基于公理的机械产品设计

王战军

（黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319）

1 引言

产品设计是一个系统设计问题，产品开发成本与产品在其生命周期内所创造的全部收入与产品设计高度相关，产品设计开发还必须遵循逻辑化的原理，在公理设计理论指导下进行产品设计，可以提高设计效率，缩短生产周期，提高产品的竞争力。

产品设计、工艺设计过程也就是分解、迭代和映射的过程，最终得到功能要求和设计参数层次结构树。在每一步分解和映射的过程中，都要检验是否满足独立公理，如果不能得到满足独立公理的设计方案，就要返回到公理设计理论上一级寻找问题的所在，如果能得到多个满足独立公理的设计方案，就要利用信息公理寻找最优的设计。

2 需求创新设计

任何设计都是为了满足某种需求。需求既是设计的目的，也是设计的开端，它是连接市场、用户和产品开发过程的桥梁。从产品创新设计特征出发，需求的确定就从社会和技术发展的实在情景出发，寻求要解决的问题。一旦明确了要解决的问题，设计者就可以依据公理设计理论把客户和社会需求转换为功能要求，功能要求明确后，设计者再基于基本原则(设计公理)来开发产品基本的概念，确信选择的设计参数满足功能要求和独立公理。在此过程中，设计者必须写出设计方程，以此来检查是否满足独立公理，确定最后解决方案，减少产品的信息量。

基于技术方面提出产品的需求也就是根据产品的技术要求方面来确定要解决的问题。需求识别其结果最终被抽象归纳为设计要求，设计要求不仅确定设计目标，而且在整个设计过程中都具有指导作用。任何设计的进行都在于需求的激励，需求识别是设计的最初活动，它决定了产品的最大创造性，需求识别的过程是对需求源信息进行分析与综合，其最终结果是产生产品设计要求。我们可以把需求识别过程分为两个逻辑阶段:首先对需求信息进行分析与综合，产生产品概念;然后将产品概念抽象归纳为设计要求，使得设计以此为基础进行。前一阶段涉及诸如用户、市场、技术等多方面因素，其内容和相互间关系也因具体产品差异很大，而且人的直觉和经验在这一过程中起着很重要的作用，它对产品创造性极其关键。

3 功能创新设计

功能是系统必须实现的任务，用来描述系统的输入与输出之间的关系。功能设计既是设计一问题的认识方法，又是设计问题的求解手段。在产品系统方案创新设计中，只有在认清问题本质的基础上才能得到根本性的创造，所以，创新的核心是功能认识。在产品系统方案创新设计过程中，当设计要求确定之后，第一个创新环节为功能创新设计一。功能创新集中在两个方而: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逻辑体系把对象系统各组成部分的功能相互联系起来，从局部功能与整体功能的相互关系上研究对象系统功能的一种方法。功能按照不同的分类方法可以分为以下三种:

①按功能的重要程度可分为必要功能和非必要功能。必要功能又包括用户要求的基本功能与实现基本功能的附加功能。基本功能在设计中是不能改变的，附加功能是设计者为满足用户对基本功能的要求而在设计中附加的功能，附加的功能可随技术条件结构方式的改变而取舍或改变。非必要功能是指不是根据用户的要求而是设计者主观加上去的功能。系统具有的功能一般总是以成本作为代价的，多余的功能会使用户付出更多的代价，因而在功能分析过程中，需要分析决定一个系统应具有哪些必要的功能，而去掉那些非必要的功能。

②按功能的性质可分为使用功能和美学功能两类。使用功能指系统的经济性、运用性、可靠性、安全性和维护性等;而美学功能主要指造型、色彩等。在当今社会随着经济的发展和人们生活水平的提高，在满足使用功能的基础上人们越来越重视美学功能。汽车市场就是一个实例，外形美观的汽车更受人们的青睐。

③按功能的用途可分为驱动功能、传动功能、执行功能和控制功能，一般的机械产品都具备这四个功能。功能分析可以通过功能分解的方法来实现，从而对所设计的产品有一个清晰的认识。功能分解总是在一个特定语境中进行的，作为需求识别结果的产品总功能要求为功能分解提供了一个前提，它确定了最终的产品功能目标及相关物质对象状态，功能分解则是基于对产品总功能要求的细化，用子功能的组合达到这一要求。

3.2 功能描述

由前面对功能的定义可以看出，如何描述功能将直接决定系统原理的设计及方案的确定，而且，功能描述的是否准确、简洁也将影响到设计者的思维广度和创新的程度。功能形式的描述一般采用"动词十名词"的形式。动词表达功能语义，名词表达功能对象，功能语义涉及两个及两个以上的功能对象时，用介词表示。其BNF格式为:·FunetionRelation是功能间关系，

该功能与上层功能的关系称为抽象关系(AbstraetRelation)，与下层功能的关系称为分解关系(neeomposedRelation)。在功能模型中，功能由语言、逻辑和对象表示。语言描述是动词一名词对，逻辑描述是语一言描述的谓词形式，而对象描述是山功能语义和功能对象前后状态组成，功能的计算机语言形式化定义为:

结束语。公理设计是机械设计理论中的一种，它以独立公理和信息公理两条理论为基础，指导设计者在设计的初期做出正确的设计决策，从而提高工作效率，缩短开发时间，增强产品和企业在市场中的竞争力。

[1]赵宏.机械产品概念设计过程建模与方案求解问题研究.【博士】大连理工大学，2008-06-20.