基于公理化設計理論的中性筆設計方法研究

吳瑛戟

（上海制筆技術服務有限公司 上海 201612）

引言

我們在設計一款中性筆的時候，首先會確定好主要的性能參數，然后進行其他部分的設計工作，并且按照每個工程師的經驗，會分步驟和分部件地設計，融合以往的設計標準，直至完成新的設計。對于新的設計師來說，如何進行設計比較迷茫，不知從何入手。有經驗的工程師往往比剛從事這項工作的設計人員更有條理、更有效率。文章以公理化設計的相關原理為研究的出發點，結合中性筆產品特點，通過對國內外公理化設計方法的發展歷程、理論研究和實際案例的比較分析和思考，以期提出有待解決的中性筆設計方法的相關問題，總結出中性筆公理化設計的方法與步驟，來提高中性筆設計的效率和成功率。

1.中性筆的起源和產品介紹

利用球珠滾動帶出書寫介質（墨水或油墨）的筆統稱為圓珠筆。中性筆是目前國際上流行的一種新穎書寫工具，中性筆是屬于圓珠筆一類的書寫工具。其書寫介質的黏度介于水性（黏度小于10mPa.s）和油性（黏度介于10000-20000mPa.s）之間[1]，所謂“中性”之意也由此而得名。

中性筆起源于日本，日本的SAKURA 株式會社于1984年研制成功稱為“Ballsign”的產品并推向市場，1988年，另一家日本公司 Pentel 株式會社開發的被稱為“Hybrid”的產品上市，中性筆由此而宣告誕生[1][2]。

中性筆與傳統圓珠筆的最大不同在于圓珠筆筆芯內灌注的是油性墨水，而中性筆灌注的是水性凝膠狀墨水。按日本工業標準 JIS S 6061：2005《啫哩墨水圓珠筆和筆芯》中的相關定義，啫哩墨水（中性墨水）為通過書寫時球珠轉動使墨水的黏度變低，非書寫之靜止狀態時墨水黏度變高的墨水，這正是中性墨水典型的流變特征，即墨水狀態書寫前、中、后的變化為凝膠→溶膠→凝膠[3]。中性墨水采用顏料為主要著色劑，與傳統的染料型墨水相比，具有優異的耐光、耐水與耐溫性能和耐化學性能（耐酸、堿、強氧化劑、漂白劑等），同時還具有墨水流量均勻，脫帽時間長等特點，可做永久保存。因此中性筆是理想的辦公學習用品，除用于普通的書寫外，還適用于重要文檔長久保存。

2.中性筆市場和開發狀況

隨著我國制筆工業的發展與壯大，我國制筆工業展現出了大、高、新、全、優（制筆行業規模大，生產技術水平達到新高，行業面貌煥然一新，筆類產品以及花色品種齊全，產品質量優良，綜合合格率98%以上）的態勢，引領國際制筆產業新潮流，在國際市場上具有很強的競爭力。中國已經成為世界公認的制筆生產大國和出口大國。自來水筆、圓珠筆、木桿鉛筆和活動鉛筆產量均居世界第一位，令世界同行刮目相看[4]。

但從整個制筆行業的狀況來看，還是比較缺乏新產品研發和工藝技術的創新能力。主要表現在：一是產品設計和開發還主要是模仿國外知名品牌；二是缺乏自有的產品制造核心技術，主要原材料和關鍵零部件還嚴重依賴進口；三是研發投入缺乏。所以國內制筆行業的競爭主要是拼價格、拼產量的低水平競爭。但從制筆行業的發展來看，還是形成了較有影響力的國內圓珠筆品牌，如晨光、真彩、愛好、白雪、金萬年等。這些品牌的競爭主要依靠其新穎的外觀、高質量的書寫品質來占據市場。這些品牌每家都有優勢的產品，如晨光的K35 撳動中性筆、真彩的009 中性筆、金萬年的歐標中性筆等，這些新成長起來的文具品牌主要以生產中性筆為主，中性筆已成為各大書寫文具品牌競爭的主要戰場。目前國內市場上中性筆占到圓珠筆類產品的70%左右，而圓珠筆類產品占到整個書寫工具的比例為36%左右，僅次于木桿鉛筆的38%。

目前市場上生產圓珠筆類的主要廠商，都以中性筆作為開發和競爭的重點。同時每年在中性筆開發上的投入也不斷增加，據筆者的統計，晨光等領先企業每年上市的新款中性筆在200～300 款之間，這其中全新設計的款式大概有1/4（為全新模具），其余的為重新配色和換印刷的產品。因為市場上使用中性筆的主流是大中小學生，對中性筆的款式要求不斷更新，所以各大廠家集中開發新的品種投放市場來留住老用戶和吸引新用戶。特別值得一提的是，中性筆經過20多年的發展，各大廠家的筆芯規格已趨于標準化，開發新產品過程中主要是開發新的外形和結構，筆芯大多還是保留原有的規格，這樣的開發模式已成為中性筆開發中的主要形式。所以如何加快開發筆款的速度、增加筆款的種類、降低開發過程的成本成為各大廠商重點研究的內容。

3.研究中性筆設計的實際意義

作為一個生產型企業，質量（Quality）、成本（Cost）是最重要的管理項目。現代企業面對瞬息萬變的市場環境，既要求生存，更要求長期成長和發展，如何去提升產品質量，降低產品設計與生產成本已成為企業一切活動的中心。通過探討在中性筆設計中運用公理化設計理論，可對企業起以下幾個方面的作用：

3.1 有效縮短產品設計和制造周期

一個中性筆新款式（不包括筆芯的研發）從造型設計到結構設計、樣品制作、模具開發、配色、小試、中試直到量產，整個過程大約要進行6～8 個月的時間。這樣的開發周期，同現階段的市場要求并不匹配。通過設計方法的研究，可以總結中性筆設計的規律，減少設計錯誤和設計更改，最大限度地利用以往成功的設計成果，來有效地縮短產品的設計和制造周期。達到和提升快速適應市場的能力。

3.2 有效提高產品設計質量

設計階段的質量對最終產品質量的影響是最大的，產品設計造成的巨大浪費是無形的，它并不直接表露出來，而是隱含在圖紙中，從而不易被人們察覺和重視。通過中性筆產品設計方法的研究和應用，特別是公理化等先進設計方法的應用研究，可以最大限度地借鑒成功的設計，從而提高產品設計的可靠性，使產品設計具有強健性。

3.3 有利于降低產品開發和生產成本

對于制筆這樣的傳統行業，隨著經濟的全球化，競爭日益加劇。消費者對產品的需求不僅質量要求越來越高，而且對產品的式樣、顏色、功能的要求也明顯地趨于多樣化、個性化。每個大公司對產品的開發投入逐年加大，但由于存在諸多的矛盾，開發新品產生的效益并不理想，產品的利潤也越來越低，普通中性筆每支筆的利潤以分和厘計算，取得的市場效果并不盡人意。各大公司正在尋求新的產品開發模式和生產模式。合理的產品設計不僅可以最大限度地減少產品零件數量，減少模具開發的數量和成本，降低生產管理的復雜性，從而降低產品的開發和生產成本。

4.公理化設計理論的發展和應用

4.1 公理化設計簡介

由于設計通常是與智力活動和創造聯系在一起，以及它的復雜性和不確定性，人們往往認為它是依靠人的直覺、天賦和經驗。但是設計必須發展它的科學基礎，這就是設計理論。在設計學中存在若干如力學中的牛頓定律一樣的公理，它們控制著設計活動的諸多方面。遵循這些公理和由之而產生的定理與推理，在設計中就可以理性地分析并導向正確的結果而不必通過失敗后反復修正或在設計中留下不可挽回的后遺癥。較之已有理論僅僅停留在物理的和技術的層面，公理化設計觸及設計活動更深層次的規律，即功能域和信息含量，從而可以控制更大范圍的設計過程[5]。

從上個世紀70年代開始，以美國麻省理工學院Nam Pyo Suh 教授為首的研究小組，經過多年的研究與實踐，總結、歸納出一系列設計的基本公理和原則，并于1990年出版了《The principles of Design》[6]一書，正式提出公理化設計（Axiomatic Design，AD）的概念。Nam Pyo Suh 教授提出的公理化理論的基本思想，是將傳統的以經驗為基礎的設計活動轉變為以科學公理、法則為基礎的設計公理體系的設計活動，其目的是為設計過程提供一種科學的思維方法，對設計行為起著由始至終的指導作用。公理化設計旨在為設計建立一個科學依據，為設計師提供一個基于邏輯和理性思維過程及工具的設計理論，改進設計師傳統的感性思維習慣和行為習慣。通過為設計領域創造一個科學的基礎，使人類設計師更有創造性，使迭代試錯過程減少，使迭代試錯過程最短，在提交的諸多設計中，確定最佳設計方案[7]。

4.2 公理化設計基本概念

域是公理化設計的基本概念，根據不同的設計活動，可分為四種不同類型的域。

用戶域：用戶需求的集合。

功能域：滿足用戶需求的一系列的功能需求的集合。

物理域：滿足功能需求的產品物理結構的集合，設計參數是物理域中的關鍵物理變量，它們表征設計并滿足規定的功能需求。

過程域：滿足結構需求的結構生成過程的集合，過程變量是過程域中的關鍵變量，它們表征能夠產生規定的設計參數的過程[5][6]。

圖1 公理化設計中的域

整個設計過程實際就是四個域之間的映射過程（見圖1）。相鄰兩域之間通過“之”字映射完成產品設計，如圖2所示。“之”字映射可分為映射和分解兩個過程。例如從功能域到物理域的“之”字映射首先使高層的功能需求FR 映射到物理域的DP，在DP 的指導下FR 分解為FR1和FR2，FR1與FR2在物理域中尋求滿足它們需求的DP1和DP2，以此類推，直到獲得滿足需求的結果。

圖2 “之”字映射模型

公理化設計提出了兩個重要的設計公理：

1）獨立性公理：保持功能要求的獨立性。

2）信息公理：使設計的信息量最少。

獨立性公理說明功能需求（FRs）必須保持獨立，此處的功能需求被定義為設計所必須滿足的獨立需求的最小集合。一組功能需求是設計目的的描述。獨立性公理要求，當有兩個或更多功能需求時，設計結果必須是能夠滿足功能需求中的每一個而不影響到其他的功能需求。

在產品設計過程中，獨立性公理要求設計參數在滿足功能需求的同時必須保證其他功能需求的獨立性[5]，即獨立性公理體現功能域中的功能需求與物理域中設計參數之間的關系。Suh 教授給出了功能域中功能需求向量{FRs}和物理域中設計參數向量{DPs}之間的映射關系，如式（1）所示。

對式（1）描述的產品設計方程說明：{FR}m×1表示功能域中的功能需求向量；{DP}n×1表示為結構域中的設計參數向量；[A]m×n稱為公理化設計矩陣（DM），它表征產品設計。對有三個FRs 和 DPs 的產品設計情況，其設計方程可表示為式（2）所示。

式（2）的方程組形式可表示為式（3）；FRi的一般表示形式為：

對于一個線性設計來說，Aij為常數；對于非線性設計來說，Aij是 DPs的函數。為了滿足獨立性公理的要求，設計矩陣必須滿足特定的形式。從數學角度看，設計矩陣有三種：對角矩陣、三角矩陣和滿矩陣。對于一個線性設計來說，按照設計矩陣不同形式，Suh教授將設計分為三種類型：非耦合設計、準耦合設計和耦合設計，即當設計矩陣是對角矩陣（圖3（a））時，每一個功能需求可以用一個設計參數來滿足，該設計為無耦合設計；當設計矩陣為三角矩陣（圖3（b））時，設計參數必須按照一定的序列來確定才能保證功能需求的獨立性，該設計為準耦合設計；如果設計矩陣為一般陣（圖3（c）），設計為耦合設計，耦合設計不滿足獨立性公理，通常也不能保證設計系統符合規定要求，這不是理想設計。

圖3 設計矩陣的類型

信息公理說明，在那些滿足獨立性公理的設計中，具有最小信息量的設計就是最好的設計。因為信息含量是由概率確定的，所以第二公理同時也說明了具有最高成功概率的設計是最佳設計。一個給定功能需求FRi 的信息含量Ii是由滿足功能需求FRi的概率Pi定義的。

公理化設計除以上 2 個公理外，還有推理 8 個和定理 40 個。公理化設計的兩個設計公理可以在設計過程中幫助設計者判斷設計的合理性。公理化設計的應用會提高創造力，它要求通過建立功能需求和約束來清楚地形成設計目標。它提供好和壞的設計的判別準則，幫助盡可能地消滅壞的想法。使設計師集中精力于有指望的設計，同時公理化設計形成分解過程，使得從概念到設計形成一個系統的流程[7]。

4.3 國內外公理化設計研究和應用現狀

自公理化設計理論提出以來，國內外眾多學者在該領域進行了一系列的研究，在理論及應用方面得到了長足的發展。迄今，國內外學者圍繞公理化設計理論開展了許多研究，并取得了一些成果。

在國外，1995年，Nam Pyo Suh 對機械設計系統和大型制造系統的公理化設計及實現技術進行了系統地論述[8][9]；2001年，Nam Pyo Suh 出版了專著《Axiomatic Design:Advances and Application》，系統地論述了公理化設計基本理論及在系統設計、軟件設計、制造系統設計、材料及其加工工藝設計、產品設計等的應用[5]；Vigain H 等研究了基于公理化設計理論的產品設計決策支持系統，并給出了用于開發輔助公理化設計軟件的方法[10]；Byungkeun M 等將公理化設計方法應用于技術傳遞系統設計中，詳細描述了系統設計方法[11]；Guenov M D 等將信息公理和設計結構矩陣相結合，建立了復雜產品的分解模型，該矩陣能識別系統設計中潛在的設計沖突，使系統構架能判別各種被選方案的相容性[12]；Gabrele Arcidiacono 等以FIAT 汽車車門為對象，研究了公理化設計方法在產品可靠性設計中的應用[13]等等。

在國內，近些年來許多學者圍繞公理化設計理論及應用也做了不少研究。陳曉川等運用公理化設計理論對優化設計、可靠性設計、魯棒設計和DFX 方法進行了集成研究，提出利用公理化設計所提供的框架集成設計方法[14]；朱龍英等在公理化設計理論的基礎上，建立了產品功能-結構層次模型和面向裝配設計的產品信息模型[15]；王平等著重研究了公理化設計中信息公理及信息計算方法，建立了信息計算模型[16]；王冬生等應用公理化設計理論，給出了捷聯式慣性導航系統的功能需求與設計參數間的映射與分解過程[17]；朱春燕等提出了基于公理化設計的產品模塊劃分方法，強調了對模塊功能獨立性的判斷[18]；王琦等分析了公理化和模塊化理論的原則、特征、作用及優點，得出二者結合指導下的設計流程，應用到服裝面料實樣庫自動尋樣系統設計中[19]；韓軍等基于公理化設計理論對無人式微耕機造型進行創新設計和功能模塊分區，通過信息公理對設計信息量進行篩選，簡化設計內容，得到改進設計方案[20]；馬麗娜等將經驗性、概括性車架設計知識運用數學語言進行了描述，形成了一套完整的玉米收獲機車架設計流程，為車架設計提供理論依據和方法支撐[21]等等。

盡管國內外學者在公理化設計理論及應用方面進行了大量的研究，但作為一種提出才二十多年的新型設計方法，人們對其理論及應用研究不可能一步到位。目前，國內外對公理化理論及應用在不少方面尚處于初步探索階段。

5.中性筆產品結構分析

5.1 中性筆結構分析

5.1.1 中性筆的結構分類和主要零部件

中性筆適用的結構類型為插套式和撳動式。插套式是中性筆最常見的結構型式；另一種常見的中性筆結構型式為撳動式。

插套式按筆芯的固定方式可分為前定位插套式和后定位插套式。分別如圖4、圖5所示。前定位指的是，筆芯的固定在筆芯的前端（有筆頭的那一端），一般是由尖套內孔的筋將筆芯的連接件（連接件最大外徑處）壓在筆桿前端螺紋的端面上。后定位指的是，筆芯的固定在筆芯的后端（沒有筆頭的那一端），一般是由筆桿或尾塞內孔的筋（或內孔的多角形）與油管外徑過盈配合，夾住油管從而將筆芯固定。

圖4 筆芯前定位插套式中性筆典型結構及零件

圖5 筆芯后定位插套式中性筆典型結構及零件

同油墨圓珠筆相比，中性筆要求出墨量大，筆頭間隙大，而且中性筆墨水為水性墨水，一般較油墨（油性墨水）的耐干性要差。在常溫狀況下，兩種圓珠筆的脫帽時間比較，油墨圓珠筆的脫帽時間可以保持在兩年左右，與整筆的保質期相當，而中性筆的脫帽時間一般在數天至3 個月之間不等。還有中性墨水黏度較油墨黏度低，且油管內孔較大，墨水較易產生倒流現象。所以插套式中性筆筆套內都裝有橡膠的密封圈，蓋上筆套后，密封圈將筆頭密封住，防止筆頭內墨水干枯，并防止空氣從筆頭進入筆芯內，進而產生倒流現象。筆頭進入密封圈的深度具有一定的尺寸要求。而一般的油墨圓珠筆由于油墨黏度高，筆頭間隙小而不需要密封圈。

另外，對于撳動式中性筆，如圖6所示。為了防止筆頭內墨水干枯和筆芯內墨水倒流，一般都采用彈簧筆頭，且新的未使用的筆芯的筆頭前端進行封蠟處理。彈簧筆頭（如圖7）指的是在筆頭內部裝有一根細小的彈簧，頂住球珠。書寫時，由于書寫力的作用，球珠同碗口分離形成墨水出墨間隙，書寫力消除時，彈簧頂住球珠，并同碗口貼合，形成較好的密封。這樣可以較長時間保持筆頭內墨水不干，并可防止墨水倒流。

圖6 撳動式中性筆典型結構及零件

圖7 撳動式彈簧筆頭結構圖

中性筆芯的結構如圖8、9所示。筆芯的零件特點及功能說明如表1。

圖8 插套類中性筆芯

圖9 撳動類中性筆芯

表1 中性筆芯零件特點及功能說明

圖10 660 仿針管筆頭

圖11 670 子彈型筆頭

圖12 680 半針管筆頭

圖13 640 針管筆頭

圖14 651 仿針管筆頭

5.1.2 中性筆功能結構分析

功能是設計過程中設計所要滿足的最為重要的特性，功能分主要功能和次要功能：主要功能是實現產品使用價值必不可少的功能，必須無條件地滿足，而次要功能與設計約束之間是可以協調的，即在滿足約束條件的前提下，盡量滿足要求[22]。

所謂產品的功能分析是在明確設計任務和主參數的基礎上進行總功能分析，并進行功能分解。總功能體現設計任務的總目標，而功能分解是指將產品的總功能分解成較為簡單的分功能或功能元（最基本的不宜再分的功能單元），從而使問題的復雜度降低，以利于產品功能的結構求解。

傳統的功能分解方法只是在功能域里進行，由于功能是抽象事物，必須與具體的滿足功能的原理和結構相結合，才能得到合理和定義完備的功能集合。因此，按照公理化設計的理論，應用了功能域—原理域—結構域的功能分解方法[23]。此方法以人的認識模型為基礎，將功能分解轉換為原理和結構的分解，符合人的思維活動。

圖15 表示了域內部的結構以及域之間的關系，在功能域中，功能表示為功能樹結構，葉節點表示不可再分的子功能，而原理域和結構域中存在相應的結構樹，不同域的節點之間是多對多的關系。

圖15 功能域 —原理域 —結構域關系圖

原理域連接了功能域和結構域。進行功能分解時，同功能求解是密切聯系的，需交錯進行，而不是一次性完成映射。

對于筆來說，其最基本的功能是書寫功能。但是要實現書寫功能可以有多種方法，可以利用毛細原理帶出書寫介質（自來水筆等）、可以由固體物直接產生線跡（鉛筆等），也可以運用球珠滾動帶出書寫介質（圓珠筆）等等。不同的原理要采取的下一步工作是不同的，即總功能分解的結果是不同的。隨著功能的分解，設計人員在功能域、原理域和結構域之間不斷來回切換，通常一個功能層次結構對應了多個原理層次結構和多個結構層次，最后形成功能與結構的映射。圖16 是運用以上方法建立的中性筆功能原理結構樹。對于中性筆是運用球珠滾動帶出書寫介質而形成書寫線跡，是書寫工具的一種。我們以插套式中性筆為例進行了功能原理結構分析。再根據功能原理結構樹，分離出插套式中性筆的功能結構樹（圖17），并運用聚類分析的方法形成了后定位插套式中性筆的功能結構模塊（圖18）。

圖18 后定位插套式中性筆的功能結構模塊

5.2 中性筆公理化設計分析

5.2.1 中性筆公理化設計的必要性

1）公理化設計既可以用于新產品的開發設計，也可以對現有產品進行分析改進。在進行現有產品分析改進時，設計者根據用戶需求、設計約束和現有產品的設計，進行設計目標分析，確定產品的組成部分來實現分解后不同的功能要求。中性筆是現有市場上的主流產品，但從市場的反應和技術上分析，還有許多需要改進的地方，利用公理化的理論和方法進行中性筆設計分析是十分有益的做法。

2）以往模塊化設計呈現為橫向系列的設計，對于系統高層功能要求的設計實現主要憑經驗指導，其主要作用為針對底層設計參數而得出適用性強的各種模塊。而公理化設計理論則更適用于縱向整體系統設計，使整個系統由上至下，由整體到局部都有據可依，從而指導設計者做出肯定且正確的決策，不再盲目地憑借個人經驗進行設計。因此綜合兩種方法，進行取長補短。

3）運用公理化設計中的設計矩陣，便于確定各功能結構模塊之間的相互關系，便于確定各模塊設計的順序和模塊內部設計的先后相關性。

5.2.2 中性筆公理化設計功能結構分析

在5.1.2 節我們使用了公理化的原理，運用功能、原理、結構樹的方法，對插套型中性筆進行了功能、結構分析。下面以后定位插套型中性筆為例，結合圖18 模塊化劃分的結果，對整個功能、結構分解的過程進行分析。

1.第一級分解。對于中性筆來說，其總功能FR0為書寫功能。對應的設計參數DP0為能執行書寫功能的中性筆。為了進一步分解，將總功能FR0分解為：

FR1—形成書寫線跡

FR2—便于手握書寫

FR3—防護功能

對應的DPs 為：

DP1—中性筆芯

DP2—筆桿組件

DP3—筆套組件

設計矩陣：

成為解耦設計，可以滿足獨立公理的要求。

從中性筆的設計來分析，首先要滿足書寫性能要求的需要，包括書寫的長度、出墨量、書寫線跡的寬度、書寫的流利性能等，所以中性筆設計首要的是進行筆芯的設計，這些設計要求來自于客戶的需求和設計任務書，這些要求也決定了筆芯的規格，所以筆芯的設計是第一位的，是獨立進行的。

其次是要進行中性筆便于手握書寫功能的設計，要便于書寫，包括了書寫部件的可靠固定和使用時手握舒適，這一部分的設計主要是固定方式和手握部位的尺寸、形狀和材質等，部分依賴于筆芯的結構和尺寸，同筆芯設計相關。

第三，對于中性筆來說，在未書寫時筆頭部位必須進行保護，一是防止筆頭和球珠碰傷而使書寫功能失效，二是防止筆頭傷人，考慮人身安全，三是要將筆頭密封，防止墨水干燥而堵塞筆頭，以及防止空氣從筆頭前端進入筆芯而造成墨水倒流。這部分的設計依賴于筆芯的結構和筆桿組件的尺寸。

2.第二級分解。

（1）FR1形成書寫線跡分解為：FR11儲墨；FR12出墨；FR13連接。相對應的設計參數為：DP11儲墨管；DP12筆頭；DP13接頭。

設計矩陣：

從設計矩陣可以發現，這樣的設計并不能滿足獨立公理的要求，因為儲墨量的設計，必須在選定一定出墨量筆頭的規格前提下才能確定，所以需要解耦。經過分析，將FR11和FR12調整功能的次序可以滿足獨立公理的要求，調整后的功能分解為：FR11出墨；FR12儲墨；FR13連接。相對應的設計參數為：DP11筆頭；DP12儲墨管；DP13接頭。

設計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

（2）FR2便于手握書寫分解為：FR21手握功能；FR22書寫部件固定相對應的設計參數為：DP21手握部件；DP22筆芯前后固定部件。

設計矩陣：

（3）FR3防護功能分解為：FR31保護；FR32防滾、便攜；FR33密封。相對應的設計參數為：DP31筆套；DP32筆夾；DP33密封圈。

設計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

3.第三級需要分解的是FR21和FR22。FR21手握功能分解為：FR211握持；FR212防滑。相對應的設計參數為：DP211筆桿；DP212防滑套。

設計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

FR22書寫部件固定分解為：FR221導向；FR222夾緊。相對應的設計參數為：DP221尖套；DP222尾塞。

設計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

5.2.3 中性筆公理化設計順序

從以上插套型中性筆的公理化設計分析可以發現，公理化分析的結果同模塊劃分的結果是一致的，整個插套型中性筆設計分為三大模塊：筆芯模塊、筆桿組件模塊和筆套組件模塊。公理化的分析進一步理清了產品設計的思路，明確了插套型中性筆的設計順序，從5.2.2 級的層級分析，可以總結出插套型中性筆的設計順序如圖19所示。

圖19 插套型中性筆設計順序

通過對插套型中性筆功能和結構分析，運用了相關性理論進行了中性筆各功能部件的相關度分析，明確了插套型中性筆設計模塊分為筆芯、筆桿組件、筆套組件模塊，并應用公理化的設計矩陣對插套型中性筆進行了功能獨立性分析，明確了中性筆公理化設計順序。

6.中性筆公理化計算機輔助設計

6.1 中性筆公理化設計程序

按照公理化設計分析，中性筆的設計分為以下幾個步驟進行：

6.1.1 筆芯設計

根據設計要求（來自于客戶、標準和通用設計要求等），轉化為筆芯設計參數。如客戶要求書寫長度400m 以上，為0.5mm 球珠的筆頭，要求為插套型中性筆，筆頭型號為670 型，出墨量為百米平均120mg等等。按照百米出墨量和書寫長度的要求，可以確定油管的內孔和外徑、長度等參數，這樣就可以進行筆芯組件的設計。對于筆芯我們首先是進行型號、規格的選定（按一定的參數），如果現有的筆芯庫中沒有滿足要求的筆芯，則要進行筆芯的設計，其先后順序如圖19所示。先為筆頭型號的確定，再是油管設計，最后是接頭設計，這樣遵循我們對中性筆芯的公理化設計的分析結果。在零件設計中，按零件設計參數查詢各零件庫，可以找出相似零件進行參考和修改來完成新零件的設計，提高了設計速度和設計的可靠性。

6.1.2 筆桿組件設計

筆芯設計完成后，進入筆桿組件的設計。根據任務書對設計的要求，確定筆桿組件的設計參數和接口參數。如要求是前定位還是后定位，筆桿最大外徑、裝配和固定筆芯的相應尺寸、是否需要防滑套等信息，從現有的筆桿組件模塊庫進行搜索選用。如沒有符合要求的模塊可以使用，則可以按筆桿模塊的設計順序進行筆桿模塊的新設計。先筆桿，后尖套、尾塞，最后進行防滑套的設計（如圖19）。并可以按零件的設計參數進行零件庫的查詢，用現有零件進行設計更改。

6.1.3 筆套組件設計

完成筆芯和筆桿組件的設計后，按同樣的程序進行筆套組件的選用和設計。先按照筆套組件的設計參數和接口參數，從現有的筆套組件模塊庫進行搜索選用。如沒有符合要求的模塊可以使用，則可以按筆套模塊的設計順序進行筆套模塊的新設計。先筆套，后筆夾、密封圈（如圖19）。并可以按零件的設計參數進行零件庫的查詢，使用現有的零件或用現有零件進行設計更改。

6.1.4 成品裝配和分析

各個部件設計完成后，最后進入成品的裝配和分析。按照先部件、后成品的次序，先將各個組件模塊裝配完成，后將各組件模塊裝配成成品。裝配完成后要進行成品設計要求的校核，例如筆頭密封深度、筆頭外露尖套的長度、扣位的配合、筆套反插等。還要進行裝配后是否干涉的校核等，如有問題，有必要進行設計修改和改善。

6.2 中性筆公理化計算機輔助設計的必要性

對于一個有經驗的產品設計師，在多年的工作中會找到適合自己的一套設計方法，會使設計過程盡量科學和有效率。但公司內往往設計師較多，每個設計師的思路和方法不盡一致，而且形成的設計經驗和資源也難以實現共享。所以有必要總結中性筆產品的設計經驗，形成統一的、科學的設計方法，形成零部件設計零件庫和模塊庫，并進行不斷的更新和完善，實現設計資源的共享和零部件的共用，提高設計的效率和質量。所以中性筆公理化計算機輔助設計主要解決：

1）遵循公理化設計要求，明確和規范設計順序。部件設計要有一定的獨立性，減少設計耦合，降低設計更改的頻率。

2）推行模塊化設計思想，提高模塊、零部件的設計重用性，降低新產品的制造成本。

3）提高設計質量，提高設計可靠性和設計效率。

6.3 中性筆公理化計算機輔助設計平臺

中性筆公理化計算機輔助設計總體設計思路是，體現公理化設計程序，以模塊設計為主線，可以自定義查詢和調用零部件庫，實現中性筆的高效設計。輔助設計系統是在UG 二次開發的基礎上，應用VC++和數據庫軟件實現UG 和數據庫之間的數據訪問。使用VC++，用戶可以利用其開發環境封裝的類，并通過建立實例或繼承來使用這些程序代碼，從而大大減少程序開發的時間。設計的對話框界面更為容易，修改和調試更為方便。

UG 運行后菜單中設計了“中性筆設計”的下拉式菜單，按要求選擇子菜單進入設計，如圖20。

圖20 中性筆設計菜單

設計實例部分設計界面如圖21：

圖21 中性筆設計部分界面

7.總結與展望

7.1 總結

中性筆產品是當前及今后較長一段時間市場上書寫工具的主流產品，隨著市場競爭的加劇，中性筆產品的品種不斷更新，開發速度不斷加快。為此，各個公司都運用現有的造型、平面設計軟件進行中性筆的外形、表面處理設計，加強中性筆的開發。但從總體來看，缺乏有序和科學的研究。文章對中性筆產品進行深入研究的基礎上，運用公理化設計理論，從中性筆的功能分析、結構類型、模塊劃分、設計程序等各方面進行了探討，取得了以下成果：

1、結合公理化理論和模塊化思想，對中性筆進行了功能分析，并運用了功能—原理—結構的方法，進行了功能分解，更加符合人們的邏輯思維過程，不同于一般的功能—結構分解方法。

2、對插套型中性筆進行了各功能部件的功能、結構相關性分析，進行了模塊劃分，提出了筆芯、筆桿、筆套各模塊的分類方法，為中性筆模塊化設計奠定了基礎。

3、運用公理化設計理論，進行中性筆各模塊設計的獨立性分析，確定了插套型中性筆的設計程序，為中性筆科學快速設計確立了科學基礎。

4、運用三維設計、面向對象和數據庫軟件進行了中性筆公理化設計平臺的開發。

7.2 展望

雖然研究取得了一定成果，但是由于時間和水平的限制，本課題今后還有許多有待完善和改進之處：

1、中性筆產品的公理化設計是一個需要深入研究的課題，對產品的模塊化改造需要進一步的細化、補充，特別是撳動型中性筆的公理化設計研究需進一步探討。

2、中性筆設計中需要市場人員和造型、結構、平面設計師的通力合作，如何將公理化設計推廣到產品的整個設計過程，進而推廣到制造過程，是我們需要進一步研究的課題。

3、關于中性筆設計平臺的開發，需要進一步研究，理想的狀況是多設計軟件共享、協作的平臺，才能發揮更好的作用。