2.1 概述

在20世紀80年代以前，設計研究主要集中在細節設計、優化、可靠性、計算機輔助設計繪圖等領域，而現代設計理論與方法的中心已經轉移，主要是從戰略上研究設計進程的實施和各個階段戰術的運用，是從設計頂層開始研究設計規律和設計思維方法，以思維科學、設計理論和系統工程學為基礎，以方法論為手段，以計算機為工具的一個集成系統，其目的是運用科學的思維來防止或最大可能地減少設計中的失誤，利用大量高質量的專家知識和一種具有表達充分、便于推理和維護、易于理解的知識，來設計具有一個性能優良的結構模塊。就目前而言，包裝機械的概念設計主要側重于機械產品概念設計方法學、設計模型與推理問題。

2.1.1 概念設計的內涵

自從Pahl&Beitz于1984年在其《Engineering Design》一書中提出概念設計這一名詞以來，人們已經對概念設計進行了多年的研究。將概念設計定義為：“在確定任務之后，通過抽象化，擬定功能結構，尋求適當的作用原理及其組合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設計工作叫作概念設計。”

Frence在其書中也為概念設計下了一個定義：“概念設計首先是要弄清設計要求和條件，然后生成框架式的廣泛意義上的解……它需要工程科學、專業知識、產品加工方法和商業運作知識等各方面知識相互融合在一起，以做出一個產品全生命周期內最為重要的決策。在這里“框架式的解”是指設計問題的一個輪廓，每個主要的功能都可以對應于其上，通過原理部件間的空間或結構上的關系，使它們有機地結合起來。從這個框架中得到產品大致的成本、重量或總體尺寸，以及在目前的環境下的可行性等……”

由此看來，包裝機械的概念設計不能簡單地等同于過去理解的方案設計，概念設計的內涵是十分廣泛和深刻的，因此，要想全面了解包裝機械的概念設計，首先必須了解概念設計的本質。

2.1.2 概念設計的本質

概念設計的本質主要有創新性、系統性、多樣性、層次性、智能性和人本性6方面。

2.1.2.1 創新性

創新是概念設計的靈魂，只有創新才有可能得到結構新穎、性能優良、價格低廉、富有競爭力的包裝機械產品。這里的創新可以是多層次的，如從結構修改、結構替換的低層次創新工作到工作原理更換、功能修改和增加等高層次的創新活動都屬于概念設計的范疇。

在概念設計階段，產品各要素處于一種抽象、模糊的離散狀態，這種狀態既導致了設計的復雜性，同時也導致了產品的可塑性，給設計師提供了一個廣闊的設計思維空間，而到設計后期或制造階段，則要考慮到各種客觀情形如產品的材料、工藝、成本等，從而大大約束了創意思維的發揮，使得產品的創新難以得到體現，因而概念設計階段是產品創新最為集中的一個階段。概念設計中的產品創新歸結為功能修改與增加、原理置換、布局、形狀以及結構修改與更換5個方面，其中功能創新是整個設計過程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以實現該產品功能的各種可能方案并進行優選，其關鍵是如何進行產品的功能分解，并將一定功能的零部件組合來創建新產品。

（1）功能創新。

功能創新主要依賴于市場需求的分析結果。在傳統的設計過程中，主要靠人工來完成，隨著信息技術的進一步發展，特別是數據庫、信息管理、人工智能等技術的深入應用，最終必將使計算機在輔助產品功能創新中發揮其巨大的作用。

（2）原理創新。

一般是從產品的功能要求出發，通過技術分析，尋求產品創新的過程。這種方法主要是把復雜的設計要求通過功能關系的分析抽象為簡單的模式，以便尋求能滿足設計對象主要功能關系的原理方案。傳統上，常用簡圖或示意圖來表示所構思的內容。而計算機輔助的原理創新工具則有形態學、協同學的求解工具以及基于原型、事例等的聯想類比求解工具等。這些工具的實現很大程度上依賴于網絡化設計、協同化設計以及智能設計等領域的進展程度。

（3）布局創新。

布局創新主要是指首先對整個產品按功能進行分解或組合，劃分成若干個組件單元，然后通過產品布局的空間排列、配置方式和尺度變化三要素的改變來實現產品創新的過程。由于布局三要素可用數學表達式進行形式化描述，因而完全可以通過在數學模型的支持下實現計算機輔助的產品布局創新。

（4）形狀創新。

形狀創新主要是指對經過原理方案實體化后的初始產品形狀，在遵循基本的形狀法則的基礎上，通過對形狀變換操作來實現產品創新的過程。其中變換操作包括了變異、置換、替代、組合等。形狀創新的操作機制與傳統特征模型中的特征操作以及變量模型中的變量操作存在著一定的相似性。

（5）結構創新。

由于在詳細設計的結構設計中，受到各種約束，因此產品結構上的創新已難以體現。本處的結構創新主要是指概念設計后期對方案進行初步結構化時的產品創新過程。這一過程是從產品結構的角度出發，對構成產品的各個部件進行初步結構化，以達到與后續設計的銜接，力求在結構上的創新。

2.1.2.2 系統性

將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。

2.1.2.3 多樣性

概念設計的多樣性主要體現在其設計路徑和設計結果的多樣化上。不同的功能定義、功能分解和工作原理等會產生完全不同的設計思路和設計方法，從而在功能載體的設計上產生完全不同的解決方案。

2.1.2.4 層次性

概念設計的層次性體現在兩方面。一方面，概念設計分別作用于功能層和載體結構層，并完成由功能層向結構層的映射。如功能定義、功能分解作用于功能層，而結構修改、結構變異則作用于結構層，只有通過映射關系才能將兩層有機地連接起來。另一方面，在功能層和結構層中也有自身的層次關系。例如功能分解就是將功能從一個層次向下一層次推進。功能的層次性也就決定了結構的層次性，不同層次的功能對應不同層次的結構。

2.1.2.5 智能性

概念設計的最高境界是實現概念設計過程的智能性，它是概念設計發展的必然趨勢。智能概念設計的目的是利用計算機全部或部分地替代設計人員從事設計的分析和綜合過程，在計算機上再現設計者的創造性設計過程。

2.1.2.6 人本性

“以人為本，為人所用”的理念作為本世紀包裝機械設計與選用人本論的核心。“以人為本，為人所用”的“人”分為兩個概念：設計師和使用者。

所以，包裝機械在產品概念設計階段需充分體現其概念設計的本質，這樣提出的設計方案才有適時性與先進性。為更好地表達概念設計過程，下面對包裝機械概念設計的前后環節進行表述。