设计的约束属性及其评价

李 航 高志棠

（沈阳机床成套设备有限责任公司，辽宁沈阳 110142）

产品:指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备。

工业产品:工业企业生产活动所创造的、符合于原定生产目的和用途的直接生产成果，指通过工业制造方法生产的产品。

工业产品设计及其制造对人类生活的各个方面形成了巨大的推动作用，其影响的范围之广是空前的，不仅是在传统的工农业领域，而且在交通、航空航天、军事、家电等领域进一步得到十足的发展。有鉴于此，产品的规范设计要求人们更加注重环保，走可持续发展的道路。因此，设计评价再一次扮演着至关重要的角色，评价的因素正是这些起约束作用的特征属性。

1 设计的约束属性

一项工业产品（或工业工程）的设计包含着前提集、规则集、结果集。前提集作为设计输入条件又分为强制性和非强制性两类。而规则集恰恰与设计的约束属性密切相关。由于为满足约束属性的要求，需要一定的设计准则与之相适应。设计工作就是要求设计者的主观意愿与强制性和非强制性输入条件相协调。设计工作是通过约束属性的检验，得出符合规则的结果集——即工业产品的概念设计到实用设计的过程。无论采取何种设计方法，设计的约束属性都应贯穿始终，这里指设计的约束属性具有普适性。

设计的约束属性有时候也称为设计原则，它是以每种约束属性所表征的特征属性对设计要素进行约束，最终形成综合的设计约束条件，使设计达到最佳效果。也就是说，设计不是随随便便做出的决定，它是技术、经济、社会、环境、人文等因素综合的结果，要求科学性贯穿始终。每种约束属性只反映设计的一个侧面，只有综合约束才能最终做出科学的判断。设计原则的发展也随人类进步而提高。过去以满足物的使用为原则，后来又提出了以人为本的原则，今天，又提出了以环境为本的原则。所以，设计的约束属性有协调性和适应性的要求。

关于设计的约束属性概略地包括:功能性、实用性、宜人性、维护性、选择性、经济性、工艺性、可行性、合理性、安全性、可靠性、紧凑性、简洁性、准确性、完备性、科学性、先进性、时代性、持久性、适应性、协调性、合法性等。以下给出这些约束属性的定义，以便使设计者体会设计的不同侧面反映的约束属性的内涵。

功能性:工业产品的功能性是产品使用应具有的最基本的本征属性;

实用性:工业产品在使用方面表现的最实在的属性;

宜人性:工业产品对使用者而言符合人－机工程关系要求的属性;

维护性:工业产品在使用的有效寿命过程中的可维护的属性;

选择性:工业产品使用的多样比较可选属性;

经济性:工业产品制造和使用时消耗成本代价的属性;

工艺性:工业产品制造方法的应用属性;

可行性:工业产品设计、制造、使用等一系列工作可开展的属性;

合理性:工业产品在设计、制造、使用过程中是否符合情理的属性;

安全性:工业产品在使用过程中对人、机、环境是否构成伤害、损害的属性;

可靠性:工业产品使用过程中在有效寿命期内稳定运行的属性，可靠性的经典定义是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力;

紧凑性:工业产品在总体尺度及局部尺度上要求最小的属性;

简洁性:工业产品在结构原理上要求功能系统构成最少的属性;

准确性:工业产品在设计、制造、使用过程中符合预期目标的属性;

完备性:工业产品在设计、制造、使用过程中是否存在缺陷的属性;

科学性:工业产品在功能、原理、结构、性能等方面是否符合科学理论的属性;

先进性:工业产品在同时期、同类、同行业的发展水平中所处地位的属性;

时代性:工业产品具有体现科学技术的时代特征的属性;

持久性:工业产品在使用过程中的耐用属性;

适应性:工业产品在季节性、区域性方面与使用环境相符合的属性;

协调性:工业产品本身各部分之间及对环境的影响属性;

合法性:工业产品在设计、制造、使用过程中是否符合法律规范的属性。

首先要使大家明白一个问题，设计的约束属性不会对设计者的灵感发挥和创造精神形成束缚，而只是对设计过程进行规范和约束。

下面以数控车床为例，简略说明某几个约束属性在机床设计中的体现。一般数控机床由床身、主轴箱、尾台、滑鞍、刀架以及传动系统、数控系统和辅助系统等部件构成。如床身为整体铸铁结构，与水平面成45°，考虑了排屑和操作的方便性以及结构的紧凑性，另外，在床身零件的质量上也考虑了重力影响的稳定性;在电控箱上空调机的应用以及在液压工作站上散热器的应用体现了设计的科学性、可靠性及合理性;在切削区上集雾器的应用体现了设计的宜人性和对环保的协调性;对各个运动部位的强制润滑应用确保了机床工作的可靠性以及持久性;对机床的完全防护设计体现了设计的安全性等等。

设计的动因来自社会物质文化生活的需要，创造活动就是为了满足这种需要而有秩序地开展的。为了判断设计是否合乎约束属性的要求，客观上需要进行设计评价这个过程。也就是说，最终究竟谁说了算、凭什么说了算?

为了符合约束属性要求，就要考虑强度、刚度、精度等的影响因素。

2 设计评价

设计评价是指在设计过程中，对解决设计问题的方案进行比较、评定，由此确定各方案的价值，判断其优劣，以便筛选出最佳设计方案的过程。按评价的性质区分，有定性评价和定量评价两种。设计评价也是一种科学决策的过程，科学的设计评价可以避免行政干预带来的麻烦，同时，对工作进度和设计质量进行过程控制。图1反映了设计的多方面多角度评价关系。由此看出:设计评价主要由使用性、技术性、社会性和创新性4方面构成。与其相关的约束属性也对应地分为4类。

2．1 评价方法—语意区分评价法

设计评价的方法多种多样（如表1），这里介绍一种语意区分评价法。语意区分评价法主要用于非定量评价。应用时首先要确定评价问题的评价项目（评价目标）;其次要选择评价尺度、常用名义尺度（标称尺度）、顺序尺度、等距尺度和比例尺度等;最后拟出对比形容词进行评判。

若在语意上以软－硬，冷（酷）－温（暖）作为两对对比形容词，则可将有关的符号语言概括为4类，如图2。图3是所提供的范围较广的评价语汇，供参考。

表1 评价方法的比较

2．2 评价原则

评价时应遵循优胜劣汰、综合平衡、切合实际的原则，通过对约束属性的综合评价来做出最终选择。评价是严谨慎重的技术操作过程，科学性应贯穿始终，应当排除权威性及行政性的干预。

2．3 评价目标

按照约束属性的要求，拟定总目标，再进一步逐项列出各要素的目标问题。

2．4 评价程序

评价程序一般可按下列的框图序列操作（见图4），通过科学的评价过程，最终形成书面的评价结论，作为最终设计的指导文件以及留作备案。

3 约束属性在工业设计应用中的体现

随着工业设计历史的发展，设计的约束属性及设计评价也在不断地完善和改进，设计理念也随之发生转变，人们从早期的朴素型、粗犷型设计制造向逐步完善的精益制造和绿色制造以及智能制造方面迈进，以满足当今社会对工业产品的需求，并且取得了一定的实际效果。例如起初机床的设计只注重功能性和实用性，严重地忽视了机床的安全性和宜人性以及对环境的协调性，而如今对光幕、联锁保护开关、吸音板、散热器、集雾器等的应用设计，充分体现了以人和环境为本的设计理念，同时也减少了对环境的污染。

现代产品设计朝着使产品向高速、高精、高效、复合、柔性、尖端、智能、环保几个方面发展。因而，引发出一些新的设计、制造观念。如:为了提高产品的性能，简化传动结构，产生了直接传动的观念，从而研发直接传动技术，使直接传动变为现实，并快速投入应用;为获得良好的动态性能，利用重心驱动原理进行结构布局设计，从而扩大了机床的工艺范围;为了提高零件的加工精度，引发出工艺集成化的观念，设计制造出了各种复合加工中心机;为了有效利用资源，提高产品的可靠性和寿命，产生了精细化设计与制造观念;为了提高生产率，扩大工艺范围，降低劳动强度，产生了生产组织集成化的观念，从而促成了FMS柔性制造系统的应用;为了与环境和谐共处，引发出环境保护观念，使环保设施应用到机床上等等。以上提出的种种新观念以及新产品的应用，正是由于设计约束属性及其评价的不断更新产生的，结果充分地证明了设计的约束属性不会对设计者的灵感发挥和创造精神形成束缚，只是对设计过程进行规范和约束，有了这种规范和约束及设计评价，才能为人们创造出更符合时代要求的产品。

4 结语

新中国建国以来，最具典型的三门峡水利工程是以梁思成一人反对，其他与会者一致通过而建成的，虽然在工农业生产中发挥过一定的作用，但在今天看来，它并不是一个成功的工程，它的失败就在于不能像小浪底水利工程那样有效地调控黄河泥沙。这就是不尊重科学的典型一例，教训是十分深刻的。本文的初衷就是要求设计尊重科学，真正按规律办事。

［1］简召全．工业设计方法学［M］．北京:北京理工大学出版社，2000．