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摘要：概念设计是产品设计中最重要的一环, 也是提高产品质量、降低成本和提高企业竞争力的主要手段。本文结合概念设计的定义和内容, 分析了概念设计的研究内容以及方法, 以作理论交流与技术参考。
关键词：机械产品；概念设计；方法研究
Abstract: the conceptual design is the most important part in product design, is also the main means to improve product quality, reduce costs and improve the competitiveness of enterprises. Based on the definition and contents of conceptual design, analyzed the design concept and method, to give theoretical and technical exchanges.
Keywords: mechanical product conceptual design; research method;
中图分类号：F407 文献标识码：A文章编号：
机械设计的内涵及其特性
1.1 机械设计内涵
在确定任务之后, 通过抽象化, 拟定功能结构, 寻求适当的作用原理及其组合等, 确定出基本求解途径, 得出求解方案, 这一部分设计工作叫做概念设计。产品设计的根本目的就是要创新产品, 满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动, 设计的本质是创新。因此, 重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。
1.2 机械设计的特性
概念设计具有如下特性:
( 1) 创新性：创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的, 如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中, 将产生一组可行的“新”方案。
( 2) 多样性： 概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等, 会产生完全不同的设计思路和设计方法, 从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。从而产生了机械式手表和石英手表这两种完全不同的设计结果。
( 3) 层次性： 概念设计的层次性体现在两方面。一方面,概念设计分别作用于功能层和载体结构层, 并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上, 而结构修改、结构变异则作用于结构层, 由映射关系将两层连接起来。另一方面, 在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性, 不同层次的功能对应不同层次的结构。
2.机械产品设计过程的主要步骤及基本内容
对于机械产品设计过程的不同理解, 从本质上说是由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解。机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段 。机械电子系统从本质上说是电子化了的机械。它所实现的功能和工艺动作过程与机械系统基本相同, 只是在实现方式和方法上电子化。它的概念设计步骤包括：功能分析与功能结构构图设计→工艺动作基本构成→ 执行机构及其系统的控制→方案构思、设计。
机械电子系统概念设计的基本构成如图1 所示。其基本内容包括:①功能分析与功能结构设计；②执行运动的构思与整个执行运动过程设计——集成:③传感检测系统与机电执行机构系统的融合；④信息出来及控制系统与机电执行机构系统和传感检测系统的集成与融合。总之, 产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。
总的来说，机械产品概念设计的内容由以下三部分组成:
4. 1功能分析与功能结构设计
功能抽象化：把市场需求和用户要求通过计算机分析, 进行功能抽象, 突出任务核心和摆脱因循守旧, 有利于找出新颖的方案；功能分解：将功能进行分解, 使其得到合适的的若干子功能, 分解过程也是创新过程；功能结构图设计：将各子功能的相互关系确定后, 进行功能结构图的构思和设计。
4. 2工艺动作的分解和构思
实现机械产品的功能是靠工艺动作来完成的, 即一系列工艺动作的目的是完成需实现的功能。工艺动作的分解往往对应于功能的分解。例如缝纫机的缝纫功能分解为刺布、挑线、钩线和送布四大功能, 它们所对应的动作为机针上下运动、挑线杆供线和收线、梭子钩线和推送缝料四大动作。又如灌装功能分解为送瓶、灌装、压盖、出瓶四大功能, 可用相应的四个动作来完成。同一功能可以由不同的工艺动作实现,因而工艺动作的构思也是相当重要的。例如在制袋充填封口机中, 如直接模拟手工制袋动作, 则机构动作非常复杂； 但如果利用相对运动原理逆反思索方法, 制袋成形器不动, 而薄膜相对运动, 就会使制袋机构大为简化。
4. 3执行机构系統方案构思与设计
实现功能的工艺动作, 在机械产品内是靠若干个执行机构来完成的。机构产品概念设计最终归结为机械运动方案设计, 也就是执行机构系统方案设计。执行机构系统方案的构思与设计是概念设计中非常重要的内容。它的设计内容框架如图1 所示。它分为三部分: 动力系统、传动及执行机构系统和控制系统。传动及执行机构系统是方案设计的核心。目前,传动系统和执行机构越来越紧密地连接在一起, 而且许多机构同时担负传动和执行的作用, 无法分割。因此在概念设计中将它们作为一个整体对待是合理的。控制机构一般采用各执行机构主动曲柄相位差来实现。
3.产品智能化概念设计研究内容和方法
为了提高机械产品概念设计的水平, 必须使概念设计实现智能化, 采用智能计算机辅助概念设计系统。智能化概念设计主要研究内容和方法阐述如下:
3.1 智能化概念设计的研究内容
( 1) 建立各种类型机械产品功能库和功能结构表示库: 概念设计的的关键是功能创新和表示、功能分解和功能结构图设计。因此根据各种类型机械产品的功能要求和结构特点建立功能库和功能结构表示库, 将会大大有利于人们利用已有专业知识和设计专家经验进行机械产品的创新设计。
( 2) 建立各种类型机械产品相关的功能载体库和载体
创新方法库: 概念设计最终应将各种功能、功能载体加以实现, 因此将产品相关的功能载体汇总成功能载体库有利于设计人员构思和分析, 使设计达到更高水平。为了追求概念设计达到更大的创造性, 对功能载体应不断创新, 总结现有功能载体所遵循的创新方法将会有利于人们创新功能载体, 达到更为完美的程度。
( 3)概念设计的推理方法: 概念设计的的推理机制是根据一个或一些判断得出另一个判断, 并最终求得结果的思维过程。具体来说, 就是利用各种知识库中的知识, 按一定的推理策略解决机械产品的概念设计。概念设计的推理机, 目前有基于类比的推理、基于实例的推理和基于原型的推理等多种形式。
( 4) 产品概念设计的评价体系和评价方法: 对不同类型的机械产品的评价体系显然是不同的, 但是在产品概念设计阶段评价体系仍具有一定的共同点。一般来讲, 对机械产品和机械电子产品分为功能、工作性能、动力性能、经济性及结构紧凑性等五个方面。建立评价体系要充分注意科学性、全面性和专家经验性。对于产品概念设计中初步确定的几个方案, 最后应用综合选优的方法来确定最佳方案。这里可以实用模糊综合评判法、系统工程评价和价值工程法等方法。
3.2 智能化概念设计研究方法
智能化概念设计的目的是使计算机具有一定程度的智能, 辅助人完成概念设计的全过程。“发明是靠99%的汗水和1%的灵感”,在概念设计中, 智能化目标就是由计算机完成99%的汗水工作, 而由人来完成1%的灵感工作。根据以上认识, 机械系统概念设计模型如图2 所示。它可以分为三部分: 右边部分代表基础知识, 它包括原理库、行为库和结构库； 左边部分为代表领域知识的本体库和样体库； 它们共同作用于中间部分概念设计功能→行为→结构的设计过程中。
4. 结论
综上所述，概念设计既是产品设计的先导, 又是产品构型设计的前提, 只有把概念设计搞好了, 产品设计才有可能达到高水平。目前,计算机辅助设计已经深入发展并得到广泛应用, 概念设计应该可以在计算机辅助智能化设计和专家系统技术的基础上得到充分发展。这就要求我们大力开展机械产品计算机辅助概念设计理论和方法的研究, 要求我们开发具有实用价值的计算机辅助概念设计系统。
关键词：机械产品；概念设计；方法研究
Abstract: the conceptual design is the most important part in product design, is also the main means to improve product quality, reduce costs and improve the competitiveness of enterprises. Based on the definition and contents of conceptual design, analyzed the design concept and method, to give theoretical and technical exchanges.
Keywords: mechanical product conceptual design; research method;
中图分类号：F407 文献标识码：A文章编号：
机械设计的内涵及其特性
1.1 机械设计内涵
在确定任务之后, 通过抽象化, 拟定功能结构, 寻求适当的作用原理及其组合等, 确定出基本求解途径, 得出求解方案, 这一部分设计工作叫做概念设计。产品设计的根本目的就是要创新产品, 满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动, 设计的本质是创新。因此, 重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。
1.2 机械设计的特性
概念设计具有如下特性:
( 1) 创新性：创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的, 如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中, 将产生一组可行的“新”方案。
( 2) 多样性： 概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等, 会产生完全不同的设计思路和设计方法, 从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。从而产生了机械式手表和石英手表这两种完全不同的设计结果。
( 3) 层次性： 概念设计的层次性体现在两方面。一方面,概念设计分别作用于功能层和载体结构层, 并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上, 而结构修改、结构变异则作用于结构层, 由映射关系将两层连接起来。另一方面, 在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性, 不同层次的功能对应不同层次的结构。
2.机械产品设计过程的主要步骤及基本内容
对于机械产品设计过程的不同理解, 从本质上说是由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解。机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段 。机械电子系统从本质上说是电子化了的机械。它所实现的功能和工艺动作过程与机械系统基本相同, 只是在实现方式和方法上电子化。它的概念设计步骤包括：功能分析与功能结构构图设计→工艺动作基本构成→ 执行机构及其系统的控制→方案构思、设计。
机械电子系统概念设计的基本构成如图1 所示。其基本内容包括:①功能分析与功能结构设计；②执行运动的构思与整个执行运动过程设计——集成:③传感检测系统与机电执行机构系统的融合；④信息出来及控制系统与机电执行机构系统和传感检测系统的集成与融合。总之, 产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。
总的来说，机械产品概念设计的内容由以下三部分组成:
4. 1功能分析与功能结构设计
功能抽象化：把市场需求和用户要求通过计算机分析, 进行功能抽象, 突出任务核心和摆脱因循守旧, 有利于找出新颖的方案；功能分解：将功能进行分解, 使其得到合适的的若干子功能, 分解过程也是创新过程；功能结构图设计：将各子功能的相互关系确定后, 进行功能结构图的构思和设计。
4. 2工艺动作的分解和构思
实现机械产品的功能是靠工艺动作来完成的, 即一系列工艺动作的目的是完成需实现的功能。工艺动作的分解往往对应于功能的分解。例如缝纫机的缝纫功能分解为刺布、挑线、钩线和送布四大功能, 它们所对应的动作为机针上下运动、挑线杆供线和收线、梭子钩线和推送缝料四大动作。又如灌装功能分解为送瓶、灌装、压盖、出瓶四大功能, 可用相应的四个动作来完成。同一功能可以由不同的工艺动作实现,因而工艺动作的构思也是相当重要的。例如在制袋充填封口机中, 如直接模拟手工制袋动作, 则机构动作非常复杂； 但如果利用相对运动原理逆反思索方法, 制袋成形器不动, 而薄膜相对运动, 就会使制袋机构大为简化。
4. 3执行机构系統方案构思与设计
实现功能的工艺动作, 在机械产品内是靠若干个执行机构来完成的。机构产品概念设计最终归结为机械运动方案设计, 也就是执行机构系统方案设计。执行机构系统方案的构思与设计是概念设计中非常重要的内容。它的设计内容框架如图1 所示。它分为三部分: 动力系统、传动及执行机构系统和控制系统。传动及执行机构系统是方案设计的核心。目前,传动系统和执行机构越来越紧密地连接在一起, 而且许多机构同时担负传动和执行的作用, 无法分割。因此在概念设计中将它们作为一个整体对待是合理的。控制机构一般采用各执行机构主动曲柄相位差来实现。
3.产品智能化概念设计研究内容和方法
为了提高机械产品概念设计的水平, 必须使概念设计实现智能化, 采用智能计算机辅助概念设计系统。智能化概念设计主要研究内容和方法阐述如下:
3.1 智能化概念设计的研究内容
( 1) 建立各种类型机械产品功能库和功能结构表示库: 概念设计的的关键是功能创新和表示、功能分解和功能结构图设计。因此根据各种类型机械产品的功能要求和结构特点建立功能库和功能结构表示库, 将会大大有利于人们利用已有专业知识和设计专家经验进行机械产品的创新设计。
( 2) 建立各种类型机械产品相关的功能载体库和载体
创新方法库: 概念设计最终应将各种功能、功能载体加以实现, 因此将产品相关的功能载体汇总成功能载体库有利于设计人员构思和分析, 使设计达到更高水平。为了追求概念设计达到更大的创造性, 对功能载体应不断创新, 总结现有功能载体所遵循的创新方法将会有利于人们创新功能载体, 达到更为完美的程度。
( 3)概念设计的推理方法: 概念设计的的推理机制是根据一个或一些判断得出另一个判断, 并最终求得结果的思维过程。具体来说, 就是利用各种知识库中的知识, 按一定的推理策略解决机械产品的概念设计。概念设计的推理机, 目前有基于类比的推理、基于实例的推理和基于原型的推理等多种形式。
( 4) 产品概念设计的评价体系和评价方法: 对不同类型的机械产品的评价体系显然是不同的, 但是在产品概念设计阶段评价体系仍具有一定的共同点。一般来讲, 对机械产品和机械电子产品分为功能、工作性能、动力性能、经济性及结构紧凑性等五个方面。建立评价体系要充分注意科学性、全面性和专家经验性。对于产品概念设计中初步确定的几个方案, 最后应用综合选优的方法来确定最佳方案。这里可以实用模糊综合评判法、系统工程评价和价值工程法等方法。
3.2 智能化概念设计研究方法
智能化概念设计的目的是使计算机具有一定程度的智能, 辅助人完成概念设计的全过程。“发明是靠99%的汗水和1%的灵感”,在概念设计中, 智能化目标就是由计算机完成99%的汗水工作, 而由人来完成1%的灵感工作。根据以上认识, 机械系统概念设计模型如图2 所示。它可以分为三部分: 右边部分代表基础知识, 它包括原理库、行为库和结构库； 左边部分为代表领域知识的本体库和样体库； 它们共同作用于中间部分概念设计功能→行为→结构的设计过程中。
4. 结论
综上所述，概念设计既是产品设计的先导, 又是产品构型设计的前提, 只有把概念设计搞好了, 产品设计才有可能达到高水平。目前,计算机辅助设计已经深入发展并得到广泛应用, 概念设计应该可以在计算机辅助智能化设计和专家系统技术的基础上得到充分发展。这就要求我们大力开展机械产品计算机辅助概念设计理论和方法的研究, 要求我们开发具有实用价值的计算机辅助概念设计系统。