第1章 緒論

1.1 機械產品創新設計的發展現狀及趨勢

1.1.1 機械產品創新設計的研究現狀

1.機械產品創新設計的概念

機械產品創新設計是指充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術成果（原理、方法、技術等），進行創新構思，應用新技術、新原理、新方法進行產品的分析和設計，設計出具有新穎性、創造性及實用性的機構或機械產品的一種實踐活動。機械產品創新設計的目標是由所要求機械的功能出發，改進、完善現有機械或創造發明新機械實現預期的功能，并使其具有良好的工作品質及經濟性。

2.機械產品創新設計過程

對于機械產品設計過程的理解不同，從本質上說是因為對設計的內涵有不同的認識和對設計的理論有不同的理解。國內外學者對機械產品設計過程有多種不同的論述，歸納起來主要有以下幾種：Pahl和Beitz認為機械產品設計過程分為明確任務、概念設計、技術設計和施工設計4個階段；Koller認為機械產品設計分為產品規劃、功能設計、定性設計和定量設計4個階段；鄒慧君教授認為機械產品設計分為產品規劃、方案設計、詳細設計和改進設計4個階段。

機械產品創新設計活動包括兩部分內容：一是改進完善生產或生活中現有機械產品的技術性、可靠性、經濟性、適用性等；二是創造設計出新機器、新產品，以滿足新的生產或生活的需要。創造發明是人類由來已久的活動，而最早的方法是試錯法，即不斷選擇各種解決方案來解決問題。選擇各種可能的解決方案時一開始很長時間內都是單憑猜想的，但隨著時間的推移，人們逐漸積累了大量發明創造經驗和有關物質特性的知識。

在機械產品創新設計過程中存在物理沖突和技術沖突，從而使設計過程成為具有創新性特征的問題解決過程。而創新設計從最通俗的意義上講就是創造性地發現問題并解決問題的過程，TRIZ的強大作用正在于它提供了系統的理論和方法。TRIZ在機械產品創新設計中的應用主要在機械產品的概念設計中，其對于沖突的解決是創新的關鍵。

3.概念設計

創新設計的核心是概念設計，而概念設計的核心是進行創新。

Pahl和Beitz于1984年在“Engineering Design”一書中提出了概念設計這一名詞，并認為概念設計是在原理方面確定一個解。

通常將概念設計定義為：根據產品生命周期各個階段的要求，進行產品功能創造、功能分解及功能和子功能的結構設計；進行滿足功能和結構要求的工作原理求解和實現功能結構的工作原理求解，并且進行實現功能結構的工作原理載體方案的構思和系統化設計。

概念設計的重要性體現在兩個方面：概念設計階段在很大程度上決定著最終產品的性能、創造性、價格、市場響應速度和效率等；此外，據有關資料顯示，雖然概念設計階段實際投入的費用只占產品開發總成本的5%，卻決定了產品總成本的70%，而且詳細設計階段很難甚至不能糾正概念設計階段的設計缺陷和錯誤。

概念設計具有創新性、多樣性、層次性等方面的特點。在概念設計的過程中，要求設計人員掌握現代設計技術方法、先進制造技術、專業理論等方面的知識。機械產品的創新貫穿于產品設計的各個階段，而概念設計又是產品設計過程中最活躍、最富有創造性的設計階段，所以機械產品創新設計最主要的是在概念設計階段進行創新。

4.機械產品概念設計研究的關鍵技術及研究現狀

（1）概念設計本質過程的理論研究 Sturges等人以價值工程為基礎，采用邏輯分解法對產品功能進行劃分，通過定義功能之間的關系，使功能圖的語義更加完善；Hanburg提出了設計人員交互工作的問題和在不確定狀態下的決策技術；Bracewell提出了分層的信息結構，實現了計算機輔助的功能-載體映射；Umeda以人的認知模型為基礎，采用FBS（功能-行為-狀態）法將功能的分解轉化為行為描述的分解；Gorti等提出了一種從符號描述到形狀表達的映射方法，從功能關系導出設計目標之間的空間關系，求出這些空間關系的解并展示幾何形狀表達的進化；Wang對基于知識的面向概念設計的系統方法學進行了研究；Kotaetal提出的矩陣表示方法，是形成概念設計的一個可計算方法的基礎；檀潤華教授等將功率鍵圖和鍵合圖用于概念功能設計中；鄒慧君教授等從機械的運動機構設計角度進行了計算機輔助概念設計的研究；馮培恩教授等提出了基于設計目錄的原理方案選擇智能法；張根寶教授等提出了系統化的計算機輔助設計（SCAD）方法；謝進教授等對概念設計階段功能的“粒化”問題進行了相關的研究；黃克正教授等提出了功能表面的概念，并在此基礎上進行了概念設計自動化理論的研究。

（2）功能的表達和功能的分解與組合及殘缺幾何信息的表達 Qian等通過對FBS的表達，由交互方式產生創新方案；Umeda將設計知識表達為功能-行為-狀態的組合關系以產生創新方案；Chiou等提出了將機構歸納分類，構建機構矩陣，實現機構拓撲設計自動化的方法；Rinderle利用一種基于圖的語言，來描述整個設計及組成部分的行為準則；Neville和Joskowicz提出了一種用于描述定軸機構行為的語言；Kusiak和Szczerbicki利用樹模型來描述機械系統概念設計階段的功能需求，并用映射矩陣來表示需求和功能之間的轉換；Martin提出了基于對象的樹，用以描述金屬疲勞強度和裂紋；Yoshioka等用對象表示輪船設計中的實體和過程知識；Rao采用基于規則的示范技術解決球軸承設計中的更換問題；潘云鶴教授等研究了創新設計的思維方法和形狀方案設計的思維模型及計算機表達技術；孫正興教授等研究了特征設計方法在概念設計中的應用；周濟教授等人的研究主要集中在以實例為基礎上。

（3）設計過程中的方案求解技術 國外學者提出了發明創造的科學方法TRIZ；Lee、宋玉銀教授等將實例推理技術運用到概念設計過程中；Umeda將定性推理方法應用到概念設計中；鄧家褆教授等研究了Agent（代理）推理技術；馮培恩教授研究了復合功能原理方案設計特征模型及其求解過程；類比推理、規則推理也被應用到概念設計過程中。

（4）綜合運用概念設計理論與方法，構建概念設計過程的工具 Zhang等開發了基于知識的概念設計原型系統EFDEX；Gero等基于FBS框架開發了DSSUA系統，該系統采用原型表達方式；Campbell等采用Agent推理技術開發了A-design System來支持機電產品的創新；宋玉銀教授等開發了基于實例推理的概念設計原型系統；周濟教授等開發了實例模型的設計支持系統工具Case DEST，并在相控雷達的方案設計支持系統中應用；孔凡國等開發了機械系統方案創新設計智能支持系統MCIDISS；鄧家褆教授等發展了“三葉草（Clover）”設計自動化系統概念模型；黃克正教授等開發了基于功能表面分解重構方法的概念設計自動化系統DARFAD。

1.1.2 機械產品創新設計的理論與方法

1.國外創新設計理論與方法研究

美國的Jehnson R.C.較早從設計方法學的觀點總結機械創新設計的過程方法，將創新技術引入機械設計過程，并進行了大量的工業實例的創新設計；Nigel提出了創新設計過程的描述模型；蘇聯的發明家G.S.Altshuller基于專利分析，提出了TRIZ方法；日本的Akao提出了QFD（質量功能配置），建立了用戶要求與設計要求之間的關系；A.Osborn提出了頭腦風暴法；P.J.Lovett提出了基于知識工程（KBE）的設計方法等。

在知識表達和建模方面，人們借助人工智能（AI）技術和數據庫技術來推動概念設計的智能化。Adzhiev提出了面向代理的方法，有利于在并行設計環境下使各種設計變量保持高度一致性；Tabel.Bendiab應用基于實例推理和機器學習的技術學習設計實例并存儲起來；Li利用定性啟發式搜索方法，輔助機構的概念設計。

在基于計算機的設計環境方面，Twente建立了一個機電一體化產品的設計支撐環境，支持多模型狀態；Tomiyama利用大型數據庫建立了一個概念設計開發環境；Sharpe主持開發的環境著重于集成，同時利用了超媒體和超文本技術。

2.中國創新設計理論與方法研究

顏洪森教授提出了一種具有較強操作性的機械（機構）創新設計的程序；李學榮教授提出了機構創意設計；肖云龍教授對創新設計的基本特征、設計原理與創新方法學等做了系統的闡述；洪允楣教授提出了“機構組合變異法”；華大年教授等提出了“同性異性機構演化法”；潘云鶴教授等提出了基于空間探索的創造性設計方法；馮培恩教授等采用設計目錄法對復雜技術產品進行了智能優化；孫守遷教授等提出了基于組合原理的概念創新設計方法；鄒慧君教授等提出了機械產品方案創新設計的CAD（計算機輔助設計）方法和實現模型；王玉新教授等開發了智能化的計算機輔助機構創新設計軟件系統；檀潤華教授提出了技術進化驅動的產品概念設計宏觀過程模型，該模型既適用于新一代產品的概念創新，也適用于產品的改進設計；孔凡國教授將方案創新設計過程劃分為兩個主要階段，開發了機械方案創新設計智能支持系統（MCiDiss）；黃克正教授等基于功能表面的概念，開展了結構創新設計自動化的研究；謝友柏院士強調了知識的獲取及管理對于創新設計的意義；周濟教授等的研究主要集中在基于實例的基礎上，將研究成果應用于工程中的再設計問題及實例檢索與重用上，其側重點在結構設計上，開發了機翼結構方案智能設計系統；王靖濱等提出了基于FBS的產品創新設計模型；賈建援教授等針對機電產品創新設計進行了研究；徐志剛教授等構建了基于廣義映射原理支持產品創新設計自動化的軟件原型系統；鄧家褆教授發展了一個名為“三葉草（Clover）”的設計自動化系統概念模型，目標是建立支持產品創新設計的新一代設計自動化技術系統等。

3.基于TRIZ的計算機輔助創新設計

計算機輔助創新（Computer Aided Innovation，CAI）是以近年來在歐美國家迅速發展的發明問題解決理論（TRIZ）研究為基礎，結合本體論（Ontology）、現代設計方法學、計算機軟件技術等多領域科學知識，綜合而成的創新技術。CAI可輔助設計者有效地利用多學科領域的知識和前人已有的研究成果，結構化地分析問題，并充分調動已有知識，創造性的幫助設計者提出和解決發明問題，可以在產品的概念設計、技術設計及工藝設計階段幫助設計者解決發明問題。CAI與CAD、CAM（計算機輔助制造）、CAPP（計算機輔助工藝過程設計）一起構成新產品開發必不可少的軟件工具。

在歐美，以TRIZ為核心原理開發的計算機輔助創新軟件已經成為主流，如Invention Machine公司的Goldfire、Ideation International公司的Innovation WorkBench（IWB）、德國TriSolver公司的TriSolver、比利時CREAX公司的CREAX Innovation Suite等。

在國內，河北工業大學譚潤華教授團隊研發的Invention Tool 3.0是國內一款基于TRIZ的軟件，該軟件將TRIZ中的技術進化理論、沖突解決理論、效應與質量功能布置（Quality function deployment，QFD）、公理設計（Axiomatic Design）集成，能夠實現對產品當前的結構狀態的分析，預測未來發展的可能狀態，為新產品開發提供原始設想；上海交通大學的鄒慧君教授等人自1989年開始進行機械運動方案設計專家系統的研究，結合機械產品概念設計開展了較為系統的研究，他們以機械運動系統作為概念設計的對象，用組合分類法對機構分類，建立相應的存儲和編碼規則，以二元邏輯推理與模糊綜合評價相結合的方法建立推理機制，得出可行方案解，開發了“機構系統方案設計專家系統”；天津大學的王玉新教授在2001年提出了三維平臺的復雜機械系統創新設計自動化理論體系，并構建了相應的自動化平臺，實現了復雜機械系統自創新性方案的創成到運動分析、結構設計、布局設計，以及三維虛擬仿真等的設計過程；孔凡國教授將方案創新設計過程劃分為兩個主要階段：基于實例功能推理的原始機械方案生成階段和基于結構推理的方案創新設計階段，開發了機械方案創新設計智能支持系統（MCIDISS）。在這個基礎上，他們還提出了功能-行為-結構的概念設計模型和基于樣體知識表達和推理相結合的方法，使領域知識和基礎知識相互融合，以便產生多層次的創新解。本書作者在《基于TRIZ的印刷機械創新設計理論和方法》一書中首次提出了基于TRIZ的CAI技術與CAD相結合的機械創新設計思想，并開發了以TRIZ理論為基礎的印刷機械創新設計平臺，填補了國內基于TRIZ的CAI技術與CAD相結合的研究的空白。

從國內外相關軟件來看，均是以創新理論為基礎，結合現代設計方法、計算機技術及本領域的知識，輔助設計人員在產品的概念設計階段進行創新，高質量、高效率地提出可行的創新設計方案。這些軟件的共同特點都是以豐富的創新知識庫為支撐，利用計算機存儲信息量大、計算速度快、穩定可靠的優點，消除創新設計過程中人為的偶然性和片面性，因此用它們來解決產品的技術問題和進行創新比傳統的方法更為有效。

1.1.3 機械產品創新設計存在的問題及研究趨勢

通過上述文獻的研究可以看出，建立設計目錄、實例或原型知識庫，然后通過某些思維方法得到產品的概念解，是目前機械產品概念設計研究和應用的常用技術路線。經過數十年研究，人們取得了一些機械產品創新設計成果，但仍然存在一些問題沒有解決，應將其作為重點研究方向和關注對象。

（1）創新設計本質過程的研究 人們從思維方式或者設計方法等多個角度對創新進行探索之后，仍沒有一個被所有人接受的較深層次的關于創新設計本質的認識，因而無法形成完整的理論來指導創新實踐。

（2）創新設計中知識的表達與應用 創新設計是多學科、多種技術的綜合，怎樣將創新設計過程的知識進行組織管理，滿足設計主體對知識的需求，解決從需求到功能再到結構的映射機制是今后的研究重點。

如何使概念設計充分地表現出創新性并且更加符合設計者的設計習慣，如何為創新設計過程建立科學的產品模型，并結合CAI快速地表達創新方案，實現概念設計與詳細設計階段的集成，提高設計效率，實現創新設計自動化，仍是目前機械產品概念設計研究的難點和方向，尚有待于國內外學者研究。