（车辆工程专业论文）基于公理设计理论的机械产品创新设计.pdf

摘要 设计理论可以为设计活动提供理论依据，指导设计者进行设计。公理设计是 其设计理论中的一种，它以独赢公理和信息公理两条理沦为基础，指导设计者在 设计的初期做出f 确的设计决策，从而提高工作效率，缩短丌发时问，增强产品 和企业在市场中的竞争力。 本文对n a mp o ys u h 的公理殴计理论做了深入研究，分析并提出了基于公理 设计理论的机械产品创新设计框架模型，并对浚模型的各个步骤作了详细的况 明。在设计过程中，针对独立公理，作者给：h 了判断设计耦介性和i u 取性的方法， 如果设计结果1 i 满足功能独立性要求，设计不可取，殴计人! j j 要通过分析功能翌 求和设计参数之问的相互影响关系，增加物理部件解除其中的耦合。在满足独立 公理的多个没计方案中，要选择信息含量最低的设计作为最终设计方案。 丌发公理设计机械创新软件，用公理设计而向对象的软件设计方法进行 软件设计分析，建立软件的组成等缴结构以及软件组成之问的相互关系和操作， 用c + + 编码实现软件的功能。公理没计软件建立了公理发汁框架，指导设计肯 进行设计决策，并且自动判断设计结果是否满足功能独立性要求。 基于某公司生产的汽车停车挡换挡时有过人的冲击和噪声，研究并提出了基 于公理设计理论的机械产品创新没计框架模型，并应用于停车挡的再设计中。应 用丌发的公理设计软件系统，通过对停车挡设计任务和设计参数的逐层映射和分 解，得到了满足客户需求的新产品，解决了原有停车挡的换挡不平顺现象。 关键词：公理设计；独立公理；信息公理；设计参数；功能要求 a b s t r a c t t h ed e s i g nt h e o r yc a l lp r o v i d et h e o r e t i cb a s i sf o rt h ed e s i g na c t i v i t i e sa n dg u i d e s d e s i g n e r st od e s i g n a x i o m a t i cd e s i g n ( a d ) i so n eo f t h ed e s i g nt h e o r i e s ，a n di t sb a s i s i si n d e p e n d e n tf u n c t i o na n di n f o r m a t i o nf u n c t i o n t h i st h e o r yc a nl e a dd e s i g n e r st od o 啦出td e c i s i o n - m a k i n g a dt h e o r yc a l lr e d u c et h ed e v e l o p i n gt i m ea n di m p r o v et h e w o r ke f f i c i e n c ya n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c t ，s oi tc a nt o n eu pt h ec o m p e t i t i o n o f e n t e r p r i s ea n dp r o d u c ti nm a r k e t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea dt h e o r ya n db r i n g sf o r w a r dt h ef r a m em o d e lo f m e c h a n i c a li n n o v a t i o n , t h e ni n t e r p r e t se v e r ys t e po fi t d u r i n gt h ep r o c e s so f d e s i g n ， i ft h ed e s i g nd o e s n tf u l f i l lt h ei n d e p e n d e n c ef u n c t i o n ，c o n t r a d i c t i o n sa r ei d e n t i f i e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nf u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g n p a r a m e t e r s i ft h e r ea r em a n ys c h e m e s ，w h i c ha r ea l lm e e tt h ei n d e p e n d e n tt h e o r y , a b o u ts o m ep r o d u c t ，w es h o u l dc h o o s et h eo n ew h i c hh a st h el e a s ti n f o r m a t i o n t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ef o ra x i o m a t i cd e s i g n t h e h i e r a r c h y , i n t e r f a c e , o p e r a t i o na n d f l o wc h a r to f s o f t w a r ec a l lb eb u i l tb ya n a l y z i n gt h e s o f t w a r ew i t ha x i o m a t i e - o b j e c to r i e n t e dm e t h o d t h e nt h em o d e lo ft h es o f t w a r ei s t r a n s l a t e di n t ot h en o t i o no fo b j e c to r i e n t e da n dp r o g r a m m e dw i t hv c + + 6 0 t h i s s o f t w a r ec a na i dd e s i g n e r st om a k ec o r r e c td e c i s i o nb yb u i l d i n gt h ed e c i s i o n m a k i n g e n v i r o n m e n t a n di ta l s oc a nj u d g et h ei n d e p e n d e n c ya n dc o n s i s t e n c yo ft h e d e c o m p o s i t i o na u t o m a t i c a l l y a u t o m o b i l ep a r k i n gs t r u c t u r eo f s o m ec o m p a n y a l w a y sp r o d u c e sg r e a ti m p a c ta n d l a r g ey a w p t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dm e c h a n i c a li n n o v a t i o np r o d u c tf l a m em o d e l b a s e do na x i o m a t i cd e s i g n , a n du s e si ti np a r k i n gs t r u c t u r ed e s i g n b ym a p p i n ga n d d e c o m p o s i t i o nb e t w e e nd e s i g n t a s k sa n dp a r a m e t e r so f p a r k i n gs t r u c t u r e , an e w p r o d u c ts a t i s f i e dc u s t o m e r si so b t a i n e d ，w h i c hr e s o l v e st h ei n h e r e n to b j e c t i o n s k e y w o r d ：a x i o m a t i cd e s i g n ；i n d e p e n d e n tf u n c t i o n ；i n f o r m a t i o n f u n c t i o n ；d e s i g np a r a m e t e r ；f u n c t i o nr e q u i r e m e n t 2 符号说明 a d ：a x i o m a t i cd e s i g n c a ：c u s t o m e ra t t r i b u t e f r ：f u n c t i o nr e q u i r e m e n t d p ：d e s i g np a r a m e t e r p v ：p r o c e s sv a r i a b l e t r i z ：t h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g q f d ：q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t p d f ：p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n 公理设计 用户需求 功能要求 设计参数 过程变量 发明问题解决理论 质量功能配置 系统概率密度函数 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引 用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任阿 形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：昊炊前日期：a 呵年彳月，日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享 有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位 论文或与浚论文直接相关的学术论文或成果时。署名单位仍然为青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密哦 ( 请在以上方框内打“” 论文作者签名 导师签名： ( 本声明的版 ) 日期：a _ 司年占月，4 日 日期：z 脚湃多月，g 日 所有，束经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 引言 回顾人类发展的历史，可以看到，创新在人类进步过程中发挥着极其重要的作 用，在经济全球化的今天，创新同样有着不可替代的地位。随着国际竞争的同益加 剧，社会经济和技术的不断发展，创新的作用也是与同俱增。当今国际市场上竞争 的关键是看能否生产出适销对路的新产品，大量新产品的问世又会进一步刺激人们 的需求。企业要跟上消费者的步伐，满足人们不同层次的需求，必须进行产品创新。 同样，在机械领域，机城产品要想达到商水平、占领国内外市场，也必须不斯 地进行创新设计。所谓机械刨新发汁( m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g n ，m c d ) 就足指 充分发挥设计者的创造力，利刑人类已有的棚关科学技术成果，进行创造性构思， 殴计出具有新颖性、创造性及实用性的机均或机械。山于这种创造性的实践活动 通常是与智力活动和创造联系在一起的，而且由于它的复杂性，人们往往认为它稚 的是人的直觉、天赋和经验，其实不是这样的。在机饿创新设计学中，同样存在着 若干如力学中的牛顿定律一样的公理，它控制着设计活动的诸多方面而没有例外， 只有遵循这些公理和出之丽产生的定理和推论，在设计学中l 可以理性的思考并导 向正确的结果，爿可以不必通过失败后的反复修讵而在设计中留下不可挽回的后遗 症。许多学者早已探讨过这种创新设计理论，但很多仅仅停留在物理的技术层面上， 而n a mp o ys u h 的公理设计理论独立公理和信息公理【2 】，触及设计活动更深层 次的规律，可以来指导更大范田的创新设计。 机械创新设计活动包含两部分内容：一是改进完善生产或生活中现有机械产品 的技术性、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新机器、新产品，以满足 新的生产或生活的需要【1 1 。过去，设计者通常采用- 8 1 , 称为“试验改错”的方法， 即在他们以往经验的基础上通过试验不同的设想而得出明智的有创新的设计结果。 这种创新设计是一种基于经验和直觉的设计过程，它可以满足一些要求不太严格的 设计目标而不需要满足确定的功能需求，然后通过对样品大量试验纠错、修改和优 化来改善设计。出于在该设计过程中，设计人员没有一个可进行币确设计决策的标 准参考体系，因此其设计往往很差，大量的时问都浪费在修改有缺陷的设计上，这 种设计不满足强健性、低成本、功能可靠性或其初始要求的功能要求。而在n a mp o y s u b 公理设计理论指导下，对于第类机械创新，可以直接对原有产品进行功能结 构分解，分析原有设计中的不足，若与独立公理相违背，则是功能耦合设计，根据 具体情况增添或改变物理部件，改耦合设计为无耦合设计或解耦设计；若信息含量 高则不是可靠性设计，据此做出相应的改进，从而得到满足用户需求的产品。对于 第二种机械创新，就可以盔接根据n a mp o ys u b 的设计公理，从用户需求出发，建 立f r s ，d p s 和p v s 并通过逐层映射分解来构建一个完整的设计层次。 引言 总之，在n a mp o ys u h 的公理设计理论指导下，从一丌始就可以做出正确的设 计决策，避免大量的纠错，试验和修币设计过程的时1 日j ，从而可以大大缩减机械产 品的创新尘产周期，使企业在激烈的国际竞争中立于不败之地。 1 本课题研究的背景 产品设计是产品创新的核心，它对产品的先进性和竞争能力起着决定性作用。 产品设计过程是一个复杂的创造性过程，产品设计过程从根本上决定着产锗的内在 质量和生产总成本1 3 a 1 。随着虹界经济的飞速发展和市场的全球化，如何以最快的卜 市时间、最好的产品质量、最低的成奉、最好的服务设汁丌发出适t f f i x , l 路的产品以 赢得市场是当今企k 竞争的热点，新的有效的设计艘沦和方法的研究t j 实施也受剑 了学术界和企业界的关注。 1 9 9 8 年5 月，在德用学行了团际上第一次j 殳”用沦的研讨会，荚囤s u h n a mp o y 教授的公理化设计理 t 仑【5 1 、f l 本t o m i y a m s 等提u ；的一般设汁理论( g d t ) 【6 1 、德圆 g r a b o w s k i 等提出同样设计理沦( u d t ) 【7 】、t r i z 8 】以及悉尼大学的g e r o 教授对创 新设计的研究【9 i 等现代设计理沦在会上进行了广泛的交流。主流的观点认为设计是 从需求出发寻求产品设汁解的过程，设计理论足研究设计人员在设计过程中的思维 和行为规律，其目的是借助_ j 二设计理论来指导实际的产品设计，并为发展新一代计 算机辅助设计技术提供理论依据。 由于设计是人类大脑复杂的思维过程的结果，因此搞清产品的整个设汁过程， 并使之规律化、系统化、模型化，对于人们理解设计规律，掌握设计的主动权，减 少设计错误，快速获得既符合功能要求又成本低臁的创新产品具有重要的意义。公 理化设计理论为设计者在设计过程中建立设计恐恕提供了科学范式，从产品的仞! 1 月 溉念设计到最终的详细设计，从抽象到具体，设汁者都可以稂方便地对没计要求、 解决方案以及设计过程进行分析和决策。从产品的构思到生产规划，公理化设计按 不同的设计领域划分，将产品3 q ? , l f l ：j 设计阶段映射到各个不同的设计领域，便于设 计者理清思路，提高设计的效率。 2 产品创新设计的理论和方法学研究简述 产品设计的理论和方法学是在对产品设计实践和设计实验进行深入研究的基础 上，总结产品设计过程的本质，用科学、系统的方法表达和分析产品的设计过程。 一般而言，建立产品设计理论模型的主要策略是： ( 1 ) 把整个设计过程分成有意义的各个阶段； ( 2 ) 确定这些阶段中设计活动的顺序和交互作用方式； ( 3 ) 用一种优化的方法来管理这些活动，尽量在最少的时阳j 内花最小的代价， 设计出一个具有最好性能的产品； 青岛火学硕= ：学位论文 ( 4 ) 建立在生成设计方案、评价和选择设计方案时的评价决策模型。 产品设计方法学是用系统的观点，考虑自然科学、社会科学、经济科学等各种 现代因素，为获得质优价廉的创新产品，研究产品设计的进程、舰律、思维、方法 和工具的一门综合性学科【l 。设计方法学研究的范围包含了设计理论和设计方法。 设计理论是研究产品设计过程的系统行为和基本规律。主要的设计理论包括德国 p a h l 和b e i t z 的系统化设计方法l r 本a k a o 的q f d ( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ) 理论m l _ 乖g y o s h i k a w at o m i y a m a 的通用设计理论( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 、前苏联g s a 1 t s h u l e r 等提出的t r i z ( t h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ) t 1 3 , 1 4 1 f 里论以及美 囤n a mp o ys u h 提出的公理设计( a x i o m a t i cd e s i g n ) 理论【j s , j 6 。设汁方法是产品敬计 的具体手段，包括并行设计、优化设计、可靠性敬计、反求设计、智能设计以及面 向x 的设计d f x ( d e s i g nf o rx ) 【 】等。美固m i t 的t a t e 在对这些理论进行分析后i 兑：尽 管没计理论和方法的研究已有很长的历史，很多成果己在工业界应用，但每种理论 都有自己的优缺点，设计理论并不成熟，目前仍处于预理论阶段( ap r e t h e o r y s t a g e ) 【1 5 】与设计理论和方法学有关的设计研究一般可分为以下四类。 ( 1 ) 系统化设计； ( 2 ) 公理化设计； ( 3 ) 以决策为基础的设计； ( 4 ) 以知识为基础的设计。 系统化设计是从功能描述丌始，通过功能分解、功能元求解，到方案综合、方 案评价，再到洋细设计、制造及装配设计【l ”，这是一种以步骤为基础的设计方法， 其目的是为设计人员提供在设计过程中可遵循的指导原则。 公理设计是一种以独立公理和信息公理为基础的墁计，主要目的是建立一个科 学的设计平台，为设计者进行创新设计和改进原有设计提供理论依据，使设计者更 能发挥其创造力，同时能根据信息公理决定最好的设计，尽可能早的淘汰不好的设 计，使设计者的主要精力集中在较好的设计上。此外，它还提供了设计分解过程的 形式，使系统设计的流程更加清晰，从而克服了设计早期设计目标模糊的现象。 以决策为基础的设计( d e s i g nb a s e dd e c i s i o n ) 认为设计过程就是一个决策过 程。设计从客户需求开始，然后确定工程指标和设计方案，再评估方案从而选出最 优方案。设计的过程主要是选择决策或平衡决策。决策理论可以被工程师用于设计 决策之中，设计决策支持系统可以帮助工程师做出更好的决策。 以知识为基础的设计实际上是一种以经验和启发式研究为基础的设计活动。设 计知识可分为规程、步骤、模型和实例。在工程实际中，以知识为基础的系统设计 应用的早期阶段包括数字计算机配置设计和设计专家系统。在方案设计阶段，以规 程为基础的设计系统适合支持工程师提出方案设计和评估方案。随着设计的深入， 3 引言 将会得到更多的信息和更多的定量方法用于决策。 上述几种设计理论和方法中，大多都是以经验为基础的演绎、归纳的设计过程。 需要探求以科学原理为基础的设计理论，以系统地提高设计方法。公理化设计可以 为整个设计过程提供科学的理论根据，而且上述其它几种设汁理论又可以用公理设 计理论作为基础束进行设计，因此，本文主要研究公理化设计理论及其应用。 3 机械产品创新发展概况 工业发达的荚国、德国等非常重视机械刨新设计，他们已取得皑并f 勺成果，并 形成独特的设计体系和风格。例如；荚固j e h n s o nr c 教授坟早从敬计方法学的观 点总结机械创新设计的过程和方法，他认为婴顺利解决机械创新设计，就必须在结 构型式综合上投入创造性力量以及在材料和尺寸的优选上花很人的技术力量，强凋 二者的有机结合，并推荐了几种激发机械创新没汁的辅助方法连打机物分类法、 逻辑模块法、蕴含综合法、线图法以及智暴法、自行质疑法、形念构思矩阵法，比 拟法等。运用这些创造性方法，j e h n s o nr c 教授进行了大量的工业实例创所设计 并获得成功。除此以外，e r d m e na 等研究的丌窗调节机构的结构类型与选优，油盯l 拒i 汕机的结构类型选优；f r e d e n s t e i nf 等研究的变冲程内燃机驱动机f j 结构类型选 优、汽车刮阿器机构结沟类型选优等等也是在固际上很有影响的创新实例。德国学 者p a h l 和b e i t z 则以系统论为基础，建立了系统化设计方法】，该方法将设计看成 由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素j 1 j 存在着 有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成 的任务。俄罗斯机械创新理论的代表是前苏联海军部专家g e n r i c hs a l t s h u l l e r 创立 的t r i z 理论。早在1 9 4 6 年，g e n r i c hs a l t s h u l l e r 通过对数以万计的专利文献的研 究，提炼出一套解决复杂技术问题的系统方法t r i z 理论。应用t r i z 工具，如 技术矛盾解决矩阵、a r i z 算法等等，人们就能能动地进行产品的殴计丌发，预测未 来发展趋势，设计出具有刨造性的设计方案【2 0 】。几乎是在同一时i 、h j ，f l 本学者赤尾 洋二先生提出了基于客户需求的产品创新方法，质量功能展丌方法q f d ( q u a l i t y f u n c t i o nd e v e l o p m e n t ) 2 1 】。通过陔方法设计师可以把顾客对产品的需求进行多层次 的演绎分析，合理的转化为产品的设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求等。 该方法体现了以市场为导向，以顾客需求为产品丌发唯一依掘的指导思想。 我国丌展机械创新设计的研究大体分为二个方面：一方面是在实际应用上独创 设计了中国专利产品，像“梅花抓斗”、“三环减速器”、“轮胎成形鼓机构”等 等，并取得了较好的经济效益；另一方面，已有学者丌始对m c d 进行论述介绍，例 如肖云龙教授从长期的机械设计教学和科研工作体会出发，结合大量机械新产品的 设计，对创新设计的基本特征、设计原理与创新方法等作了较为系统而通俗的阐述。 4 青岛大学硕士学位论文 我国台湾学者颜洪森教授通过多年的大量具有工业背景的实际机械创新设计，总结 提出了机械刨新设计的一种具有较强操作性的程式，即基于机构分析理论将一个已 有机械中的机构( 多数是刚性杆系机构) 抽象转化为运动链，然后基于某些原则及约 束条件，演化出众多的再生运动链，从中选择一个不同于原运动链的，具有较好性 能的新运动链，从而诞生一种新机构，这一机械创新设计技术已被学者们接受和应 用。在很多学术期干i j 上也不难见到有关机械创瓶的实例，如阳大志在q z d 型排钉机 创新设计的研究中对排钉机的关键结构进行t t 2 , i 新 2 2 】；郭峰等对多功能钥匙复制机 央具的创新设计的研究；刘蛙刚对应答机的刨新设计研究1 2 4 l ，等等。出此可见， 我国在创新设计领域内已经取得了一定的成绩，对整个创新设计理论的发展也做出 了一定的贡献，而且也已经把m c d 歹1 入国家自然科学基会发展战略研究课题，但由 于该课题的复杂性，尚未形成具有中国特色的，又有较强可操作性的创新设计技术。 4 公理化设计研究现状 基于公理设计的机械创新是最近刚兴起的一个热门话题。公理设计理论是美国 麻省理工学院( m i t ) 院士n a mp o ys u h 于1 9 9 0 年在( ( t h ep r i n c i p l e so f d e s i g n ) ) 一书 中j 下式提出的。公理设计理论是设计领域内的科学准则，能指导设计者在设计过程 中做出正确的决策为创新设计或改善已有的设计提供良好的思维方法。当公理化 设计第一篇论著出版时，就在工程设计领域引起轩然大波，受到了广泛的关注，国 外相继出现了一些公理设计理论的研究团体，如m i t 的公理化设计小组、公理化设 计会议以及公理化设计网站等，公理化设计及其应用己成为当今工程创新设计领域 研究的热点。其研究成果有n a mp o ys u h 教授给出的公理设计的基本原理、设计框 架、设计的一般过程【2 5 1 ；d l i n d h o l m 等人将公理设计理论应用于创新设计过程的决 策问题，根据设计分解的过程进行推理，得到设计决策树1 2 6 】；v i g a i nh a r u t u n i a n 等 研究了基于公理设计理论的产品设计的决策系统及其丌发辅助公理设计软件的内容 和意义( 2 7 1 ；j a s o nd h i n t e r s t e i n e r 等研究了将公理设计用于控制系统中，建立了系统 结构模型和系统控制模型，并研究了公理设计软件的设计过程【2 8 2 9 1 ：n i c o t ac a p p e t t i 研究了机动车上电池支撑板模糊设计的公理决策方法，将公理设计方法用于方案设 计的选择上p 州；a l b a n o 和s u h 运用公理设计理论发展了机械并行设计理论；j u n g 和b i l l a t o s 应用公理设计理论进行了组装设计的研究，还有很多学者专著于基于公理 设计的强健设计( r o b u s td e s i g n ) 等等。 我国对于新兴起的公理设计理论也丌展了广泛的研究，例如：华东交通大学机 电工程学院的程贤福探讨了基于公理设计的机械产品设计过程中的评价方法口“，他 认为在设计过程中包含多准则的评价决策闯题，需要一种合理、有效的评价方法，公 理设计理论不但可为设计者提供一种设计指导框架，而且为他们提供了可以量化的 引言 设计评价准则。在设计过程中，首先运用独立性公理来评判设计方案是否合理即 设计是否为祸合设计，如果为耦合设计，就必须对设计进行改进，直到设计为准耦 合或无耦合设计，也就是蜕设计满足独立性公理，再运用信息公理对设计方案进行 量化评价，信息量最少的设计为最佳的设计。公理设计理论可以用来判断产品是否 满足人们需要，是否需要创新设计，上海交通大学机械工程学院吴建华、杜萨春等 人结合轿车门窗密封条端头冲切工位的丌发 3 2 1 ，用公理设计理论指导设计过程，给 出了斜冲工位功能要求( f r ) 与设计参数( d p ) 的映射和各自的分解过程，给出了基 于公理设计的斜冲_ - 1 2 位的概念设计草图，屉终得到了坫于公雕设计理沦的轿车门窗 密封条端头冲切工位的媸计，结果表叨早j i f j 改汁方案合理，改汁过程层次分明，功 能满足设计要求，安装调试维护方便，不必进行创新设i t ：i 鼻i 航空航天大学能源 与动力工程学院王平、高德平两人，捉出了将公理化设计运用于柴油机曲轴设汁的 方法1 3 3 ) ，从公矬设汁角度对曲轴进行了分机，建立了基于公删化的 l | f 轴设汁系统框 架并丌发了在u g i i 平台上进行公理化设计的软件系统；华中科技大学c a d 中心， 程贤福、肖人斌等人也对公理设计理论做了深入的研究“，还有河：f e 工业大学机械 学院的江屏等人在公理设计理论的指导下进行了闸阀结构的创新设计p5 】等等。 通过这些文献资料的查阅，知道我圈机械创新无沦是在理论方面还是在实践方 面都已经取得了很大的进步，但还没有形成具有中因特色的机械创新理论体系。基 于公理设计理论，在机械产品创新过程中可以克服设计的卣曰性，并可以节约大量 的设计时触，但目前在我国对公理没 f - 创新理论和实践的研究邪还不够深入。对其 进行深入研究和广泛应用对于建设创新型社会具有重要学术和应j 日价值。 5 本论文的研究内容和主要解决的问题 本课题主要研究如何利用公理设计理论进行帆械产品创新，其具体内容如下： ( 1 ) 深入研究公理设计理论，探讨机械创新产品的公理设计过程、设计公理概 念和应用形式。 ( 2 ) 分析公理设计各个域中的元素的确定方法，域中元素的分解和相邻域洲 “之”字映射变换的思维。 ( 3 ) 探讨如何从客户实际需求出发，经过概念的抽象和功能结构的逐层分解， 确定出设计参数和工艺设计变量，创造性地生产出满足人们需要的新产品。 ( 4 ) 探讨如何利用功能独立性公理和信息量最小公理判断设计方案的优劣，以 及将功能耦合设计转变为非耦合 暧计或准耦合设计的手段，改进完善生产或生活中 现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等。 ( 5 ) 利用公理设计方法，设计并丌发面向对象的公理化创新设计的软件系统， 建立公理设计框架，指导设计者进行诈确的设计决策，并自动判断设计结果的功能 6 青岛大学硕士学位论文 独立性和设计分解的一致性。 解决的主要问题： 公理设计理论侧重于理论框架的阐述，而对于具体的产品设计或系统设计则没 有具体的实现方法，而且基于公理设计的计算机辅助设计软件也没有完全实现。本 课题主要就是针对这种现状，对公理设计理论进行较深入的研究，丌发面向对象的 公理化设计软件系统，并将其应用于机械产品创新设计中。 7 第一章公理设计理论研究 在产品设计中，如何能使产品满足顾客的需求昵? 虽然质量功能配置( o u a l i t y f u n c t i o nd e p l o y m e n t ) 是强有力的方法，它是根据顾客的需求建立产品的特性要求 2 0 ，但每一个产品都需要实现一定的功能要求，产品的结构和参数能否真乎满足这 些功能，以及满足的程度如何，q f d 无法判定，包括稳健设计、t r i z ( 创新问题解决 理论) 也没有给出确切的原则年判断标准 3 6 1 。因此，从1 9 7 7 年起，n a mp o ys u h 教授 丌始对此问题寻求解决方案，他当时成立了一个；剐造研究和数育中心制造和生 产实验室，并且把建立设计和制造原则作为该实验室的丛夺仃务。通过多年的研究 和实践，总结和9 = i 纳出了设计的基本公理和原则，1 】二1 9 9 0 年i u 版了争蔷t h e p r i n c i p l e s o f d e s i g n ) ) 一书，自此一利，新的慨念性的设计方法发汁理论公理设计 理 八诞生了1 3 7 1 。 公理是从实践中总结出来的无需i i e 明而被大家公认的真j ，u ，是一种具有酱迹r j ： 的、显而易见的理论。公理没有反例，是不可推翻的，它在科学技术的各个领域挪 有非常重要的影响。欧几罩德公理至今仍是几何学的理沦基j l i f ；牛i 顷三大定律是经 典力学的公理；热力学定律也是公理。n a mp o ys u h 教授的公理设计理论以两条公理 独立公理和信息公理为基础，重点是设计决策，有利于提高设计的创造性，缩 短设计周期，判断设计的优劣好坏。当设计师试图创造出不违反原始设计意图的i t 细设计时，他可能发现现存技术无法使用，予是，发计! j f i j 要构思能达到原来没计目 的的新技术。他们通过建立功能需求f r s 和约束c s 来清楚地形成设计目标，根据公理 设计提供的判别准则，尽可能早的消灭坏的想法，使设计师们集中精力于好的设计。 公理设计中祸合分折和功能要求、设计参数之m 的映射关系变换是判断设计优劣的 关键d 8 1 。下面对公理设计进行详细的分 斤说叨。 1 1 公理设计理论的基本概念 1 1 1 域 域是不同设计活动的界限线。公理设计将设计过程分为四个域，即用户域、功能 域、物理域和过程域。用户域表达了用户要达到某个目标的一种愿望或者说是用户 所希望的某个产品、过程、系统或材料应有的属性( c u s t o m e r a t t r i b u t e s ，c a s ) ；功 能域是根据用户需求确定的产品的功能要求( f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，f r s ) 和约束 ( c o n s t r a i n s ，c s ) ；物理域是为满足功能要求而确定的设计参数( d e s i g np a r a m e t e r s ， d p s ) ；工艺域是根据物理域的设计参数而制定的工艺过程变量( p r o c e s sv a r i a b l e s ， p v s ) t 2 1 。其逻辑关系如下图所示： 青岛大学硕士学位论文 袈壁誓睦射螋篓i 图1 1 设计世界的四个域 相邻的两个域中，左边的域表示“要达到什么样的e l 标( w h a t ) ”，而右边的域则表示 “选择什么方法束实现左边域的要求( h o w ) ”。不同的设计领域，不同的设计任务都 可以由这四个域来描述。 1 、用户域 产品的设计和丌发以满足市场需求为目的。用户域是整个市场和客户的一个抽 象概括，保诋设计目标和方向的i f 确性。用户包括内部用户和外部用户。外部用户 是指消费者，产品不但要保证外部用户满意，而且让他们对产品的价值、用途和质 量产生正面的认识。对企业来说，在产品上市期内保持其价值及客户对产品的信任 度是衡量产品质量最重要的尺度；内部客户是指产品的制造、销售、售后服务等部 门，他们的要求直接涉及到产品的生产效率、生产质量和生产成本【3 9 1 。 用户需求是指市场和客户对产品的要求，它包括消费者对产品的性能、用途等 方面的要求；内部客户对产品的生产效率、成本以及质量等方面的要求；同时还包 括提高产品的竞争力、产品创新方面的要求。设计丌发人员分析用户需求，提出产 品的基本功能要求，用户域是产品设计的动力源泉。 2 、功能域 功能域是满足用户需求的一系列产品的功能的集合。功能是对技术系统或产品 能完成的任务的抽象描述，反映产品所具有的特定用途和各种特性。功能可以定义 为：某一系统所具有能量、物料、信息、运动或其它物理量转化的特性，是其输入 量和输出量之间的关系。公理设计定义的功能要求是对于具体要求的设计目标进行 完全特征描述需求的最小集合。功能要求是设计目标的描述，必须同时满足设计约 束的制约。设计约束是指设计者确定的设计方案中的限定条件，由用户需求以及产 品生产设计厂商的内部因素决定，在设计中某些设计约束在功能分解的过程中会转 化成低级别的功能要求。 从系统的观点出发，可将系统的功能分为总功能和分功能。每个系统都具有总 9 第一章公理设计理论研究 功能，对系统整体的功能要求就是该系统所具有的总功能。一个系统可以分解为一 些子系统，它的出发点就是功能和功能分解。由于要解决的问题的复杂程度不同， 一个系统所出现的功能复杂程度也不同，那么可以将复杂的功能分解为若干个复杂 程度比较低的、可以看清楚的分功能。分功能是总功能的组成部分。般不把功能 分得过细，而是分解到功能单元的水平上。这样可以看清楚功能单元，它是既有一 定的独立性，又有一定的复杂程度的技术单元。设计中对功能的要求是第一位的， 用户购买产品时要求的不是产品的本身，而是产品所具有的满足某种需要的功能。 因此，在设计的全过程中努力追求产品功能的最佳实现【枷。 3 、物理域 物理域是实现功能要求的物理结构的集合。它描述了产品的整个结构设计，从 抽象阶段到具体的物理结构设计阶段。设计参数是物理域中的关键物理变量，指能 够实现功能要求的产品的结构，它表征设计，并满足规定的f r s 。公理设计中，确定 设计参数和分解功能要求应同时进行，两者之间有一定的映射变换关系。设计参数 的选择受到设计约束的影响，只有充分考虑设计约束的影响，爿能确定比较合理的 设计参数，最大限度的满足用户需求。 4 、过程域 过程域描述整个产品的生产过程和方法。过程变量是过程域中的关键变量，指 实现设计参数的加工制造方法。在概念设计阶段，主要涉及到用户域、功能域和物 理域之间的映射变换，在详细设计阶段主要是物理域和过程域之问的映射变换。 在公理化设计中，设计具有广泛的概念，它除了一般的产品设计外，还包括软 件设计、系统设计、组织设计、材料设计、管理设计等。尽管各种设计的目的要求 不同，但所有的设计部具有相同的思考过程，其设计过程都可由这四个域来描述， 因此，公理设计框架是一个具有普遍意义的设计框架，它适合于所有的设计。 1 1 2 分解、迭代和映射 公理设计是从高层的抽象概念到低层详细细节的分解与展丌的过程1 2 1 。以功能 域和物理域的转换为例，如下图所示： 藤器一商而面7 而一一商 。= 、= 3 童! 一j 厂 图1 2 分解迭代示意图 高一级的功能要求f r 根据实际需要分解为功能要求f r l 和f r 2 ，f r i 和f r 2 要共 同满足上一层的f r ，又要对应上一层的d p ，然后进抵物理域，寻求分别满足f r l 和 l o 青岛入学硕士学位论文 f r 2 的d p i 和d p 2 ，这样形成了f r d p f r ( 低层的) - - d p ( 低层的) 的反复分解 迭代的过程。这个分解迭代的过程一直继续下去直至所有分支都达到最终状态，f r 得到满足而不再有进一步的分解为止。约束伴随分解的过程产生，是可接受解的边 界。在设计中有两种约束：输入约束和系统约束。输入约束是作为设计说明书的一 部分而施加的；系统约束则是由设计解决方案在其中运作的系统所施加的。 1 1 3 层次结构树 层次结构树是公理设汁中域和域之间的最终映射分解结果。公理设计的整个过 程是从功能域到物理域，再从物理域到过程域的映射过程。整个设计是一个从高级 别的抽象概括到低级别的详细描述过程。通过设计的分解过程，设计师将设计意图 转变为可实现的设计细节。如果把产品看成是一个系统，那么设计就是个把系统 分解为子系统，再把子系统分解为部件，再把部件分解为零件，最后分解为零件特 征确定设计参数和过程变量的过程。设计的最终结架得到不同层次的功能要求、设 计参数和过程变量组成的层次树，它非常清晰地拙述了各个设计域的工作目的。 层次结构树的最高级别是对产品设计的抽象概括，层次树的最低级别叶参数是 产品的最终设计结果。在设计树的项层，确定总体结构参数实现总体功能要求，这 是设计的关键所在，总体结构是产品的主体，它决定了产品的设计方向。低级别的 设计参数用束实现产品的子功能。叶设计参数是设计的详细结构，它描述了产品的 组成和结构。出此可见，产品的设计本质上就是设计参数出抽象到具体的过程。因 此，产品可以看成是由所有的设计参数组成的，而不仅仅是由结构树最底层的设计 参数组成，叶设计参数是对产品的完整描述【4 ”。 分解的最终结果层次结构树既要满足上一级设计要求，还必须得要保证设计分 解的一致性，如果设计分解低一级的设计决策和上一级的设计决策保持一致，就可 以减少设计的重复，提高工作效率，短时问内就能得到一个比较好的设计结果。 1 2 设计公理 公理是基本的事实，没有反证或者例外，一个公理是不能由其他的自然界定律 或原理推导出来的。独立公理和信息公理是用于产品创新的两条公理。 1 2 1 独立公理 独立公理即保持功能需求的独立性。在设计过程中，如果不保持功能独立，设 计过程中功能要求f r s 之一发生变化，那所有的设计参数d p s 都必须做相应的改变： 如果设计矩阵的所有元素不能精确表达，功能要求f r s 也就不能确定；在制造业中， 不可能一直做绝对相同的部件，如果不遵守独立公理，就要对系统或产品进行个别 的调试或标定；在产品使用过程中，譬如一台机器，当一个设计参数d p s 在生命周 第章公理发计理论研究 期中发生磨损，除非所有其他设计参数d p s 都做相应的改变，否则这个机器就必须 丢掉。因而我们必须遵守独立公理。 如何保持功能需求的独立性呢? 在从功能域向物理域映射的过程中，当有丽个 或多个功能要求f r s 时，设计结果必须是能够满足f r s 中的每一个而不影响到其他的 f r s 也就是浇必须选择一组币确的没计参数d p s 去满足功能要求f r s 和傈持功能需 求的独立性。同样在从物理域向过程域的映射过程中也必须选择限确的过程变量 p v s 去满足d p s 而保持d p s f h j 的独立。 怎样彳算是保持了功能需求的独立呢? 存域之川的映身于过氍可以4 ：数学上用定 义故计| 三i ，j i 和设计解的特征向量予以表示。从功能域到物理域之m 的映射可用下式 表示： f r = 【a d p i 一( 1 ) 【a 】= a l l a 1 2 a l ” a 2 la 2 2 a 2 a 。ta 。一2 a 。 i f r ) _ d p = 刭 其中k 】称为设计矩阵，它表征产品设计的设计方程，其中元素a 。可由下式确 定： 把式l 一( i ) 写成如下的微分形式时： 绷江【a d d p 1 一( 2 ) 妣a f r 。：o ，f r _ _ l 雠+ 盟妣亟d p 1 8 d r 、 0 d r e d p j 峨，= 器雠+ a d o f r b , , a d p p + 面o f r 吡 所以式中a 。为： a f r 以2 蒜 卜。 同样从物