基于公理化设计理论的中性笔设计方法研究

吴瑛戟

（上海制笔技术服务有限公司 上海 201612）

引言

我们在设计一款中性笔的时候，首先会确定好主要的性能参数，然后进行其他部分的设计工作，并且按照每个工程师的经验，会分步骤和分部件地设计，融合以往的设计标准，直至完成新的设计。对于新的设计师来说，如何进行设计比较迷茫，不知从何入手。有经验的工程师往往比刚从事这项工作的设计人员更有条理、更有效率。文章以公理化设计的相关原理为研究的出发点，结合中性笔产品特点，通过对国内外公理化设计方法的发展历程、理论研究和实际案例的比较分析和思考，以期提出有待解决的中性笔设计方法的相关问题，总结出中性笔公理化设计的方法与步骤，来提高中性笔设计的效率和成功率。

1.中性笔的起源和产品介绍

利用球珠滚动带出书写介质（墨水或油墨）的笔统称为圆珠笔。中性笔是目前国际上流行的一种新颖书写工具，中性笔是属于圆珠笔一类的书写工具。其书写介质的黏度介于水性（黏度小于10mPa.s）和油性（黏度介于10000-20000mPa.s）之间[1]，所谓“中性”之意也由此而得名。

中性笔起源于日本，日本的SAKURA 株式会社于1984年研制成功称为“Ballsign”的产品并推向市场，1988年，另一家日本公司 Pentel 株式会社开发的被称为“Hybrid”的产品上市，中性笔由此而宣告诞生[1][2]。

中性笔与传统圆珠笔的最大不同在于圆珠笔笔芯内灌注的是油性墨水，而中性笔灌注的是水性凝胶状墨水。按日本工业标准 JIS S 6061：2005《啫哩墨水圆珠笔和笔芯》中的相关定义，啫哩墨水（中性墨水）为通过书写时球珠转动使墨水的黏度变低，非书写之静止状态时墨水黏度变高的墨水，这正是中性墨水典型的流变特征，即墨水状态书写前、中、后的变化为凝胶→溶胶→凝胶[3]。中性墨水采用颜料为主要着色剂，与传统的染料型墨水相比，具有优异的耐光、耐水与耐温性能和耐化学性能（耐酸、碱、强氧化剂、漂白剂等），同时还具有墨水流量均匀，脱帽时间长等特点，可做永久保存。因此中性笔是理想的办公学习用品，除用于普通的书写外，还适用于重要文档长久保存。

2.中性笔市场和开发状况

随着我国制笔工业的发展与壮大，我国制笔工业展现出了大、高、新、全、优（制笔行业规模大，生产技术水平达到新高，行业面貌焕然一新，笔类产品以及花色品种齐全，产品质量优良，综合合格率98%以上）的态势，引领国际制笔产业新潮流，在国际市场上具有很强的竞争力。中国已经成为世界公认的制笔生产大国和出口大国。自来水笔、圆珠笔、木杆铅笔和活动铅笔产量均居世界第一位，令世界同行刮目相看[4]。

但从整个制笔行业的状况来看，还是比较缺乏新产品研发和工艺技术的创新能力。主要表现在：一是产品设计和开发还主要是模仿国外知名品牌；二是缺乏自有的产品制造核心技术，主要原材料和关键零部件还严重依赖进口；三是研发投入缺乏。所以国内制笔行业的竞争主要是拼价格、拼产量的低水平竞争。但从制笔行业的发展来看，还是形成了较有影响力的国内圆珠笔品牌，如晨光、真彩、爱好、白雪、金万年等。这些品牌的竞争主要依靠其新颖的外观、高质量的书写品质来占据市场。这些品牌每家都有优势的产品，如晨光的K35 揿动中性笔、真彩的009 中性笔、金万年的欧标中性笔等，这些新成长起来的文具品牌主要以生产中性笔为主，中性笔已成为各大书写文具品牌竞争的主要战场。目前国内市场上中性笔占到圆珠笔类产品的70%左右，而圆珠笔类产品占到整个书写工具的比例为36%左右，仅次于木杆铅笔的38%。

目前市场上生产圆珠笔类的主要厂商，都以中性笔作为开发和竞争的重点。同时每年在中性笔开发上的投入也不断增加，据笔者的统计，晨光等领先企业每年上市的新款中性笔在200～300 款之间，这其中全新设计的款式大概有1/4（为全新模具），其余的为重新配色和换印刷的产品。因为市场上使用中性笔的主流是大中小学生，对中性笔的款式要求不断更新，所以各大厂家集中开发新的品种投放市场来留住老用户和吸引新用户。特别值得一提的是，中性笔经过20多年的发展，各大厂家的笔芯规格已趋于标准化，开发新产品过程中主要是开发新的外形和结构，笔芯大多还是保留原有的规格，这样的开发模式已成为中性笔开发中的主要形式。所以如何加快开发笔款的速度、增加笔款的种类、降低开发过程的成本成为各大厂商重点研究的内容。

3.研究中性笔设计的实际意义

作为一个生产型企业，质量（Quality）、成本（Cost）是最重要的管理项目。现代企业面对瞬息万变的市场环境，既要求生存，更要求长期成长和发展，如何去提升产品质量，降低产品设计与生产成本已成为企业一切活动的中心。通过探讨在中性笔设计中运用公理化设计理论，可对企业起以下几个方面的作用：

3.1 有效缩短产品设计和制造周期

一个中性笔新款式（不包括笔芯的研发）从造型设计到结构设计、样品制作、模具开发、配色、小试、中试直到量产，整个过程大约要进行6～8 个月的时间。这样的开发周期，同现阶段的市场要求并不匹配。通过设计方法的研究，可以总结中性笔设计的规律，减少设计错误和设计更改，最大限度地利用以往成功的设计成果，来有效地缩短产品的设计和制造周期。达到和提升快速适应市场的能力。

3.2 有效提高产品设计质量

设计阶段的质量对最终产品质量的影响是最大的，产品设计造成的巨大浪费是无形的，它并不直接表露出来，而是隐含在图纸中，从而不易被人们察觉和重视。通过中性笔产品设计方法的研究和应用，特别是公理化等先进设计方法的应用研究，可以最大限度地借鉴成功的设计，从而提高产品设计的可靠性，使产品设计具有强健性。

3.3 有利于降低产品开发和生产成本

对于制笔这样的传统行业，随着经济的全球化，竞争日益加剧。消费者对产品的需求不仅质量要求越来越高，而且对产品的式样、颜色、功能的要求也明显地趋于多样化、个性化。每个大公司对产品的开发投入逐年加大，但由于存在诸多的矛盾，开发新品产生的效益并不理想，产品的利润也越来越低，普通中性笔每支笔的利润以分和厘计算，取得的市场效果并不尽人意。各大公司正在寻求新的产品开发模式和生产模式。合理的产品设计不仅可以最大限度地减少产品零件数量，减少模具开发的数量和成本，降低生产管理的复杂性，从而降低产品的开发和生产成本。

4.公理化设计理论的发展和应用

4.1 公理化设计简介

由于设计通常是与智力活动和创造联系在一起，以及它的复杂性和不确定性，人们往往认为它是依靠人的直觉、天赋和经验。但是设计必须发展它的科学基础，这就是设计理论。在设计学中存在若干如力学中的牛顿定律一样的公理，它们控制着设计活动的诸多方面。遵循这些公理和由之而产生的定理与推理，在设计中就可以理性地分析并导向正确的结果而不必通过失败后反复修正或在设计中留下不可挽回的后遗症。较之已有理论仅仅停留在物理的和技术的层面，公理化设计触及设计活动更深层次的规律，即功能域和信息含量，从而可以控制更大范围的设计过程[5]。

从上个世纪70年代开始，以美国麻省理工学院Nam Pyo Suh 教授为首的研究小组，经过多年的研究与实践，总结、归纳出一系列设计的基本公理和原则，并于1990年出版了《The principles of Design》[6]一书，正式提出公理化设计（Axiomatic Design，AD）的概念。Nam Pyo Suh 教授提出的公理化理论的基本思想，是将传统的以经验为基础的设计活动转变为以科学公理、法则为基础的设计公理体系的设计活动，其目的是为设计过程提供一种科学的思维方法，对设计行为起着由始至终的指导作用。公理化设计旨在为设计建立一个科学依据，为设计师提供一个基于逻辑和理性思维过程及工具的设计理论，改进设计师传统的感性思维习惯和行为习惯。通过为设计领域创造一个科学的基础，使人类设计师更有创造性，使迭代试错过程减少，使迭代试错过程最短，在提交的诸多设计中，确定最佳设计方案[7]。

4.2 公理化设计基本概念

域是公理化设计的基本概念，根据不同的设计活动，可分为四种不同类型的域。

用户域：用户需求的集合。

功能域：满足用户需求的一系列的功能需求的集合。

物理域：满足功能需求的产品物理结构的集合，设计参数是物理域中的关键物理变量，它们表征设计并满足规定的功能需求。

过程域：满足结构需求的结构生成过程的集合，过程变量是过程域中的关键变量，它们表征能够产生规定的设计参数的过程[5][6]。

图1 公理化设计中的域

整个设计过程实际就是四个域之间的映射过程（见图1）。相邻两域之间通过“之”字映射完成产品设计，如图2所示。“之”字映射可分为映射和分解两个过程。例如从功能域到物理域的“之”字映射首先使高层的功能需求FR 映射到物理域的DP，在DP 的指导下FR 分解为FR1和FR2，FR1与FR2在物理域中寻求满足它们需求的DP1和DP2，以此类推，直到获得满足需求的结果。

图2 “之”字映射模型

公理化设计提出了两个重要的设计公理：

1）独立性公理：保持功能要求的独立性。

2）信息公理：使设计的信息量最少。

独立性公理说明功能需求（FRs）必须保持独立，此处的功能需求被定义为设计所必须满足的独立需求的最小集合。一组功能需求是设计目的的描述。独立性公理要求，当有两个或更多功能需求时，设计结果必须是能够满足功能需求中的每一个而不影响到其他的功能需求。

在产品设计过程中，独立性公理要求设计参数在满足功能需求的同时必须保证其他功能需求的独立性[5]，即独立性公理体现功能域中的功能需求与物理域中设计参数之间的关系。Suh 教授给出了功能域中功能需求向量{FRs}和物理域中设计参数向量{DPs}之间的映射关系，如式（1）所示。

对式（1）描述的产品设计方程说明：{FR}m×1表示功能域中的功能需求向量；{DP}n×1表示为结构域中的设计参数向量；[A]m×n称为公理化设计矩阵（DM），它表征产品设计。对有三个FRs 和 DPs 的产品设计情况，其设计方程可表示为式（2）所示。

式（2）的方程组形式可表示为式（3）；FRi的一般表示形式为：

对于一个线性设计来说，Aij为常数；对于非线性设计来说，Aij是 DPs的函数。为了满足独立性公理的要求，设计矩阵必须满足特定的形式。从数学角度看，设计矩阵有三种：对角矩阵、三角矩阵和满矩阵。对于一个线性设计来说，按照设计矩阵不同形式，Suh教授将设计分为三种类型：非耦合设计、准耦合设计和耦合设计，即当设计矩阵是对角矩阵（图3（a））时，每一个功能需求可以用一个设计参数来满足，该设计为无耦合设计；当设计矩阵为三角矩阵（图3（b））时，设计参数必须按照一定的序列来确定才能保证功能需求的独立性，该设计为准耦合设计；如果设计矩阵为一般阵（图3（c）），设计为耦合设计，耦合设计不满足独立性公理，通常也不能保证设计系统符合规定要求，这不是理想设计。

图3 设计矩阵的类型

信息公理说明，在那些满足独立性公理的设计中，具有最小信息量的设计就是最好的设计。因为信息含量是由概率确定的，所以第二公理同时也说明了具有最高成功概率的设计是最佳设计。一个给定功能需求FRi 的信息含量Ii是由满足功能需求FRi的概率Pi定义的。

公理化设计除以上 2 个公理外，还有推理 8 个和定理 40 个。公理化设计的两个设计公理可以在设计过程中帮助设计者判断设计的合理性。公理化设计的应用会提高创造力，它要求通过建立功能需求和约束来清楚地形成设计目标。它提供好和坏的设计的判别准则，帮助尽可能地消灭坏的想法。使设计师集中精力于有指望的设计，同时公理化设计形成分解过程，使得从概念到设计形成一个系统的流程[7]。

4.3 国内外公理化设计研究和应用现状

自公理化设计理论提出以来，国内外众多学者在该领域进行了一系列的研究，在理论及应用方面得到了长足的发展。迄今，国内外学者围绕公理化设计理论开展了许多研究，并取得了一些成果。

在国外，1995年，Nam Pyo Suh 对机械设计系统和大型制造系统的公理化设计及实现技术进行了系统地论述[8][9]；2001年，Nam Pyo Suh 出版了专著《Axiomatic Design:Advances and Application》，系统地论述了公理化设计基本理论及在系统设计、软件设计、制造系统设计、材料及其加工工艺设计、产品设计等的应用[5]；Vigain H 等研究了基于公理化设计理论的产品设计决策支持系统，并给出了用于开发辅助公理化设计软件的方法[10]；Byungkeun M 等将公理化设计方法应用于技术传递系统设计中，详细描述了系统设计方法[11]；Guenov M D 等将信息公理和设计结构矩阵相结合，建立了复杂产品的分解模型，该矩阵能识别系统设计中潜在的设计冲突，使系统构架能判别各种被选方案的相容性[12]；Gabrele Arcidiacono 等以FIAT 汽车车门为对象，研究了公理化设计方法在产品可靠性设计中的应用[13]等等。

在国内，近些年来许多学者围绕公理化设计理论及应用也做了不少研究。陈晓川等运用公理化设计理论对优化设计、可靠性设计、鲁棒设计和DFX 方法进行了集成研究，提出利用公理化设计所提供的框架集成设计方法[14]；朱龙英等在公理化设计理论的基础上，建立了产品功能-结构层次模型和面向装配设计的产品信息模型[15]；王平等着重研究了公理化设计中信息公理及信息计算方法，建立了信息计算模型[16]；王冬生等应用公理化设计理论，给出了捷联式惯性导航系统的功能需求与设计参数间的映射与分解过程[17]；朱春燕等提出了基于公理化设计的产品模块划分方法，强调了对模块功能独立性的判断[18]；王琦等分析了公理化和模块化理论的原则、特征、作用及优点，得出二者结合指导下的设计流程，应用到服装面料实样库自动寻样系统设计中[19]；韩军等基于公理化设计理论对无人式微耕机造型进行创新设计和功能模块分区，通过信息公理对设计信息量进行筛选，简化设计内容，得到改进设计方案[20]；马丽娜等将经验性、概括性车架设计知识运用数学语言进行了描述，形成了一套完整的玉米收获机车架设计流程，为车架设计提供理论依据和方法支撑[21]等等。

尽管国内外学者在公理化设计理论及应用方面进行了大量的研究，但作为一种提出才二十多年的新型设计方法，人们对其理论及应用研究不可能一步到位。目前，国内外对公理化理论及应用在不少方面尚处于初步探索阶段。

5.中性笔产品结构分析

5.1 中性笔结构分析

5.1.1 中性笔的结构分类和主要零部件

中性笔适用的结构类型为插套式和揿动式。插套式是中性笔最常见的结构型式；另一种常见的中性笔结构型式为揿动式。

插套式按笔芯的固定方式可分为前定位插套式和后定位插套式。分别如图4、图5所示。前定位指的是，笔芯的固定在笔芯的前端（有笔头的那一端），一般是由尖套内孔的筋将笔芯的连接件（连接件最大外径处）压在笔杆前端螺纹的端面上。后定位指的是，笔芯的固定在笔芯的后端（没有笔头的那一端），一般是由笔杆或尾塞内孔的筋（或内孔的多角形）与油管外径过盈配合，夹住油管从而将笔芯固定。

图4 笔芯前定位插套式中性笔典型结构及零件

图5 笔芯后定位插套式中性笔典型结构及零件

同油墨圆珠笔相比，中性笔要求出墨量大，笔头间隙大，而且中性笔墨水为水性墨水，一般较油墨（油性墨水）的耐干性要差。在常温状况下，两种圆珠笔的脱帽时间比较，油墨圆珠笔的脱帽时间可以保持在两年左右，与整笔的保质期相当，而中性笔的脱帽时间一般在数天至3 个月之间不等。还有中性墨水黏度较油墨黏度低，且油管内孔较大，墨水较易产生倒流现象。所以插套式中性笔笔套内都装有橡胶的密封圈，盖上笔套后，密封圈将笔头密封住，防止笔头内墨水干枯，并防止空气从笔头进入笔芯内，进而产生倒流现象。笔头进入密封圈的深度具有一定的尺寸要求。而一般的油墨圆珠笔由于油墨黏度高，笔头间隙小而不需要密封圈。

另外，对于揿动式中性笔，如图6所示。为了防止笔头内墨水干枯和笔芯内墨水倒流，一般都采用弹簧笔头，且新的未使用的笔芯的笔头前端进行封蜡处理。弹簧笔头（如图7）指的是在笔头内部装有一根细小的弹簧，顶住球珠。书写时，由于书写力的作用，球珠同碗口分离形成墨水出墨间隙，书写力消除时，弹簧顶住球珠，并同碗口贴合，形成较好的密封。这样可以较长时间保持笔头内墨水不干，并可防止墨水倒流。

图6 揿动式中性笔典型结构及零件

图7 揿动式弹簧笔头结构图

中性笔芯的结构如图8、9所示。笔芯的零件特点及功能说明如表1。

图8 插套类中性笔芯

图9 揿动类中性笔芯

表1 中性笔芯零件特点及功能说明

图10 660 仿针管笔头

图11 670 子弹型笔头

图12 680 半针管笔头

图13 640 针管笔头

图14 651 仿针管笔头

5.1.2 中性笔功能结构分析

功能是设计过程中设计所要满足的最为重要的特性，功能分主要功能和次要功能：主要功能是实现产品使用价值必不可少的功能，必须无条件地满足，而次要功能与设计约束之间是可以协调的，即在满足约束条件的前提下，尽量满足要求[22]。

所谓产品的功能分析是在明确设计任务和主参数的基础上进行总功能分析，并进行功能分解。总功能体现设计任务的总目标，而功能分解是指将产品的总功能分解成较为简单的分功能或功能元（最基本的不宜再分的功能单元），从而使问题的复杂度降低，以利于产品功能的结构求解。

传统的功能分解方法只是在功能域里进行，由于功能是抽象事物，必须与具体的满足功能的原理和结构相结合，才能得到合理和定义完备的功能集合。因此，按照公理化设计的理论，应用了功能域—原理域—结构域的功能分解方法[23]。此方法以人的认识模型为基础，将功能分解转换为原理和结构的分解，符合人的思维活动。

图15 表示了域内部的结构以及域之间的关系，在功能域中，功能表示为功能树结构，叶节点表示不可再分的子功能，而原理域和结构域中存在相应的结构树，不同域的节点之间是多对多的关系。

图15 功能域 —原理域 —结构域关系图

原理域连接了功能域和结构域。进行功能分解时，同功能求解是密切联系的，需交错进行，而不是一次性完成映射。

对于笔来说，其最基本的功能是书写功能。但是要实现书写功能可以有多种方法，可以利用毛细原理带出书写介质（自来水笔等）、可以由固体物直接产生线迹（铅笔等），也可以运用球珠滚动带出书写介质（圆珠笔）等等。不同的原理要采取的下一步工作是不同的，即总功能分解的结果是不同的。随着功能的分解，设计人员在功能域、原理域和结构域之间不断来回切换，通常一个功能层次结构对应了多个原理层次结构和多个结构层次，最后形成功能与结构的映射。图16 是运用以上方法建立的中性笔功能原理结构树。对于中性笔是运用球珠滚动带出书写介质而形成书写线迹，是书写工具的一种。我们以插套式中性笔为例进行了功能原理结构分析。再根据功能原理结构树，分离出插套式中性笔的功能结构树（图17），并运用聚类分析的方法形成了后定位插套式中性笔的功能结构模块（图18）。

图18 后定位插套式中性笔的功能结构模块

5.2 中性笔公理化设计分析

5.2.1 中性笔公理化设计的必要性

1）公理化设计既可以用于新产品的开发设计，也可以对现有产品进行分析改进。在进行现有产品分析改进时，设计者根据用户需求、设计约束和现有产品的设计，进行设计目标分析，确定产品的组成部分来实现分解后不同的功能要求。中性笔是现有市场上的主流产品，但从市场的反应和技术上分析，还有许多需要改进的地方，利用公理化的理论和方法进行中性笔设计分析是十分有益的做法。

2）以往模块化设计呈现为横向系列的设计，对于系统高层功能要求的设计实现主要凭经验指导，其主要作用为针对底层设计参数而得出适用性强的各种模块。而公理化设计理论则更适用于纵向整体系统设计，使整个系统由上至下，由整体到局部都有据可依，从而指导设计者做出肯定且正确的决策，不再盲目地凭借个人经验进行设计。因此综合两种方法，进行取长补短。

3）运用公理化设计中的设计矩阵，便于确定各功能结构模块之间的相互关系，便于确定各模块设计的顺序和模块内部设计的先后相关性。

5.2.2 中性笔公理化设计功能结构分析

在5.1.2 节我们使用了公理化的原理，运用功能、原理、结构树的方法，对插套型中性笔进行了功能、结构分析。下面以后定位插套型中性笔为例，结合图18 模块化划分的结果，对整个功能、结构分解的过程进行分析。

1.第一级分解。对于中性笔来说，其总功能FR0为书写功能。对应的设计参数DP0为能执行书写功能的中性笔。为了进一步分解，将总功能FR0分解为：

FR1—形成书写线迹

FR2—便于手握书写

FR3—防护功能

对应的DPs 为：

DP1—中性笔芯

DP2—笔杆组件

DP3—笔套组件

设计矩阵：

成为解耦设计，可以满足独立公理的要求。

从中性笔的设计来分析，首先要满足书写性能要求的需要，包括书写的长度、出墨量、书写线迹的宽度、书写的流利性能等，所以中性笔设计首要的是进行笔芯的设计，这些设计要求来自于客户的需求和设计任务书，这些要求也决定了笔芯的规格，所以笔芯的设计是第一位的，是独立进行的。

其次是要进行中性笔便于手握书写功能的设计，要便于书写，包括了书写部件的可靠固定和使用时手握舒适，这一部分的设计主要是固定方式和手握部位的尺寸、形状和材质等，部分依赖于笔芯的结构和尺寸，同笔芯设计相关。

第三，对于中性笔来说，在未书写时笔头部位必须进行保护，一是防止笔头和球珠碰伤而使书写功能失效，二是防止笔头伤人，考虑人身安全，三是要将笔头密封，防止墨水干燥而堵塞笔头，以及防止空气从笔头前端进入笔芯而造成墨水倒流。这部分的设计依赖于笔芯的结构和笔杆组件的尺寸。

2.第二级分解。

（1）FR1形成书写线迹分解为：FR11储墨；FR12出墨；FR13连接。相对应的设计参数为：DP11储墨管；DP12笔头；DP13接头。

设计矩阵：

从设计矩阵可以发现，这样的设计并不能满足独立公理的要求，因为储墨量的设计，必须在选定一定出墨量笔头的规格前提下才能确定，所以需要解耦。经过分析，将FR11和FR12调整功能的次序可以满足独立公理的要求，调整后的功能分解为：FR11出墨；FR12储墨；FR13连接。相对应的设计参数为：DP11笔头；DP12储墨管；DP13接头。

设计矩阵：

满足独立公理的要求。

（2）FR2便于手握书写分解为：FR21手握功能；FR22书写部件固定相对应的设计参数为：DP21手握部件；DP22笔芯前后固定部件。

设计矩阵：

（3）FR3防护功能分解为：FR31保护；FR32防滚、便携；FR33密封。相对应的设计参数为：DP31笔套；DP32笔夹；DP33密封圈。

设计矩阵：

满足独立公理的要求。

3.第三级需要分解的是FR21和FR22。FR21手握功能分解为：FR211握持；FR212防滑。相对应的设计参数为：DP211笔杆；DP212防滑套。

设计矩阵：

满足独立公理的要求。

FR22书写部件固定分解为：FR221导向；FR222夹紧。相对应的设计参数为：DP221尖套；DP222尾塞。

设计矩阵：

满足独立公理的要求。

5.2.3 中性笔公理化设计顺序

从以上插套型中性笔的公理化设计分析可以发现，公理化分析的结果同模块划分的结果是一致的，整个插套型中性笔设计分为三大模块：笔芯模块、笔杆组件模块和笔套组件模块。公理化的分析进一步理清了产品设计的思路，明确了插套型中性笔的设计顺序，从5.2.2 级的层级分析，可以总结出插套型中性笔的设计顺序如图19所示。

图19 插套型中性笔设计顺序

通过对插套型中性笔功能和结构分析，运用了相关性理论进行了中性笔各功能部件的相关度分析，明确了插套型中性笔设计模块分为笔芯、笔杆组件、笔套组件模块，并应用公理化的设计矩阵对插套型中性笔进行了功能独立性分析，明确了中性笔公理化设计顺序。

6.中性笔公理化计算机辅助设计

6.1 中性笔公理化设计程序

按照公理化设计分析，中性笔的设计分为以下几个步骤进行：

6.1.1 笔芯设计

根据设计要求（来自于客户、标准和通用设计要求等），转化为笔芯设计参数。如客户要求书写长度400m 以上，为0.5mm 球珠的笔头，要求为插套型中性笔，笔头型号为670 型，出墨量为百米平均120mg等等。按照百米出墨量和书写长度的要求，可以确定油管的内孔和外径、长度等参数，这样就可以进行笔芯组件的设计。对于笔芯我们首先是进行型号、规格的选定（按一定的参数），如果现有的笔芯库中没有满足要求的笔芯，则要进行笔芯的设计，其先后顺序如图19所示。先为笔头型号的确定，再是油管设计，最后是接头设计，这样遵循我们对中性笔芯的公理化设计的分析结果。在零件设计中，按零件设计参数查询各零件库，可以找出相似零件进行参考和修改来完成新零件的设计，提高了设计速度和设计的可靠性。

6.1.2 笔杆组件设计

笔芯设计完成后，进入笔杆组件的设计。根据任务书对设计的要求，确定笔杆组件的设计参数和接口参数。如要求是前定位还是后定位，笔杆最大外径、装配和固定笔芯的相应尺寸、是否需要防滑套等信息，从现有的笔杆组件模块库进行搜索选用。如没有符合要求的模块可以使用，则可以按笔杆模块的设计顺序进行笔杆模块的新设计。先笔杆，后尖套、尾塞，最后进行防滑套的设计（如图19）。并可以按零件的设计参数进行零件库的查询，用现有零件进行设计更改。

6.1.3 笔套组件设计

完成笔芯和笔杆组件的设计后，按同样的程序进行笔套组件的选用和设计。先按照笔套组件的设计参数和接口参数，从现有的笔套组件模块库进行搜索选用。如没有符合要求的模块可以使用，则可以按笔套模块的设计顺序进行笔套模块的新设计。先笔套，后笔夹、密封圈（如图19）。并可以按零件的设计参数进行零件库的查询，使用现有的零件或用现有零件进行设计更改。

6.1.4 成品装配和分析

各个部件设计完成后，最后进入成品的装配和分析。按照先部件、后成品的次序，先将各个组件模块装配完成，后将各组件模块装配成成品。装配完成后要进行成品设计要求的校核，例如笔头密封深度、笔头外露尖套的长度、扣位的配合、笔套反插等。还要进行装配后是否干涉的校核等，如有问题，有必要进行设计修改和改善。

6.2 中性笔公理化计算机辅助设计的必要性

对于一个有经验的产品设计师，在多年的工作中会找到适合自己的一套设计方法，会使设计过程尽量科学和有效率。但公司内往往设计师较多，每个设计师的思路和方法不尽一致，而且形成的设计经验和资源也难以实现共享。所以有必要总结中性笔产品的设计经验，形成统一的、科学的设计方法，形成零部件设计零件库和模块库，并进行不断的更新和完善，实现设计资源的共享和零部件的共用，提高设计的效率和质量。所以中性笔公理化计算机辅助设计主要解决：

1）遵循公理化设计要求，明确和规范设计顺序。部件设计要有一定的独立性，减少设计耦合，降低设计更改的频率。

2）推行模块化设计思想，提高模块、零部件的设计重用性，降低新产品的制造成本。

3）提高设计质量，提高设计可靠性和设计效率。

6.3 中性笔公理化计算机辅助设计平台

中性笔公理化计算机辅助设计总体设计思路是，体现公理化设计程序，以模块设计为主线，可以自定义查询和调用零部件库，实现中性笔的高效设计。辅助设计系统是在UG 二次开发的基础上，应用VC++和数据库软件实现UG 和数据库之间的数据访问。使用VC++，用户可以利用其开发环境封装的类，并通过建立实例或继承来使用这些程序代码，从而大大减少程序开发的时间。设计的对话框界面更为容易，修改和调试更为方便。

UG 运行后菜单中设计了“中性笔设计”的下拉式菜单，按要求选择子菜单进入设计，如图20。

图20 中性笔设计菜单

设计实例部分设计界面如图21：

图21 中性笔设计部分界面

7.总结与展望

7.1 总结

中性笔产品是当前及今后较长一段时间市场上书写工具的主流产品，随着市场竞争的加剧，中性笔产品的品种不断更新，开发速度不断加快。为此，各个公司都运用现有的造型、平面设计软件进行中性笔的外形、表面处理设计，加强中性笔的开发。但从总体来看，缺乏有序和科学的研究。文章对中性笔产品进行深入研究的基础上，运用公理化设计理论，从中性笔的功能分析、结构类型、模块划分、设计程序等各方面进行了探讨，取得了以下成果：

1、结合公理化理论和模块化思想，对中性笔进行了功能分析，并运用了功能—原理—结构的方法，进行了功能分解，更加符合人们的逻辑思维过程，不同于一般的功能—结构分解方法。

2、对插套型中性笔进行了各功能部件的功能、结构相关性分析，进行了模块划分，提出了笔芯、笔杆、笔套各模块的分类方法，为中性笔模块化设计奠定了基础。

3、运用公理化设计理论，进行中性笔各模块设计的独立性分析，确定了插套型中性笔的设计程序，为中性笔科学快速设计确立了科学基础。

4、运用三维设计、面向对象和数据库软件进行了中性笔公理化设计平台的开发。

7.2 展望

虽然研究取得了一定成果，但是由于时间和水平的限制，本课题今后还有许多有待完善和改进之处：

1、中性笔产品的公理化设计是一个需要深入研究的课题，对产品的模块化改造需要进一步的细化、补充，特别是揿动型中性笔的公理化设计研究需进一步探讨。

2、中性笔设计中需要市场人员和造型、结构、平面设计师的通力合作，如何将公理化设计推广到产品的整个设计过程，进而推广到制造过程，是我们需要进一步研究的课题。

3、关于中性笔设计平台的开发，需要进一步研究，理想的状况是多设计软件共享、协作的平台，才能发挥更好的作用。