融合功能-行為-結構理論與概念-知識理論的電動工具產品可變功能再設計方法*

□ 張興法 □ 鄧益民 □ 卓凱峰

1.寧波大學機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室 浙江寧波 315211

1 研究背景

電動工具產品指由電磁旋轉式或往復式小容量電機通過傳動機構帶動作業裝置進行工作的手提式或移動式生產工具［1］。近年來，電動工具產品憑借自身體積小、操作簡單等優勢，得到了人們的廣泛青睞。隨著人們使用需求的不斷提升，傳統功能固定的電動工具產品由于兩方面問題，已難以滿足人們不斷變化的需求。第一，固定功能的產品具有功能局限性，可能無法適應特定場合的要求。第二，若使用人員考慮到具體應用的需求而準備多套工具，則會造成攜帶不便的問題。因此，人們渴望一類可以提供多種功能，且這些功能只需要通過變更產品的部分構件就能獲得的特殊產品，此類產品被稱為可變功能產品［2］。相對于傳統機械產品，可變功能產品可以在共用部分構件的基礎上，通過更換一部分構件來實現多種不同功能。這類產品不僅能實現多種功能，節約資源，而且還具有方便進行再設計的優勢［4］。

可變功能產品的設計開發一般可以采用兩類方法：第一類是直接把多種不同功能的產品結構以適當的方式組合到一個結構體上；第二類是基于某一現有產品設計開發新的結構體，再將新結構體和原來的結構體合理組合。在產品設計過程中，概念設計是最重要的過程，這一過程最能激發設計者的創造性思維［5］。在機械產品概念設計研究中，Qian Lena等［6］提出的功能-行為-結構（FBS）理論是較為完善的設計理論體系之一，它將行為作為功能和結構之間的聯系橋梁，通過功能、行為、結構之間的映射，最終獲得對應于所需功能的結構方案。概念-知識（C-K）理論由Hatchuel等［7］在2003年首次提出，將設計設想為具有不同邏輯、不同結構的兩個空間，即概念空間和知識空間。兩者相互作用，具有較強的創新能力。筆者嘗試融合FBS理論和C-K理論，開展電動工具產品的可變功能再設計研究，并以第二類設計開發方法為研究對象，為電動工具產品的創新設計提供新思路。

2 C-K理論

概念空間和知識空間是C-K理論的核心部分。CK理論認為，概念可能隱含未經驗證或證實的潛在知識，知識是經過實踐或理論證實的論斷或客觀事實。例如，機械能守恒定律在沒被證實之前只是作為一個概念存在，而在大量研究證實之后，它就成為了一個已知的成熟知識，就可以作為概念劃分的依據。C-K理論的基本流程如圖1所示。

▲圖1 C-K理論基本流程

C-K理論包括四個基本操作。

（1）C→K操作。該操作用于尋找知識空間中可用以劃分概念空間中不同概念的知識屬性，這個步驟有助于知識空間中新知識的產生。一個概念C1被新屬性改變之后，必須檢查所獲得的新概念是否仍然屬于概念范疇。若不是，則需要繼續檢查其是否已經成為了一個新知識。因此，通過判斷概念是否可以形成新的知識，即可以判定C→K操作是否可以形成新的知識。若答案是肯定的，那么該操作就實現了由概念空間到知識空間的擴展。如圖1所示，根據知識K1的屬性A1，j把概念 C1劃分為概念 C1，1、C1，2、C1，3三個不同的新概念，在概念C1，3的研究分析過程中又可以實現對知識K2的擴展，這一過程就實現了概念空間到知識空間的擴展。

（2）K→C操作。該操作是上述操作的逆過程。通過尋找知識空間中可以劃分概念并獲得新概念的新知識，從而實現由知識空間到概念空間的擴展。如圖1所示， 通過已知知識 Ki的屬性 Ai，j把概念 C1，3劃分為兩個不同的新概念，此過程就實現了知識空間到概念空間的擴展。

（3）C→C操作。該操作是概念空間內部的操作，即概念空間內部的擴展。通過該操作，可以在上述K→C操作的基礎上，基于所獲得的新概念進一步產生額外的新概念。也就是說，這是一個尋找概念空間中可以產生新概念的過程。

（4）K→K操作。這是一個傳統的由已知知識推導出新知識的過程，如分類、減除、誘導、推理等，屬于知識空間內部的擴展。

通過將C-K理論應用到設計過程，可以基于K→C操作和C→C操作獲得新概念，從而為設計問題的解決提供新思路。另一方面，C→K操作和K→K操作可以豐富設計知識，為設計創新提供知識保證。C-K理論所闡述的概念與知識的相互映射及其產生與發展流程有助于概念設計中的設計創新。基于C-K理論，設計人員不僅可以在已知的需求功能推動下獲得新概念或新知識，而且可以在設計中由新概念或新知識的引導獲得之前未知的、有實用價值的新功能，從而產生不同于常規設計的創新產品［8］。

3 產品特性分析

為了研究電動工具產品的功能、行為、結構特性，選擇市場上使用較普遍的電鉆、電動拋光機開展研究。此類產品實現其功能的本質方法是將輸入的電能轉化成另一種能量，再通過所轉化的能量驅動不同執行機構或者通過不同執行行為來實現不同功能。因此，能量流構成系統實現所需功能的主要行為流。相同能量流、相同執行行為，若執行機構不同，則可以實現不同功能。相同能量流、不同執行行為，也可以實現不同功能。

以相同能量流和相同執行行為實現不同功能的情況經常出現在不同作用對象的電動工具中，為了更好描述此類產品不同功能的實現情況，以圖2所示多功能拋光機為例進行闡述。

當多功能拋光機與切割機構或拋光機構連接時，可以實現切割或拋光的功能。對多功能拋光機切割或拋光功能實現過程中的能量流進行分析，如圖3所示，可知多功能拋光機實現兩種功能所需能量流相同，執行行為都是轉動，連接兩個不同執行機構實現兩種不同功能，因此，多功能拋光機由相同能量流、相同執行行為連接不同執行機構實現多種功能。此類工具可以幫助使用人員對物料實現不同功能的操作。

相同能量流、不同執行行為實現不同功能的電動工具，通過不同執行行為實現多種不同功能。由于需要有多個不同的執行行為，它們的結構體及行為流相對更加復雜。以圖4所示某輕型多功能電鉆為例進行分析，這一多功能電鉆通過不同執行行為可以實現鉆孔、沖擊或沖擊并鉆孔功能。

▲圖2 多功能拋光機

▲圖3 切割或拋光功能實現對應能量流

經分析可見，輕型多功能電鉆通過與不同執行機構連接，由不同執行行為實現沖擊、鉆孔或沖擊并鉆孔功能，各功能實現過程所對應的能量流如圖5所示。

▲圖4 輕型多功能電鉆

具體而言，輕型多功能電鉆先由電機將電能轉換為機械能，再以轉動行為傳遞給普通鉆頭來完成鉆孔功能。將轉動行為傳遞給活塞，推動活塞在氣缸內往復壓縮空氣，使氣缸內空氣壓力周期性增減，從而推動氣缸內裝置帶動鎬釬不斷沖擊作用對象，完成沖擊功能。沖擊并鉆孔功能既要將電機電能轉換的轉動行為傳遞給電錘鉆，又要將轉動行為傳遞給活塞，活塞內產生的沖擊力傳遞給電錘鉆，使電錘鉆在轉動同時產生向前的沖擊力，完成沖擊與鉆孔［9］。這三個功能對應能量流相同，但實現功能的執行行為并不相同，因此屬于相同能量流不同執行行為實現不同功能。此類產品既可以克服單個行為難以實現多種功能的不足，又可以實現新的不同功能，從而更好為使用者所用。

通過以上分析可見，多功能電動工具產品在實現不同功能時通常需要相同能量流，即將輸入電能轉換為機械能，再以不同形式的機械能實現不同功能。其中，通過相同執行行為不同執行機構實現多種功能的方法相比于通過不同執行行為實現多種功能的情況，系統結構相似程度更高，再設計成一個產品的難易程度較低，可行性也更高。為此，筆者選擇以相同行為不同執行機構的方法實現不同功能，并將以該方法所實現的各種不同功能稱為功能族。通過再設計，將原本只能實現固定功能的電動工具產品設計成能夠實現一族不同功能的可變功能產品，或者通過再設計對現有的可變功能電動工具進行功能升級，獲得更多的可變功能。

4 可變功能再設計

4.1 再設計流程

基于上述電動工具能量流特性及相同執行行為不同執行機構的功能族思想，可以對電動工具產品進行實現可變功能的再設計。固定功能電動工具可變功能再設計流程如圖6所示。

按圖6所示流程，設計人員首先對電動工具產品進行能量流分析，確定實現功能的執行行為，再依據能量流及執行行為找到產品原始功能所對應的功能族。這一過程需要設計者的領域知識或輔助設計系統的設計知識數據庫支持。對顧客進行功能需求分析之后，在對應功能族中選定增加到再設計電動工具上的功能，通過融合FBS理論和C-K理論的再設計方法進行再設計。如果不能進行合理再設計，則需要去除不可實現的功能之后進行再設計。如果可以進行合理再設計，則新增功能和原始功能所對應結構的合理組合就構成了可變功能電動工具產品。此外，在融合FBS理論和CK理論的再設計過程中，所產生的新功能還可以添加到相應的功能族數據庫中。

▲圖5 輕型多功能電鉆功能實現對應能量流

▲圖6 固定功能電動工具可變功能再設計流程

4.2 再設計功能選擇原則

考慮到設計開發可變功能電動工具產品的整體性能，以及最主要的目的是為用戶提供更大方便，提出以下再設計功能選擇原則。

（1）功能使用頻繁且均衡。可變功能電動工具產品作為一個系統存在，只有各種功能都可充分發揮作用且無閑置，也就是成為均衡型產品［10］，整體性能才可以達到最佳，因此提出用功能使用度檢驗功能使用頻繁及均衡性的方法。功能使用度WFp為：

（2）各功能之間的關聯度大。可變功能電動工具各種功能的使用環境盡量相同或者相近，此時，共用部分構件就可以在不變換位置或所處環境的情況下完成各種功能，避免不斷搬運。使用功能關聯度進行量化，定義功能關聯度為：

式中：dp，q為某時間段內功能Fp和功能Fq之間的關聯度；np為某時間段內功能Fp的使用次數；np,q為某段時間段內功能Fq在功能Fp使用前或后一定時間內的使用次數。

4.3 FBS理論與C-K理論融合

電動工具可變功能再設計目標是得到可以實現多種功能的結構體，為此可以運用FBS理論，將所需功能映射至相應結構。但實際設計中，經常出現基于現有設計知識無法知曉或確定產品結構的情形，或者說，設計人員并不知道一種所需功能究竟應該映射至何種結構。為解決這一問題，引入具有較強創新能力的C-K理論，通過融合FBS理論和C-K理論對電動工具產品進行可變功能再設計。圖7所示為一個融合FBS理論和C-K理論的可變功能再設計流程。

圖7中F1為固定功能電動工具的原始功能，F2和F3與F1為同一功能族中的功能，此三種功能同時進行FBS映射。在FBS理論中建立的功能、行為、結構之間的映射模型稱為FBS模型。功能F1、F2和F3作為概念空間中的概念，根據FBS模型相關知識屬性，在概念空間中分別映射出可以實現功能F1、F2和F3的所有行為，其中 B1，1、B1，2和 B1，3之間是“或”關系，即其中任一行為都可以實現功能F1。根據行為間配合知識及相關設計知識篩選出功能F1、F2和F3分別映射的行為B1，2、B2，1和 B3，3，其中，在映射可以實現行為 B3，3的結構時，由于結構S3，3，3是概念空間內部擴展產生的新概念，且其可以由已知知識判定為真，因此這一結構可以判定為真的相關信息就可以成為知識空間中的新增知識。再依據相似結構及電動工具相關知識，篩選出可以較好再設計的結構 S1，2，1、S2，1，1和 S3，3，2， 最后將 S1，2，1、S2，1，1和S3，3，2再設計成一個電動工具產品。這三個結構之間是“與”關系，即這三個結構共同構成一個可變功能電動工具。

5 輔助設計軟件

為方便設計人員進行電動工具產品可變功能再設計，基于上述方法開發了一個輔助設計軟件。該軟件采用VisualBasic.Net語言進行開發，系統數據庫管理采用 Microsoft SQL Server 2014，可以使用 SQL語言［11］對數據庫進行操作。開發此類輔助設計軟件的主要目的是為設計人員進行可變功能再設計提供輔助知識查詢及參考，設計人員可以借助已有成熟知識高效地完成再設計工作。圖8所示為輔助設計軟件主界面，界面頂端菜單欄包括文件、編輯、知識管理、知識檢索、工具和幫助，每個菜單項下都有對應的子菜單，可進行設計系統的相關操作。

圖9所示為功能族查詢界面，設計人員可以通過限定能量種類和行為關鍵詞查找相關功能族，選中具體功能時，會顯示對應功能的相關信息。在選擇不同使用場景后，可以顯示功能族中功能的使用度情況，有助于設計人員選擇合適的功能。

圖10所示為功能對應能量流查詢界面，設計人員可以查找各功能對應能量流、功能實現原理和功能實現影響因素，為設計人員進行共用部分構件的設計提供相關知識輔助。

圖11所示為功能對應結構庫查詢界面，設計人員可以查找實現某功能的已有產品及產品相關信息與產品實例展示，為設計人員進行可變功能電動工具再設計提供參考。

6 實例

小型電鉆具有使用方便、高效等優點，不僅被專業裝修人員大量應用，而且廣泛應用于普通家庭中。與專業電鉆相比，小型電鉆不僅要求性能好，而且要求靈活多用，因此需要使其具有較多的功能，以滿足不同的需求［12］。基于上述方法對電鉆進行可變功能再設計。

6.1 固定功能電鉆分析

對電鉆鉆孔功能對應能量流進行分析，如圖12所示。機械能以轉動行為完成鉆孔功能，因此就可在相應功能族中查找合適的功能對電鉆進行可變功能再設計。圖13所示為查找到的對應功能。

▲圖7 融合FBS理論和C-K理論的可變功能再設計流程

▲圖8 輔助設計軟件主界面

由圖13可知，功能族中對應鉆孔、切割、緊固和摩擦四種功能，且緊固和鉆孔兩種功能使用頻率較大。因此，對上述功能的關聯度進行考察，通過調查發現四種功能之間的關聯度見表1。

表1 各功能之間關聯度

表1中關聯度值是多個時間段對應dp，q的平均值，筆者以此值作為功能Fp和Fq之間關聯度的量化，此值越大，說明兩種功能之間關聯度大；反之，說明兩種功能之間關聯度越小。

6.2 再設計流程分析

由圖13和表1可以看出，鉆孔和緊固功能使用較為頻繁，且鉆孔和緊固功能之間關聯度較大，因此選定緊固功能作為電鉆的新增功能，通過輔助設計軟件查找鉆孔和緊固功能對應能量流及對應結構實例，作為共用部分構件設計時的知識參考。圖14所示融合FBS理論和C-K理論的固定功能電鉆可變功能再設計流程。

鉆孔是固定功能電鉆的原始功能，緊固是鉆孔對應功能族中的功能，基于FBS模型映射出可以實現兩種功能的執行行為，再映射出可以實現每一執行行為的執行機構。根據結構相似或能量流一致等知識，選出執行機構相似性較高的電鉆和螺絲刀，基于相同能量流，設計出既可以驅動鉆孔，又可以驅動擰螺絲的共用部分構件，最終得到通過更換執行機構可以實現鉆孔和緊固功能的可變功能電鉆。在映射過程中，依據鉆孔的加工方向將鉆孔分為軸向加工和徑向加工，根據這兩個概念，提出一個同時進行軸向和徑向鉆孔的功能概念，由現有知識判定此功能可以實現，則實現此功能的相關信息就可以作為新知識添加到知識空間中，豐富設計知識庫。

▲圖9 功能族查詢界面

▲圖10 功能對應能量流查詢界面

▲圖11 功能對應結構庫查詢界面

▲圖12 電鉆鉆孔功能對應能量流

▲圖13 功能族查詢結果

7 結論

電動工具產品主要依賴于能量流實現產品功能。基于能量流并結合執行行為開展對固定功能電動工具產品的可變功能再設計研究，通過建立功能族數據庫，幫助設計人員查找可以通過再設計實現的新增功能。再通過融合FBS理論和C-K理論的再設計方法獲得實現新增功能的系統結構，從而獲得可變功能電動工具產品。實例表明，所提出的再設計方法對固定功能電動工具產品進行可變功能再設計具有一定的指導作用。考慮到電動工具產品的行為過程相對于其它機械系統而言較為簡單，下一步工作的重點是將筆者所提出的方法推廣到更為復雜的機械系統中，為設計開發可變功能機械系統提供更多的技術支持。

▲圖14 融合FBS理論和C-K理論的固定功能電鉆可變功能再設計流程