融合功能-行为-结构理论与概念-知识理论的电动工具产品可变功能再设计方法*

□ 张兴法 □ 邓益民 □ 卓凯峰

1.宁波大学机械工程与力学学院 浙江宁波 315211

2.浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室 浙江宁波 315211

1 研究背景

电动工具产品指由电磁旋转式或往复式小容量电机通过传动机构带动作业装置进行工作的手提式或移动式生产工具［1］。近年来，电动工具产品凭借自身体积小、操作简单等优势，得到了人们的广泛青睐。随着人们使用需求的不断提升，传统功能固定的电动工具产品由于两方面问题，已难以满足人们不断变化的需求。第一，固定功能的产品具有功能局限性，可能无法适应特定场合的要求。第二，若使用人员考虑到具体应用的需求而准备多套工具，则会造成携带不便的问题。因此，人们渴望一类可以提供多种功能，且这些功能只需要通过变更产品的部分构件就能获得的特殊产品，此类产品被称为可变功能产品［2］。相对于传统机械产品，可变功能产品可以在共用部分构件的基础上，通过更换一部分构件来实现多种不同功能。这类产品不仅能实现多种功能，节约资源，而且还具有方便进行再设计的优势［4］。

可变功能产品的设计开发一般可以采用两类方法：第一类是直接把多种不同功能的产品结构以适当的方式组合到一个结构体上；第二类是基于某一现有产品设计开发新的结构体，再将新结构体和原来的结构体合理组合。在产品设计过程中，概念设计是最重要的过程，这一过程最能激发设计者的创造性思维［5］。在机械产品概念设计研究中，Qian Lena等［6］提出的功能-行为-结构（FBS）理论是较为完善的设计理论体系之一，它将行为作为功能和结构之间的联系桥梁，通过功能、行为、结构之间的映射，最终获得对应于所需功能的结构方案。概念-知识（C-K）理论由Hatchuel等［7］在2003年首次提出，将设计设想为具有不同逻辑、不同结构的两个空间，即概念空间和知识空间。两者相互作用，具有较强的创新能力。笔者尝试融合FBS理论和C-K理论，开展电动工具产品的可变功能再设计研究，并以第二类设计开发方法为研究对象，为电动工具产品的创新设计提供新思路。

2 C-K理论

概念空间和知识空间是C-K理论的核心部分。CK理论认为，概念可能隐含未经验证或证实的潜在知识，知识是经过实践或理论证实的论断或客观事实。例如，机械能守恒定律在没被证实之前只是作为一个概念存在，而在大量研究证实之后，它就成为了一个已知的成熟知识，就可以作为概念划分的依据。C-K理论的基本流程如图1所示。

▲图1 C-K理论基本流程

C-K理论包括四个基本操作。

（1）C→K操作。该操作用于寻找知识空间中可用以划分概念空间中不同概念的知识属性，这个步骤有助于知识空间中新知识的产生。一个概念C1被新属性改变之后，必须检查所获得的新概念是否仍然属于概念范畴。若不是，则需要继续检查其是否已经成为了一个新知识。因此，通过判断概念是否可以形成新的知识，即可以判定C→K操作是否可以形成新的知识。若答案是肯定的，那么该操作就实现了由概念空间到知识空间的扩展。如图1所示，根据知识K1的属性A1，j把概念 C1划分为概念 C1，1、C1，2、C1，3三个不同的新概念，在概念C1，3的研究分析过程中又可以实现对知识K2的扩展，这一过程就实现了概念空间到知识空间的扩展。

（2）K→C操作。该操作是上述操作的逆过程。通过寻找知识空间中可以划分概念并获得新概念的新知识，从而实现由知识空间到概念空间的扩展。如图1所示， 通过已知知识 Ki的属性 Ai，j把概念 C1，3划分为两个不同的新概念，此过程就实现了知识空间到概念空间的扩展。

（3）C→C操作。该操作是概念空间内部的操作，即概念空间内部的扩展。通过该操作，可以在上述K→C操作的基础上，基于所获得的新概念进一步产生额外的新概念。也就是说，这是一个寻找概念空间中可以产生新概念的过程。

（4）K→K操作。这是一个传统的由已知知识推导出新知识的过程，如分类、减除、诱导、推理等，属于知识空间内部的扩展。

通过将C-K理论应用到设计过程，可以基于K→C操作和C→C操作获得新概念，从而为设计问题的解决提供新思路。另一方面，C→K操作和K→K操作可以丰富设计知识，为设计创新提供知识保证。C-K理论所阐述的概念与知识的相互映射及其产生与发展流程有助于概念设计中的设计创新。基于C-K理论，设计人员不仅可以在已知的需求功能推动下获得新概念或新知识，而且可以在设计中由新概念或新知识的引导获得之前未知的、有实用价值的新功能，从而产生不同于常规设计的创新产品［8］。

3 产品特性分析

为了研究电动工具产品的功能、行为、结构特性，选择市场上使用较普遍的电钻、电动抛光机开展研究。此类产品实现其功能的本质方法是将输入的电能转化成另一种能量，再通过所转化的能量驱动不同执行机构或者通过不同执行行为来实现不同功能。因此，能量流构成系统实现所需功能的主要行为流。相同能量流、相同执行行为，若执行机构不同，则可以实现不同功能。相同能量流、不同执行行为，也可以实现不同功能。

以相同能量流和相同执行行为实现不同功能的情况经常出现在不同作用对象的电动工具中，为了更好描述此类产品不同功能的实现情况，以图2所示多功能抛光机为例进行阐述。

当多功能抛光机与切割机构或抛光机构连接时，可以实现切割或抛光的功能。对多功能抛光机切割或抛光功能实现过程中的能量流进行分析，如图3所示，可知多功能抛光机实现两种功能所需能量流相同，执行行为都是转动，连接两个不同执行机构实现两种不同功能，因此，多功能抛光机由相同能量流、相同执行行为连接不同执行机构实现多种功能。此类工具可以帮助使用人员对物料实现不同功能的操作。

相同能量流、不同执行行为实现不同功能的电动工具，通过不同执行行为实现多种不同功能。由于需要有多个不同的执行行为，它们的结构体及行为流相对更加复杂。以图4所示某轻型多功能电钻为例进行分析，这一多功能电钻通过不同执行行为可以实现钻孔、冲击或冲击并钻孔功能。

▲图2 多功能抛光机

▲图3 切割或抛光功能实现对应能量流

经分析可见，轻型多功能电钻通过与不同执行机构连接，由不同执行行为实现冲击、钻孔或冲击并钻孔功能，各功能实现过程所对应的能量流如图5所示。

▲图4 轻型多功能电钻

具体而言，轻型多功能电钻先由电机将电能转换为机械能，再以转动行为传递给普通钻头来完成钻孔功能。将转动行为传递给活塞，推动活塞在气缸内往复压缩空气，使气缸内空气压力周期性增减，从而推动气缸内装置带动镐钎不断冲击作用对象，完成冲击功能。冲击并钻孔功能既要将电机电能转换的转动行为传递给电锤钻，又要将转动行为传递给活塞，活塞内产生的冲击力传递给电锤钻，使电锤钻在转动同时产生向前的冲击力，完成冲击与钻孔［9］。这三个功能对应能量流相同，但实现功能的执行行为并不相同，因此属于相同能量流不同执行行为实现不同功能。此类产品既可以克服单个行为难以实现多种功能的不足，又可以实现新的不同功能，从而更好为使用者所用。

通过以上分析可见，多功能电动工具产品在实现不同功能时通常需要相同能量流，即将输入电能转换为机械能，再以不同形式的机械能实现不同功能。其中，通过相同执行行为不同执行机构实现多种功能的方法相比于通过不同执行行为实现多种功能的情况，系统结构相似程度更高，再设计成一个产品的难易程度较低，可行性也更高。为此，笔者选择以相同行为不同执行机构的方法实现不同功能，并将以该方法所实现的各种不同功能称为功能族。通过再设计，将原本只能实现固定功能的电动工具产品设计成能够实现一族不同功能的可变功能产品，或者通过再设计对现有的可变功能电动工具进行功能升级，获得更多的可变功能。

4 可变功能再设计

4.1 再设计流程

基于上述电动工具能量流特性及相同执行行为不同执行机构的功能族思想，可以对电动工具产品进行实现可变功能的再设计。固定功能电动工具可变功能再设计流程如图6所示。

按图6所示流程，设计人员首先对电动工具产品进行能量流分析，确定实现功能的执行行为，再依据能量流及执行行为找到产品原始功能所对应的功能族。这一过程需要设计者的领域知识或辅助设计系统的设计知识数据库支持。对顾客进行功能需求分析之后，在对应功能族中选定增加到再设计电动工具上的功能，通过融合FBS理论和C-K理论的再设计方法进行再设计。如果不能进行合理再设计，则需要去除不可实现的功能之后进行再设计。如果可以进行合理再设计，则新增功能和原始功能所对应结构的合理组合就构成了可变功能电动工具产品。此外，在融合FBS理论和CK理论的再设计过程中，所产生的新功能还可以添加到相应的功能族数据库中。

▲图5 轻型多功能电钻功能实现对应能量流

▲图6 固定功能电动工具可变功能再设计流程

4.2 再设计功能选择原则

考虑到设计开发可变功能电动工具产品的整体性能，以及最主要的目的是为用户提供更大方便，提出以下再设计功能选择原则。

（1）功能使用频繁且均衡。可变功能电动工具产品作为一个系统存在，只有各种功能都可充分发挥作用且无闲置，也就是成为均衡型产品［10］，整体性能才可以达到最佳，因此提出用功能使用度检验功能使用频繁及均衡性的方法。功能使用度WFp为：

（2）各功能之间的关联度大。可变功能电动工具各种功能的使用环境尽量相同或者相近，此时，共用部分构件就可以在不变换位置或所处环境的情况下完成各种功能，避免不断搬运。使用功能关联度进行量化，定义功能关联度为：

式中：dp，q为某时间段内功能Fp和功能Fq之间的关联度；np为某时间段内功能Fp的使用次数；np,q为某段时间段内功能Fq在功能Fp使用前或后一定时间内的使用次数。

4.3 FBS理论与C-K理论融合

电动工具可变功能再设计目标是得到可以实现多种功能的结构体，为此可以运用FBS理论，将所需功能映射至相应结构。但实际设计中，经常出现基于现有设计知识无法知晓或确定产品结构的情形，或者说，设计人员并不知道一种所需功能究竟应该映射至何种结构。为解决这一问题，引入具有较强创新能力的C-K理论，通过融合FBS理论和C-K理论对电动工具产品进行可变功能再设计。图7所示为一个融合FBS理论和C-K理论的可变功能再设计流程。

图7中F1为固定功能电动工具的原始功能，F2和F3与F1为同一功能族中的功能，此三种功能同时进行FBS映射。在FBS理论中建立的功能、行为、结构之间的映射模型称为FBS模型。功能F1、F2和F3作为概念空间中的概念，根据FBS模型相关知识属性，在概念空间中分别映射出可以实现功能F1、F2和F3的所有行为，其中 B1，1、B1，2和 B1，3之间是“或”关系，即其中任一行为都可以实现功能F1。根据行为间配合知识及相关设计知识筛选出功能F1、F2和F3分别映射的行为B1，2、B2，1和 B3，3，其中，在映射可以实现行为 B3，3的结构时，由于结构S3，3，3是概念空间内部扩展产生的新概念，且其可以由已知知识判定为真，因此这一结构可以判定为真的相关信息就可以成为知识空间中的新增知识。再依据相似结构及电动工具相关知识，筛选出可以较好再设计的结构 S1，2，1、S2，1，1和 S3，3，2， 最后将 S1，2，1、S2，1，1和S3，3，2再设计成一个电动工具产品。这三个结构之间是“与”关系，即这三个结构共同构成一个可变功能电动工具。

5 辅助设计软件

为方便设计人员进行电动工具产品可变功能再设计，基于上述方法开发了一个辅助设计软件。该软件采用VisualBasic.Net语言进行开发，系统数据库管理采用 Microsoft SQL Server 2014，可以使用 SQL语言［11］对数据库进行操作。开发此类辅助设计软件的主要目的是为设计人员进行可变功能再设计提供辅助知识查询及参考，设计人员可以借助已有成熟知识高效地完成再设计工作。图8所示为辅助设计软件主界面，界面顶端菜单栏包括文件、编辑、知识管理、知识检索、工具和帮助，每个菜单项下都有对应的子菜单，可进行设计系统的相关操作。

图9所示为功能族查询界面，设计人员可以通过限定能量种类和行为关键词查找相关功能族，选中具体功能时，会显示对应功能的相关信息。在选择不同使用场景后，可以显示功能族中功能的使用度情况，有助于设计人员选择合适的功能。

图10所示为功能对应能量流查询界面，设计人员可以查找各功能对应能量流、功能实现原理和功能实现影响因素，为设计人员进行共用部分构件的设计提供相关知识辅助。

图11所示为功能对应结构库查询界面，设计人员可以查找实现某功能的已有产品及产品相关信息与产品实例展示，为设计人员进行可变功能电动工具再设计提供参考。

6 实例

小型电钻具有使用方便、高效等优点，不仅被专业装修人员大量应用，而且广泛应用于普通家庭中。与专业电钻相比，小型电钻不仅要求性能好，而且要求灵活多用，因此需要使其具有较多的功能，以满足不同的需求［12］。基于上述方法对电钻进行可变功能再设计。

6.1 固定功能电钻分析

对电钻钻孔功能对应能量流进行分析，如图12所示。机械能以转动行为完成钻孔功能，因此就可在相应功能族中查找合适的功能对电钻进行可变功能再设计。图13所示为查找到的对应功能。

▲图7 融合FBS理论和C-K理论的可变功能再设计流程

▲图8 辅助设计软件主界面

由图13可知，功能族中对应钻孔、切割、紧固和摩擦四种功能，且紧固和钻孔两种功能使用频率较大。因此，对上述功能的关联度进行考察，通过调查发现四种功能之间的关联度见表1。

表1 各功能之间关联度

表1中关联度值是多个时间段对应dp，q的平均值，笔者以此值作为功能Fp和Fq之间关联度的量化，此值越大，说明两种功能之间关联度大；反之，说明两种功能之间关联度越小。

6.2 再设计流程分析

由图13和表1可以看出，钻孔和紧固功能使用较为频繁，且钻孔和紧固功能之间关联度较大，因此选定紧固功能作为电钻的新增功能，通过辅助设计软件查找钻孔和紧固功能对应能量流及对应结构实例，作为共用部分构件设计时的知识参考。图14所示融合FBS理论和C-K理论的固定功能电钻可变功能再设计流程。

钻孔是固定功能电钻的原始功能，紧固是钻孔对应功能族中的功能，基于FBS模型映射出可以实现两种功能的执行行为，再映射出可以实现每一执行行为的执行机构。根据结构相似或能量流一致等知识，选出执行机构相似性较高的电钻和螺丝刀，基于相同能量流，设计出既可以驱动钻孔，又可以驱动拧螺丝的共用部分构件，最终得到通过更换执行机构可以实现钻孔和紧固功能的可变功能电钻。在映射过程中，依据钻孔的加工方向将钻孔分为轴向加工和径向加工，根据这两个概念，提出一个同时进行轴向和径向钻孔的功能概念，由现有知识判定此功能可以实现，则实现此功能的相关信息就可以作为新知识添加到知识空间中，丰富设计知识库。

▲图9 功能族查询界面

▲图10 功能对应能量流查询界面

▲图11 功能对应结构库查询界面

▲图12 电钻钻孔功能对应能量流

▲图13 功能族查询结果

7 结论

电动工具产品主要依赖于能量流实现产品功能。基于能量流并结合执行行为开展对固定功能电动工具产品的可变功能再设计研究，通过建立功能族数据库，帮助设计人员查找可以通过再设计实现的新增功能。再通过融合FBS理论和C-K理论的再设计方法获得实现新增功能的系统结构，从而获得可变功能电动工具产品。实例表明，所提出的再设计方法对固定功能电动工具产品进行可变功能再设计具有一定的指导作用。考虑到电动工具产品的行为过程相对于其它机械系统而言较为简单，下一步工作的重点是将笔者所提出的方法推广到更为复杂的机械系统中，为设计开发可变功能机械系统提供更多的技术支持。

▲图14 融合FBS理论和C-K理论的固定功能电钻可变功能再设计流程