操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据,加工程序就可全部自动生成。（4）加工过程的智能化。,

24、3.系统化 系统化的表现特征之一是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态,进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多坐标多系列控制功能的NC系统。4.轻量化及微型化 一般地,对于机电一体化产品,除了机械主体部分,其他部分均涉及电子技术。随着片式元器件（SMD）的发展,表面组装技术（SMT）正在逐渐取代传统的通孔插装技术（THT）而成为电子组装的重要手段,电子设备正朝着小型化、轻量化、多功能、高可靠方向发展。,二、机电产品设计步骤,Product demand analysis（需求分析）Project Planning（项目规划）Product Function divisi

25、on（产品功能划分）Conceptual Design（原理方案设计）Product Development（产品详细设计）ProductSupport（产品支持）。,二、机电产品设计步骤,（一）Product demand analysis（需求分析）要设计一个产品，首先必须知道用户的需求，才能定义一个产品的功能。需求通常会通过以下的几个途径产生：1、技术推进型所谓技术推进型是指随着科技的发展，就会有许多新的技术的产生，而将这些新的技术应用到已有的产品中去就会产生新的更好的产品，这就是开发新产品。,二、机电产品设计步骤,（一）Product demand analysis（需求分析）2、市场

26、拉动型。市场拉动型是指市场上所需要的，即人们的需求。举一个简单的例子，比如菜市场上今天某一样菜很少，并且需要这样菜的人还很多，那么这样菜今天的价格一定很高，这就是市场拉动型。要想通过市场找到需求就必须要有敏锐的观察力，能察觉到现阶段市场上哪些产品是热销的，或者能预测到什么东西将会称为热销的产品。然而这有不仅仅是找到热销产品，我们还必须要进行充分的市场调查，调查现在都有哪些公司都在生产这种类型的产品、他们目前所掌握的技术是否成熟，是否掌握核心技术、还有他们的生产是否能满足人们的需求和人们对这种产品的需求是否呈增长趋势等等。市场拉动型是最常见的需求产生的方法。,二、机电产品设计步骤,（一）Prod

27、uct demand analysis（需求分析）3产品更新。产品更新适用于一个产品已经生产出来了，而且目前的技术已经很成熟了，但是通过问卷调查就会发现该产品仍然有许多地方不能满足人们的使用需求，所以我们就可以抓住这一点来更新换代新的产品。比如手机。,二、机电产品设计步骤,（一）Product demand analysis（需求分析）4、用户委托或是主管部门下达。根据用户委托书的功能需求或者管部门下达的研发任务分析所设计产品的功能结构，制定相应的研发方案。,二、机电产品设计步骤,（二）Product Function division（产品功能划分）根据需求分析确定产品功能模块。首先要对用户

28、的要求的功能进行评定，分析其服役工况，结合机电领域不同学科不同专业人员共同讨论这些功能能否实现，要是能实现需要达到怎样的参数。然后再来计算成本的高低。评定在怎样的参数下所需的成本最低而且对功能的影响还不是很大，以实现最优设计要求。一个产品参数的设定是至关重要的，因为它和其他产品相区别的重要特点。不同的参数完成不同的功能。,二、机电产品设计步骤,（二）Product Function division（产品功能划分）1.现代产品功能的特点机电一体化。功能复合。智能型。外形轻巧美观。,二、机电产品设计步骤,（二）Product Function division（产品功能划分）2.产品功能分解及整

29、理产品功能分解产品功能的分类整理产品功能系统图的构建,二、机电产品设计步骤,（二）Product Function division（产品功能划分）2.产品功能分解及整理,（1）产品功能分解,为了对产品的功能进行深入、细致的分析，设计师需要按照系统分解的方法分解产品的功能，把产品主功能分解为辅助功能，再将辅助功能进一步分解为辅助功能，再将辅助功能进一步分解为各个子功能。因为产品的各个功能之间有明确的递进关系，可以利用这种关系建立“产品功能结构图”。这样既可显示各功能单元、分功能与总功能之间的关系，又可以通过逆向求解的方法将各功能单元的解进行有机组合，从而求得系统功能的解，即实现产品总体功能方案

30、。,二、机电产品设计步骤,（二）Product Function division（产品功能划分）2.产品功能分解及整理,（2）功能树,产品的功能分解可以用树状的功能结构来表示，称为“功能树”。功能树的顶端起于产品的总功能，向下分为分功能、子功能等。,二、机电产品设计步骤,（二）Product Function division（产品功能划分）2.产品功能分解及整理,（2）功能树,产品的功能分解可以用树状的功能结构来表示，称为“功能树”。功能树的顶端起于产品的总功能，向下分为分功能、子功能等。,二、机电产品设计步骤,（三）Project Planning（项目规划）：项目规划是指在找到需求之后

31、，对产品的设计过程进行规划，具体包括建立团队、任务分配、时间安排、成本计算等。1、建立团队根据要生产的产品的功能，以及要实现这些功能需要哪些方面的技术来选择技术人员。对于核心技术方面的人要多选择几个。总之人员分配要合理。,二、机电产品设计步骤,（三）Project Planning（项目规划）：2、任务分配。一个产品的功能可以看成是一个机电一体化系统，要实现这个系统的五大要素功能就必须首先实现子系统的功能，而子系统下面有由许多的子系统组成，所以首先要从最小的子系统入手，给每个人分配一个最小的子系统的功能，各子系统之间必须协同，组成在一起就构成了机电一体化系统的功能。,二、机电产品设计步骤,（三

32、）Project Planning（项目规划）：3、时间安排。即在规定的时间内完成规定的任务，具体可以通过Gantt图来实现。,二、机电产品设计步骤,（三）Project Planning（项目规划）：4、成本计算。应在满足功能要求的情况下所需的成本降到最低。,二、机电产品设计步骤,（四）Conceptual Design（原理方案设计）这一步是整个设计过程中最重要的一步。在这一步完成之后将产生多个产品的原型，最后确定出最优的设计方案。首先还是要分析该产品要实现哪些功能，每个功能要怎样来实现，实现这些功能的方法都有哪些。比如要实现发射一个东西这个功能可以通过将弹性势能转化成动能来实现，也可以通

33、过将重力势能转化成动能来实现。对每一个功能都通过这样的方法来分析，列出每个功能可能的实现方法，最后通过综合考虑成本，性能，实现难易程度等因素来选出最佳的设计方案。,二、机电产品设计步骤,（五）Product Development（产品详细设计）：产品详细设计是指，在确定了产品设计方案的前提下，设计一些细节问题，比如说用什么材料效果最好且成本相对较低、克服摩擦力、提高精度等等。产品的详细设计还包括产品的制造的工艺流程，即根据每个零件的功能要求来编写每个零件的加工工艺流程图，包括需不需要特殊处理等要求，还有装配要求。画出每个零件的零件图、装配图、再从装配图上拆画零件图，以保证每个生产出来的零件都能装上去，最后通过一些改进，制造出第一台产品原型，并进行相关的一些试验。,二、机电产品设计步骤,（六）Product Support（产品支持）在做出第一台原型机之后，通过测试和用户试用生产出来的产品是否满足要求，对不满足要求的地方进行合理化的改进，最后编写用户使用说明书，注意编写使用说明书的时候要用用户能看懂的通俗的语言进行编写，不要用专业名词。还要进行专利申请。接下来把产品从设计到制造的全过程的文件都整理存档，以便将来对产品进行更新换代。最后设计产品的回收报废。,