第1章 绪论

1.1 机械产品创新设计的发展现状及趋势

1.1.1 机械产品创新设计的研究现状

1.机械产品创新设计的概念

机械产品创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（原理、方法、技术等），进行创新构思，应用新技术、新原理、新方法进行产品的分析和设计，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品的一种实践活动。机械产品创新设计的目标是由所要求机械的功能出发，改进、完善现有机械或创造发明新机械实现预期的功能，并使其具有良好的工作品质及经济性。

2.机械产品创新设计过程

对于机械产品设计过程的理解不同，从本质上说是因为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。国内外学者对机械产品设计过程有多种不同的论述，归纳起来主要有以下几种：Pahl和Beitz认为机械产品设计过程分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计4个阶段；Koller认为机械产品设计分为产品规划、功能设计、定性设计和定量设计4个阶段；邹慧君教授认为机械产品设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计4个阶段。

机械产品创新设计活动包括两部分内容：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。创造发明是人类由来已久的活动，而最早的方法是试错法，即不断选择各种解决方案来解决问题。选择各种可能的解决方案时一开始很长时间内都是单凭猜想的，但随着时间的推移，人们逐渐积累了大量发明创造经验和有关物质特性的知识。

在机械产品创新设计过程中存在物理冲突和技术冲突，从而使设计过程成为具有创新性特征的问题解决过程。而创新设计从最通俗的意义上讲就是创造性地发现问题并解决问题的过程，TRIZ的强大作用正在于它提供了系统的理论和方法。TRIZ在机械产品创新设计中的应用主要在机械产品的概念设计中，其对于冲突的解决是创新的关键。

3.概念设计

创新设计的核心是概念设计，而概念设计的核心是进行创新。

Pahl和Beitz于1984年在“Engineering Design”一书中提出了概念设计这一名词，并认为概念设计是在原理方面确定一个解。

通常将概念设计定义为：根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理求解，并且进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。

概念设计的重要性体现在两个方面：概念设计阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等；此外，据有关资料显示，虽然概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%，而且详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误。

概念设计具有创新性、多样性、层次性等方面的特点。在概念设计的过程中，要求设计人员掌握现代设计技术方法、先进制造技术、专业理论等方面的知识。机械产品的创新贯穿于产品设计的各个阶段，而概念设计又是产品设计过程中最活跃、最富有创造性的设计阶段，所以机械产品创新设计最主要的是在概念设计阶段进行创新。

4.机械产品概念设计研究的关键技术及研究现状

（1）概念设计本质过程的理论研究 Sturges等人以价值工程为基础，采用逻辑分解法对产品功能进行划分，通过定义功能之间的关系，使功能图的语义更加完善；Hanburg提出了设计人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技术；Bracewell提出了分层的信息结构，实现了计算机辅助的功能-载体映射；Umeda以人的认知模型为基础，采用FBS（功能-行为-状态）法将功能的分解转化为行为描述的分解；Gorti等提出了一种从符号描述到形状表达的映射方法，从功能关系导出设计目标之间的空间关系，求出这些空间关系的解并展示几何形状表达的进化；Wang对基于知识的面向概念设计的系统方法学进行了研究；Kotaetal提出的矩阵表示方法，是形成概念设计的一个可计算方法的基础；檀润华教授等将功率键图和键合图用于概念功能设计中；邹慧君教授等从机械的运动机构设计角度进行了计算机辅助概念设计的研究；冯培恩教授等提出了基于设计目录的原理方案选择智能法；张根宝教授等提出了系统化的计算机辅助设计（SCAD）方法；谢进教授等对概念设计阶段功能的“粒化”问题进行了相关的研究；黄克正教授等提出了功能表面的概念，并在此基础上进行了概念设计自动化理论的研究。

（2）功能的表达和功能的分解与组合及残缺几何信息的表达 Qian等通过对FBS的表达，由交互方式产生创新方案；Umeda将设计知识表达为功能-行为-状态的组合关系以产生创新方案；Chiou等提出了将机构归纳分类，构建机构矩阵，实现机构拓扑设计自动化的方法；Rinderle利用一种基于图的语言，来描述整个设计及组成部分的行为准则；Neville和Joskowicz提出了一种用于描述定轴机构行为的语言；Kusiak和Szczerbicki利用树模型来描述机械系统概念设计阶段的功能需求，并用映射矩阵来表示需求和功能之间的转换；Martin提出了基于对象的树，用以描述金属疲劳强度和裂纹；Yoshioka等用对象表示轮船设计中的实体和过程知识；Rao采用基于规则的示范技术解决球轴承设计中的更换问题；潘云鹤教授等研究了创新设计的思维方法和形状方案设计的思维模型及计算机表达技术；孙正兴教授等研究了特征设计方法在概念设计中的应用；周济教授等人的研究主要集中在以实例为基础上。

（3）设计过程中的方案求解技术 国外学者提出了发明创造的科学方法TRIZ；Lee、宋玉银教授等将实例推理技术运用到概念设计过程中；Umeda将定性推理方法应用到概念设计中；邓家褆教授等研究了Agent（代理）推理技术；冯培恩教授研究了复合功能原理方案设计特征模型及其求解过程；类比推理、规则推理也被应用到概念设计过程中。

（4）综合运用概念设计理论与方法，构建概念设计过程的工具 Zhang等开发了基于知识的概念设计原型系统EFDEX；Gero等基于FBS框架开发了DSSUA系统，该系统采用原型表达方式；Campbell等采用Agent推理技术开发了A-design System来支持机电产品的创新；宋玉银教授等开发了基于实例推理的概念设计原型系统；周济教授等开发了实例模型的设计支持系统工具Case DEST，并在相控雷达的方案设计支持系统中应用；孔凡国等开发了机械系统方案创新设计智能支持系统MCIDISS；邓家褆教授等发展了“三叶草（Clover）”设计自动化系统概念模型；黄克正教授等开发了基于功能表面分解重构方法的概念设计自动化系统DARFAD。

1.1.2 机械产品创新设计的理论与方法

1.国外创新设计理论与方法研究

美国的Jehnson R.C.较早从设计方法学的观点总结机械创新设计的过程方法，将创新技术引入机械设计过程，并进行了大量的工业实例的创新设计；Nigel提出了创新设计过程的描述模型；苏联的发明家G.S.Altshuller基于专利分析，提出了TRIZ方法；日本的Akao提出了QFD（质量功能配置），建立了用户要求与设计要求之间的关系；A.Osborn提出了头脑风暴法；P.J.Lovett提出了基于知识工程（KBE）的设计方法等。

在知识表达和建模方面，人们借助人工智能（AI）技术和数据库技术来推动概念设计的智能化。Adzhiev提出了面向代理的方法，有利于在并行设计环境下使各种设计变量保持高度一致性；Tabel.Bendiab应用基于实例推理和机器学习的技术学习设计实例并存储起来；Li利用定性启发式搜索方法，辅助机构的概念设计。

在基于计算机的设计环境方面，Twente建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境，支持多模型状态；Tomiyama利用大型数据库建立了一个概念设计开发环境；Sharpe主持开发的环境着重于集成，同时利用了超媒体和超文本技术。

2.中国创新设计理论与方法研究

颜洪森教授提出了一种具有较强操作性的机械（机构）创新设计的程序；李学荣教授提出了机构创意设计；肖云龙教授对创新设计的基本特征、设计原理与创新方法学等做了系统的阐述；洪允楣教授提出了“机构组合变异法”；华大年教授等提出了“同性异性机构演化法”；潘云鹤教授等提出了基于空间探索的创造性设计方法；冯培恩教授等采用设计目录法对复杂技术产品进行了智能优化；孙守迁教授等提出了基于组合原理的概念创新设计方法；邹慧君教授等提出了机械产品方案创新设计的CAD（计算机辅助设计）方法和实现模型；王玉新教授等开发了智能化的计算机辅助机构创新设计软件系统；檀润华教授提出了技术进化驱动的产品概念设计宏观过程模型，该模型既适用于新一代产品的概念创新，也适用于产品的改进设计；孔凡国教授将方案创新设计过程划分为两个主要阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系统（MCiDiss）；黄克正教授等基于功能表面的概念，开展了结构创新设计自动化的研究；谢友柏院士强调了知识的获取及管理对于创新设计的意义；周济教授等的研究主要集中在基于实例的基础上，将研究成果应用于工程中的再设计问题及实例检索与重用上，其侧重点在结构设计上，开发了机翼结构方案智能设计系统；王靖滨等提出了基于FBS的产品创新设计模型；贾建援教授等针对机电产品创新设计进行了研究；徐志刚教授等构建了基于广义映射原理支持产品创新设计自动化的软件原型系统；邓家褆教授发展了一个名为“三叶草（Clover）”的设计自动化系统概念模型，目标是建立支持产品创新设计的新一代设计自动化技术系统等。

3.基于TRIZ的计算机辅助创新设计

计算机辅助创新（Computer Aided Innovation，CAI）是以近年来在欧美国家迅速发展的发明问题解决理论（TRIZ）研究为基础，结合本体论（Ontology）、现代设计方法学、计算机软件技术等多领域科学知识，综合而成的创新技术。CAI可辅助设计者有效地利用多学科领域的知识和前人已有的研究成果，结构化地分析问题，并充分调动已有知识，创造性的帮助设计者提出和解决发明问题，可以在产品的概念设计、技术设计及工艺设计阶段帮助设计者解决发明问题。CAI与CAD、CAM（计算机辅助制造）、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）一起构成新产品开发必不可少的软件工具。

在欧美，以TRIZ为核心原理开发的计算机辅助创新软件已经成为主流，如Invention Machine公司的Goldfire、Ideation International公司的Innovation WorkBench（IWB）、德国TriSolver公司的TriSolver、比利时CREAX公司的CREAX Innovation Suite等。

在国内，河北工业大学谭润华教授团队研发的Invention Tool 3.0是国内一款基于TRIZ的软件，该软件将TRIZ中的技术进化理论、冲突解决理论、效应与质量功能布置（Quality function deployment，QFD）、公理设计（Axiomatic Design）集成，能够实现对产品当前的结构状态的分析，预测未来发展的可能状态，为新产品开发提供原始设想；上海交通大学的邹慧君教授等人自1989年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究，结合机械产品概念设计开展了较为系统的研究，他们以机械运动系统作为概念设计的对象，用组合分类法对机构分类，建立相应的存储和编码规则，以二元逻辑推理与模糊综合评价相结合的方法建立推理机制，得出可行方案解，开发了“机构系统方案设计专家系统”；天津大学的王玉新教授在2001年提出了三维平台的复杂机械系统创新设计自动化理论体系，并构建了相应的自动化平台，实现了复杂机械系统自创新性方案的创成到运动分析、结构设计、布局设计，以及三维虚拟仿真等的设计过程；孔凡国教授将方案创新设计过程划分为两个主要阶段：基于实例功能推理的原始机械方案生成阶段和基于结构推理的方案创新设计阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系统（MCIDISS）。在这个基础上，他们还提出了功能-行为-结构的概念设计模型和基于样体知识表达和推理相结合的方法，使领域知识和基础知识相互融合，以便产生多层次的创新解。本书作者在《基于TRIZ的印刷机械创新设计理论和方法》一书中首次提出了基于TRIZ的CAI技术与CAD相结合的机械创新设计思想，并开发了以TRIZ理论为基础的印刷机械创新设计平台，填补了国内基于TRIZ的CAI技术与CAD相结合的研究的空白。

从国内外相关软件来看，均是以创新理论为基础，结合现代设计方法、计算机技术及本领域的知识，辅助设计人员在产品的概念设计阶段进行创新，高质量、高效率地提出可行的创新设计方案。这些软件的共同特点都是以丰富的创新知识库为支撑，利用计算机存储信息量大、计算速度快、稳定可靠的优点，消除创新设计过程中人为的偶然性和片面性，因此用它们来解决产品的技术问题和进行创新比传统的方法更为有效。

1.1.3 机械产品创新设计存在的问题及研究趋势

通过上述文献的研究可以看出，建立设计目录、实例或原型知识库，然后通过某些思维方法得到产品的概念解，是目前机械产品概念设计研究和应用的常用技术路线。经过数十年研究，人们取得了一些机械产品创新设计成果，但仍然存在一些问题没有解决，应将其作为重点研究方向和关注对象。

（1）创新设计本质过程的研究 人们从思维方式或者设计方法等多个角度对创新进行探索之后，仍没有一个被所有人接受的较深层次的关于创新设计本质的认识，因而无法形成完整的理论来指导创新实践。

（2）创新设计中知识的表达与应用 创新设计是多学科、多种技术的综合，怎样将创新设计过程的知识进行组织管理，满足设计主体对知识的需求，解决从需求到功能再到结构的映射机制是今后的研究重点。

如何使概念设计充分地表现出创新性并且更加符合设计者的设计习惯，如何为创新设计过程建立科学的产品模型，并结合CAI快速地表达创新方案，实现概念设计与详细设计阶段的集成，提高设计效率，实现创新设计自动化，仍是目前机械产品概念设计研究的难点和方向，尚有待于国内外学者研究。