基于公理的機械產品設計

王戰軍

（黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319）

1 引言

產品設計是一個系統設計問題，產品開發成本與產品在其生命周期內所創造的全部收入與產品設計高度相關，產品設計開發還必須遵循邏輯化的原理，在公理設計理論指導下進行產品設計，可以提高設計效率，縮短生產周期，提高產品的競爭力。

產品設計、工藝設計過程也就是分解、迭代和映射的過程，最終得到功能要求和設計參數層次結構樹。在每一步分解和映射的過程中，都要檢驗是否滿足獨立公理，如果不能得到滿足獨立公理的設計方案，就要返回到公理設計理論上一級尋找問題的所在，如果能得到多個滿足獨立公理的設計方案，就要利用信息公理尋找最優的設計。

2 需求創新設計

任何設計都是為了滿足某種需求。需求既是設計的目的，也是設計的開端，它是連接市場、用戶和產品開發過程的橋梁。從產品創新設計特征出發，需求的確定就從社會和技術發展的實在情景出發，尋求要解決的問題。一旦明確了要解決的問題，設計者就可以依據公理設計理論把客戶和社會需求轉換為功能要求，功能要求明確后，設計者再基于基本原則(設計公理)來開發產品基本的概念，確信選擇的設計參數滿足功能要求和獨立公理。在此過程中，設計者必須寫出設計方程，以此來檢查是否滿足獨立公理，確定最后解決方案，減少產品的信息量。

基于技術方面提出產品的需求也就是根據產品的技術要求方面來確定要解決的問題。需求識別其結果最終被抽象歸納為設計要求，設計要求不僅確定設計目標，而且在整個設計過程中都具有指導作用。任何設計的進行都在于需求的激勵，需求識別是設計的最初活動，它決定了產品的最大創造性，需求識別的過程是對需求源信息進行分析與綜合，其最終結果是產生產品設計要求。我們可以把需求識別過程分為兩個邏輯階段:首先對需求信息進行分析與綜合，產生產品概念;然后將產品概念抽象歸納為設計要求，使得設計以此為基礎進行。前一階段涉及諸如用戶、市場、技術等多方面因素，其內容和相互間關系也因具體產品差異很大，而且人的直覺和經驗在這一過程中起著很重要的作用，它對產品創造性極其關鍵。

3 功能創新設計

功能是系統必須實現的任務，用來描述系統的輸入與輸出之間的關系。功能設計既是設計一問題的認識方法，又是設計問題的求解手段。在產品系統方案創新設計中，只有在認清問題本質的基礎上才能得到根本性的創造，所以，創新的核心是功能認識。在產品系統方案創新設計過程中，當設計要求確定之后，第一個創新環節為功能創新設計一。功能創新集中在兩個方而:功能分析和功能描述。

3.1 功能分析

功能分析就是按照一定的邏輯體系把對象系統各組成部分的功能相互聯系起來，從局部功能與整體功能的相互關系上研究對象系統功能的一種方法。功能按照不同的分類方法可以分為以下三種:

①按功能的重要程度可分為必要功能和非必要功能。必要功能又包括用戶要求的基本功能與實現基本功能的附加功能。基本功能在設計中是不能改變的，附加功能是設計者為滿足用戶對基本功能的要求而在設計中附加的功能，附加的功能可隨技術條件結構方式的改變而取舍或改變。非必要功能是指不是根據用戶的要求而是設計者主觀加上去的功能。系統具有的功能一般總是以成本作為代價的，多余的功能會使用戶付出更多的代價，因而在功能分析過程中，需要分析決定一個系統應具有哪些必要的功能，而去掉那些非必要的功能。

②按功能的性質可分為使用功能和美學功能兩類。使用功能指系統的經濟性、運用性、可靠性、安全性和維護性等;而美學功能主要指造型、色彩等。在當今社會隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，在滿足使用功能的基礎上人們越來越重視美學功能。汽車市場就是一個實例，外形美觀的汽車更受人們的青睞。

③按功能的用途可分為驅動功能、傳動功能、執行功能和控制功能，一般的機械產品都具備這四個功能。功能分析可以通過功能分解的方法來實現，從而對所設計的產品有一個清晰的認識。功能分解總是在一個特定語境中進行的，作為需求識別結果的產品總功能要求為功能分解提供了一個前提，它確定了最終的產品功能目標及相關物質對象狀態，功能分解則是基于對產品總功能要求的細化，用子功能的組合達到這一要求。

3.2 功能描述

由前面對功能的定義可以看出，如何描述功能將直接決定系統原理的設計及方案的確定，而且，功能描述的是否準確、簡潔也將影響到設計者的思維廣度和創新的程度。功能形式的描述一般采用"動詞十名詞"的形式。動詞表達功能語義，名詞表達功能對象，功能語義涉及兩個及兩個以上的功能對象時，用介詞表示。其BNF格式為:·FunetionRelation是功能間關系，

該功能與上層功能的關系稱為抽象關系(AbstraetRelation)，與下層功能的關系稱為分解關系(neeomposedRelation)。在功能模型中，功能由語言、邏輯和對象表示。語言描述是動詞一名詞對，邏輯描述是語一言描述的謂詞形式，而對象描述是山功能語義和功能對象前后狀態組成，功能的計算機語言形式化定義為:

結束語。公理設計是機械設計理論中的一種，它以獨立公理和信息公理兩條理論為基礎，指導設計者在設計的初期做出正確的設計決策，從而提高工作效率，縮短開發時間，增強產品和企業在市場中的競爭力。

[1]趙宏.機械產品概念設計過程建模與方案求解問題研究.【博士】大連理工大學，2008-06-20.