2.1 概述

在20世纪80年代以前，设计研究主要集中在细节设计、优化、可靠性、计算机辅助设计绘图等领域，而现代设计理论与方法的中心已经转移，主要是从战略上研究设计进程的实施和各个阶段战术的运用，是从设计顶层开始研究设计规律和设计思维方法，以思维科学、设计理论和系统工程学为基础，以方法论为手段，以计算机为工具的一个集成系统，其目的是运用科学的思维来防止或最大可能地减少设计中的失误，利用大量高质量的专家知识和一种具有表达充分、便于推理和维护、易于理解的知识，来设计具有一个性能优良的结构模块。就目前而言，包装机械的概念设计主要侧重于机械产品概念设计方法学、设计模型与推理问题。

2.1.1 概念设计的内涵

自从Pahl&Beitz于1984年在其《Engineering Design》一书中提出概念设计这一名词以来，人们已经对概念设计进行了多年的研究。将概念设计定义为：“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作概念设计。”

Frence在其书中也为概念设计下了一个定义：“概念设计首先是要弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解……它需要工程科学、专业知识、产品加工方法和商业运作知识等各方面知识相互融合在一起，以做出一个产品全生命周期内最为重要的决策。在这里“框架式的解”是指设计问题的一个轮廓，每个主要的功能都可以对应于其上，通过原理部件间的空间或结构上的关系，使它们有机地结合起来。从这个框架中得到产品大致的成本、重量或总体尺寸，以及在目前的环境下的可行性等……”

由此看来，包装机械的概念设计不能简单地等同于过去理解的方案设计，概念设计的内涵是十分广泛和深刻的，因此，要想全面了解包装机械的概念设计，首先必须了解概念设计的本质。

2.1.2 概念设计的本质

概念设计的本质主要有创新性、系统性、多样性、层次性、智能性和人本性6方面。

2.1.2.1 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、富有竞争力的包装机械产品。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。

在概念设计阶段，产品各要素处于一种抽象、模糊的离散状态，这种状态既导致了设计的复杂性，同时也导致了产品的可塑性，给设计师提供了一个广阔的设计思维空间，而到设计后期或制造阶段，则要考虑到各种客观情形如产品的材料、工艺、成本等，从而大大约束了创意思维的发挥，使得产品的创新难以得到体现，因而概念设计阶段是产品创新最为集中的一个阶段。概念设计中的产品创新归结为功能修改与增加、原理置换、布局、形状以及结构修改与更换5个方面，其中功能创新是整个设计过程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以实现该产品功能的各种可能方案并进行优选，其关键是如何进行产品的功能分解，并将一定功能的零部件组合来创建新产品。

（1）功能创新。

功能创新主要依赖于市场需求的分析结果。在传统的设计过程中，主要靠人工来完成，随着信息技术的进一步发展，特别是数据库、信息管理、人工智能等技术的深入应用，最终必将使计算机在辅助产品功能创新中发挥其巨大的作用。

（2）原理创新。

一般是从产品的功能要求出发，通过技术分析，寻求产品创新的过程。这种方法主要是把复杂的设计要求通过功能关系的分析抽象为简单的模式，以便寻求能满足设计对象主要功能关系的原理方案。传统上，常用简图或示意图来表示所构思的内容。而计算机辅助的原理创新工具则有形态学、协同学的求解工具以及基于原型、事例等的联想类比求解工具等。这些工具的实现很大程度上依赖于网络化设计、协同化设计以及智能设计等领域的进展程度。

（3）布局创新。

布局创新主要是指首先对整个产品按功能进行分解或组合，划分成若干个组件单元，然后通过产品布局的空间排列、配置方式和尺度变化三要素的改变来实现产品创新的过程。由于布局三要素可用数学表达式进行形式化描述，因而完全可以通过在数学模型的支持下实现计算机辅助的产品布局创新。

（4）形状创新。

形状创新主要是指对经过原理方案实体化后的初始产品形状，在遵循基本的形状法则的基础上，通过对形状变换操作来实现产品创新的过程。其中变换操作包括了变异、置换、替代、组合等。形状创新的操作机制与传统特征模型中的特征操作以及变量模型中的变量操作存在着一定的相似性。

（5）结构创新。

由于在详细设计的结构设计中，受到各种约束，因此产品结构上的创新已难以体现。本处的结构创新主要是指概念设计后期对方案进行初步结构化时的产品创新过程。这一过程是从产品结构的角度出发，对构成产品的各个部件进行初步结构化，以达到与后续设计的衔接，力求在结构上的创新。

2.1.2.2 系统性

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，各个要素间存在着有机的联系，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。

2.1.2.3 多样性

概念设计的多样性主要体现在其设计路径和设计结果的多样化上。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。

2.1.2.4 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，而结构修改、结构变异则作用于结构层，只有通过映射关系才能将两层有机地连接起来。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。

2.1.2.5 智能性

概念设计的最高境界是实现概念设计过程的智能性，它是概念设计发展的必然趋势。智能概念设计的目的是利用计算机全部或部分地替代设计人员从事设计的分析和综合过程，在计算机上再现设计者的创造性设计过程。

2.1.2.6 人本性

“以人为本，为人所用”的理念作为本世纪包装机械设计与选用人本论的核心。“以人为本，为人所用”的“人”分为两个概念：设计师和使用者。

所以，包装机械在产品概念设计阶段需充分体现其概念设计的本质，这样提出的设计方案才有适时性与先进性。为更好地表达概念设计过程，下面对包装机械概念设计的前后环节进行表述。