《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》課件第17章

第17章現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)17.1概述

17.2設(shè)計(jì)方法學(xué)

17.3產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

17.4反求工程設(shè)計(jì)

17.5虛擬設(shè)計(jì)

17.6綠色設(shè)計(jì)

17.7現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)思考與練習(xí)題

17.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵與特點(diǎn)

所謂設(shè)計(jì)，是將用戶(hù)的需求經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維、規(guī)劃和決策，最終形成可應(yīng)用于制造的各種信息。工程設(shè)計(jì)包括產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等內(nèi)容。工程設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、價(jià)格甚至交貨期都有著極其重要的影響。17.1概述現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是指以滿(mǎn)足產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、成本/價(jià)格綜合效益最優(yōu)化為目的，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為主體，以知識(shí)為依托，以多種科學(xué)技術(shù)方法為手段，研究、改進(jìn)、創(chuàng)造產(chǎn)品活動(dòng)過(guò)程中所用到的技術(shù)群體的總稱(chēng)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承、延伸和發(fā)展，并且正向集成化、智能化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、微型化和生態(tài)化方向發(fā)展，逐步成為相對(duì)獨(dú)立、平臺(tái)共享的智力產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

1．社會(huì)性與環(huán)保性

在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)的范疇在不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)只局限于產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)，由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中較為注重產(chǎn)品的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性，而很少考慮產(chǎn)品的社會(huì)性問(wèn)題。而現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)則是將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行拓展，向前擴(kuò)展到用戶(hù)需求分析、產(chǎn)品規(guī)劃等；向后擴(kuò)展到加工工藝設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計(jì)、加工工藝設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)形成一個(gè)有機(jī)整體。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)考慮到運(yùn)輸、銷(xiāo)售、回收以及質(zhì)量等因素，將產(chǎn)品從概念形成到報(bào)廢處理的全生命周期中的所有問(wèn)題，都以面向社會(huì)、面向市場(chǎng)為指導(dǎo)思想進(jìn)行全方位考慮。此外，現(xiàn)代設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)用戶(hù)參與設(shè)計(jì)過(guò)程，只有這樣形成的產(chǎn)品才能準(zhǔn)確反映用戶(hù)的要求，取得用戶(hù)的最大滿(mǎn)意。同時(shí)重視環(huán)保的設(shè)計(jì)也必將成為工程設(shè)計(jì)的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。產(chǎn)品的環(huán)保設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出綠色產(chǎn)品，要求生產(chǎn)產(chǎn)品、使用產(chǎn)品過(guò)程中的各種污染都要盡可能少，使其對(duì)人體和環(huán)境的危害降低到最低程度。

2．設(shè)計(jì)并行化與設(shè)計(jì)、制造一體化

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程一般采用的是串行工作方式，各項(xiàng)設(shè)計(jì)工作環(huán)節(jié)都按一定順序逐步完成。這種開(kāi)發(fā)模式的弊端在于：除了在設(shè)計(jì)后期或制造階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)再提出產(chǎn)品修改意見(jiàn)外，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的各階段不存在經(jīng)常性的信息交流，開(kāi)發(fā)人員按要求完成本職工作后將設(shè)計(jì)結(jié)果交給下一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，當(dāng)本環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)才將問(wèn)題轉(zhuǎn)給上面的環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)和制造的一體化和并行化，強(qiáng)調(diào)從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息到制造信息的順暢傳遞和快速“短”反饋，要求設(shè)計(jì)和制造各環(huán)節(jié)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各部門(mén)之間形成數(shù)據(jù)信息資源共享，從而減少設(shè)計(jì)制造過(guò)程中各環(huán)節(jié)之間的制約、修改和反復(fù)，使企業(yè)降低設(shè)計(jì)、試制等成本，縮短研發(fā)周期，率先占領(lǐng)市場(chǎng)。另外，隨著產(chǎn)品高科技含量的日益增大，單靠一家工廠(chǎng)在一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的模式已越來(lái)越來(lái)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的要求。只有集中不同地點(diǎn)、不同行業(yè)的專(zhuān)家，按并行化設(shè)計(jì)思想共同參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能獲得最大的效益。

3．計(jì)算機(jī)化與智能化

現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、三維建模、設(shè)計(jì)過(guò)程管理、設(shè)計(jì)制造一體化、仿真和虛擬制造等環(huán)節(jié)，特別是在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)方面。在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中，還可以借助人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)，由計(jì)算機(jī)模仿人的智能活動(dòng)，設(shè)計(jì)出高智能化的產(chǎn)品。

4．動(dòng)態(tài)化和最優(yōu)化

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以靜態(tài)少變量分析為主，將載荷、應(yīng)力等因素集中處理，設(shè)計(jì)產(chǎn)品所采用的安全系數(shù)與實(shí)際工況相差較遠(yuǎn)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)在靜態(tài)分析基礎(chǔ)上，考慮載荷譜、負(fù)載率等隨機(jī)變量，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)多變量?jī)?yōu)化處理，尋求最優(yōu)化的解決方案和設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)還考慮載荷和應(yīng)力的分布特性，利用有限元等功能強(qiáng)大的分析工具，準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)的真實(shí)工作情況，以得到符合實(shí)際情況的最佳解?，F(xiàn)代工程設(shè)計(jì)還經(jīng)常根據(jù)概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，針對(duì)載荷、應(yīng)力等因素的離散性，用多種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

5．系統(tǒng)性與綜合性

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比的設(shè)計(jì)方法，而現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)采用較多的是邏輯的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。如以“功能—原理—結(jié)構(gòu)”框架為模型的橫向變異和縱向綜合，用計(jì)算機(jī)構(gòu)造多種方案，評(píng)價(jià)出其中的最優(yōu)方案?，F(xiàn)代工程設(shè)計(jì)是建立在系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程的基礎(chǔ)之上，綜合運(yùn)用信息論、優(yōu)化論、相似論、模糊論、可靠性理論等自然科學(xué)理論，以及價(jià)值工程、決策論、預(yù)測(cè)論等社會(huì)科學(xué)理論，同時(shí)采用集合、矩陣、圖論等數(shù)學(xué)工具和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，綜合設(shè)計(jì)規(guī)律，提供多種解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的科學(xué)途徑。

6．宜人性

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往過(guò)于強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的物質(zhì)功能，而忽視或不能全面考慮產(chǎn)品的精神功能。主要是通過(guò)訓(xùn)練用戶(hù)來(lái)適應(yīng)機(jī)器的要求。現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的實(shí)用性、外觀(guān)質(zhì)量的美觀(guān)性、藝術(shù)性、宜人性。在優(yōu)先保證產(chǎn)品物質(zhì)功能的前提下，能為用戶(hù)提供新穎舒暢、愉快、興奮等精神功能。并從人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)功能分析、界面安排和系統(tǒng)綜合，考慮滿(mǎn)足“人—機(jī)—環(huán)境”等的協(xié)調(diào)關(guān)系，設(shè)計(jì)出更加符合用戶(hù)個(gè)性化需求的產(chǎn)品。

7．質(zhì)量控制

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是產(chǎn)品制造的前一個(gè)環(huán)節(jié)，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在產(chǎn)品質(zhì)量事故中，約有50%是由于不良設(shè)計(jì)所造成的。所以，現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)特別重視設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量控制活動(dòng)。17.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的體系

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容廣泛，分支學(xué)科繁多，其主要由基礎(chǔ)技術(shù)、主體技術(shù)、支撐技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)四個(gè)層次構(gòu)成。

(1)基礎(chǔ)技術(shù)。主要是指?jìng)鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法，特別是運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、工程數(shù)學(xué)的基本原理與方法等方面。它不僅為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的源泉。

(2)主體技術(shù)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)、相輔相成。沒(méi)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、智能CAD、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設(shè)計(jì)和工程數(shù)據(jù)庫(kù)等)，便沒(méi)有現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)；另一方面，沒(méi)有其他現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)的多種理論與方法，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也會(huì)大大受到限制，因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)需要運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)等理論構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型，來(lái)編制“智力”。因此，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)正以它對(duì)數(shù)值計(jì)算和對(duì)信息的獨(dú)特處理能力，成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)群體的主干。

(3)支撐技術(shù)。無(wú)論是對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的描述，還是對(duì)設(shè)計(jì)信息的處理、加工、推理、映射及驗(yàn)證，都離不開(kāi)設(shè)計(jì)方法學(xué)、產(chǎn)品的可信性設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)所提供的多種理論、方法及手段的支撐。其中，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)涉及的內(nèi)容很廣，如并行設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、價(jià)值工程、質(zhì)量工程、質(zhì)量功能配置、反求工程、綠色設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等?？尚判栽O(shè)計(jì)技術(shù)可以看作廣義可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容的擴(kuò)展，主要指可靠性與安全性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)、防斷裂設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、耐腐蝕性設(shè)計(jì)、減摩和耐摩損設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)、人機(jī)工程設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)不僅指通常的產(chǎn)品性能試驗(yàn)，還應(yīng)包括可靠性試驗(yàn)、環(huán)保性能試驗(yàn)與控制，以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字仿真試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)等。因此，設(shè)計(jì)方法學(xué)、可信性設(shè)計(jì)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)所包含的種種內(nèi)容，可視為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)群的支撐技術(shù)。

(4)應(yīng)用技術(shù)。是針對(duì)以實(shí)用為目的解決各類(lèi)具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)。如機(jī)床、汽車(chē)、工程機(jī)械、精密機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計(jì)內(nèi)容，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)派生的豐富多彩的具體技術(shù)群。

設(shè)計(jì)方法學(xué)是以系統(tǒng)論的觀(guān)點(diǎn)研究產(chǎn)品的設(shè)計(jì)程序、設(shè)計(jì)規(guī)律和設(shè)計(jì)中的思維與工作方法的一門(mén)綜合性科學(xué)。系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程、價(jià)值工程、優(yōu)化理論、相似理論、決策學(xué)和預(yù)測(cè)學(xué)等是它的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)方法學(xué)研究的目的在于總結(jié)設(shè)計(jì)的規(guī)律性，啟發(fā)、指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)工作。17.2設(shè)計(jì)方法學(xué)17.2.1工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容

工程設(shè)計(jì)一般包括產(chǎn)品規(guī)劃、原理方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)四項(xiàng)內(nèi)容。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，這四項(xiàng)內(nèi)容是分階段按順序進(jìn)行的。在并行設(shè)計(jì)過(guò)程中，這四項(xiàng)內(nèi)容則是重疊、交叉進(jìn)行的。

1.產(chǎn)品規(guī)劃

產(chǎn)品規(guī)劃的任務(wù)是對(duì)待開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的用戶(hù)需求進(jìn)行需求分析、市場(chǎng)調(diào)研與預(yù)測(cè)、可行性分析，確定設(shè)計(jì)參數(shù)和制約條件，最終得出詳細(xì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。

2.方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它將決定產(chǎn)品的性能與成本，關(guān)系到產(chǎn)品的技術(shù)水平及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)質(zhì)上就是產(chǎn)品的功能原理設(shè)計(jì)。它是設(shè)計(jì)方法學(xué)研究的重點(diǎn)，利用系列化設(shè)計(jì)法在功能分析的基礎(chǔ)上通過(guò)創(chuàng)新構(gòu)思，優(yōu)化篩選，求取較理想的功能原理方案，列表給出原理參數(shù)，并作出產(chǎn)品的功能原理方案圖。

3.技術(shù)設(shè)計(jì)

技術(shù)設(shè)計(jì)是把新產(chǎn)品的最優(yōu)原理方案具體化。技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，按照“人—機(jī)—環(huán)境—社會(huì)”的合理要求，對(duì)產(chǎn)品各部件的位置、運(yùn)動(dòng)、控制等進(jìn)行總體布局。然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)和造型設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括零件材料的選擇、機(jī)械結(jié)構(gòu)的確定、零件幾何尺寸和配合尺寸的確定、配合公差的確定、加工工藝性能要求的確定等。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行尺寸參數(shù)和工藝參數(shù)的優(yōu)化，公差的配合和分析，可靠性設(shè)計(jì)，還要考慮產(chǎn)品的性能、加工、裝配等因素。盡可能節(jié)省材料，降低制造難度。造型設(shè)計(jì)包括美感、宜人性設(shè)計(jì)等。在技術(shù)設(shè)計(jì)的最后階段還要進(jìn)行模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)產(chǎn)品功能及零部件的強(qiáng)度、剛度、回轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)、噪聲等方面的性能，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)建議。模型試驗(yàn)可以采用實(shí)物試驗(yàn)的方式，也可采用模擬試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)等方式。目前階段，快速原型技術(shù)和計(jì)算機(jī)建模及仿真技術(shù)將是模型試驗(yàn)時(shí)采用的關(guān)鍵技術(shù)。17.2.2功能分析法

功能是指產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)的用途或所具有的特定工作能力，也就是產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)所具有的轉(zhuǎn)化能量、物質(zhì)和信息的特性。

功能分析法是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中尋求功能原理實(shí)現(xiàn)方案的主要方法。這種方法首先是將系統(tǒng)復(fù)雜的總功能通過(guò)分析轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的子功能單元，再求出每個(gè)子功能單元相應(yīng)的可行方案，然后進(jìn)行組合，從而得到系統(tǒng)的多種總方案，再對(duì)得到的方案進(jìn)行分析、比較、評(píng)價(jià)和選擇，最后得到最佳功能原理方案。功能分析法的設(shè)計(jì)步驟和各階段應(yīng)用的主要方法見(jiàn)圖17-1。

圖17-1功能分析法

1.總功能分析

總功能分析的目的是研究確定待求產(chǎn)品的功能。為了避免思路受到限制，分析產(chǎn)品的總功能時(shí)常采用“黑箱法”。這是根據(jù)產(chǎn)品的輸入和輸出關(guān)系來(lái)研究實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的一種方法。一般地說(shuō)，當(dāng)設(shè)計(jì)人員接到一項(xiàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，待設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是什么樣子是不清楚的，因此將待求產(chǎn)品的設(shè)計(jì)系統(tǒng)看作是一個(gè)具有未知數(shù)內(nèi)容的“黑箱”。該黑箱的輸入和輸出可從設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中找到。黑箱的輸入一般有三種形式，即物質(zhì)流M、能量流E和信息流S。這些輸入流經(jīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)處理后，傳遞、轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的輸出流M′、E′、S′。分析比較黑箱的輸入和輸出的能量流、物質(zhì)流和信息流，其性質(zhì)或狀態(tài)上的差別和關(guān)系就反映了所需設(shè)計(jì)產(chǎn)品的總功能。因此，可以從輸入和輸出的差別和關(guān)系的比較中找出實(shí)現(xiàn)功能的原理方案，從而揭開(kāi)黑箱，使之成為“白箱”，確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。圖17-2所示為一般黑箱示意圖。圖中方框內(nèi)部為待設(shè)計(jì)的技術(shù)系統(tǒng)(即產(chǎn)品)，方框即為系統(tǒng)邊界，通過(guò)系統(tǒng)的輸入和輸出，使系統(tǒng)和環(huán)境連接起來(lái)。

圖17-2黑箱示意圖

2.功能分解

一般工程系統(tǒng)都比較復(fù)雜，難以直接求得滿(mǎn)足總功能的系統(tǒng)解決方案。因此可按系統(tǒng)分解的原則進(jìn)行功能分解，再通過(guò)比較簡(jiǎn)單的功能單元進(jìn)行求解。

總功能可分解為：功能—二級(jí)分功能—…—功能單元，可以用樹(shù)狀的功能關(guān)系圖來(lái)表達(dá)。圖17-3所示為行走式挖掘機(jī)械的功能樹(shù)。

圖17-3行走式挖掘機(jī)械功能樹(shù)

3.求解功能單元

功能單元分析法中的功能單元一般分為：

(1)物理功能單元。它主要反映系統(tǒng)中能量、物質(zhì)、信息變化的基本物理作用。常用的基本物理功能單元有功能轉(zhuǎn)換類(lèi)、功能縮放類(lèi)、功能連接類(lèi)、功能傳導(dǎo)及離合類(lèi)、功能存放類(lèi)等。

(2)邏輯功能單元。它有“與”、“或”、“非”三種基本關(guān)系，主要用于功能的邏輯運(yùn)算和控制。

(3)數(shù)學(xué)功能單元。它有加減、乘除、乘方開(kāi)方、積分微分等四類(lèi)。

功能單元的求解方法有兩種：一種是參考有關(guān)資料或利用創(chuàng)造性方法開(kāi)闊思路去探尋解法，另一種是利用解法目錄來(lái)求解，即把能實(shí)現(xiàn)某種功能的各種原理和結(jié)構(gòu)綜合在一起形成一種表格或分類(lèi)資料。圖17-4所示為物理功能中的物料運(yùn)送解法目錄。建立各種類(lèi)型功能單元的解法目錄既便于設(shè)計(jì)人員作參考，也有利于存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

圖17-4物料運(yùn)送解法

圖17-4物料運(yùn)送解法

4．求系統(tǒng)原理解

將各功能單元解進(jìn)行合理組合，就可以得到系統(tǒng)的多個(gè)原理解。

對(duì)功能單元的解進(jìn)行組合時(shí)常采用形態(tài)綜合法，即將系統(tǒng)的功能單元列作為縱坐標(biāo)，各功能單元的相應(yīng)解列作為橫坐標(biāo)，構(gòu)成如表17-1所示的形態(tài)學(xué)矩陣。從每項(xiàng)功能單元中取出一種解進(jìn)行有機(jī)組合，即得到系統(tǒng)的一個(gè)原理解。如果有m個(gè)功能單元，第i個(gè)功能單元有n個(gè)功能單元解，則可能的原理解個(gè)數(shù)為

Ⅳ＝n1×n2×…×ni×…×nm

表17-1系統(tǒng)解的形態(tài)學(xué)矩陣?yán)?，我們列出如?7-2所示的行走式挖掘機(jī)的形態(tài)學(xué)矩陣后，則系統(tǒng)原理解的可能方案數(shù)為

Ⅳ＝6×5×4×4×4＝1920

如：A1＋B4＋C3＋D2＋E1為電動(dòng)履帶式挖掘機(jī)；A5＋B5＋C2＋D4＋E2為液壓輪胎式挖掘機(jī)；A5＋B5＋C3＋D4＋E4為液壓履帶式鏟掘機(jī)。

表17-2行走式挖掘機(jī)的形態(tài)學(xué)矩陣5．求最優(yōu)原理方案

在眾多方案中要選出最優(yōu)或最滿(mǎn)意的原理方案，一般需經(jīng)過(guò)方案比較，由粗到細(xì)，由定性到定量進(jìn)行優(yōu)選。首先需進(jìn)行粗篩選，將與設(shè)計(jì)要求不符或各功能單元解不相容的方案去除。例如行走式挖掘機(jī)，若動(dòng)力源為電動(dòng)機(jī)，則與液力耦合器、氣墊、液壓缸傳動(dòng)等功能單元解不相容，不能組成可實(shí)現(xiàn)的原理方案，必須去除。然后定性選擇幾個(gè)比較滿(mǎn)意的方案，再對(duì)篩選出的方案進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，最后選出符合設(shè)計(jì)要求的最佳方案。

功能分析法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)步驟明確，規(guī)律性強(qiáng)，有利于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

現(xiàn)代企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中能否生存和發(fā)展，主要取決于它所生產(chǎn)的產(chǎn)品能否得到市場(chǎng)的認(rèn)可，而產(chǎn)品能否得到認(rèn)可的重要因素之一就是該產(chǎn)品是否具有創(chuàng)新特性，其技術(shù)水平能否在同類(lèi)產(chǎn)品中占有優(yōu)勢(shì)。因此，技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)保持旺盛生命力的根本保證。在改造老產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的過(guò)程中，信息收集及創(chuàng)新定位是創(chuàng)新的首位工作，而創(chuàng)新的主體則是人。人的素質(zhì)以及發(fā)揮的程度決定了創(chuàng)新的速度和質(zhì)量。在產(chǎn)品創(chuàng)新階段，要采取激勵(lì)機(jī)制，增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的市場(chǎng)意識(shí)，發(fā)揮其創(chuàng)造性。17.3產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需要提出新的設(shè)計(jì)方案，探求不同于常規(guī)設(shè)計(jì)的新解法，這就要求學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮背景的影響，這種影響應(yīng)體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中。背景影響包括企業(yè)和組織的背景，引入包括社會(huì)的、政治的、經(jīng)濟(jì)的、文化的因素。同時(shí)要求學(xué)生掌握一些產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本原理和方法。17.3.1常規(guī)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)按其性質(zhì)可以分為常規(guī)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)就是以成熟技術(shù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，運(yùn)用常規(guī)方法進(jìn)行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)在工業(yè)中大量存在，并且是一種經(jīng)常性工作。而為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，就需要在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用新興的技術(shù)手段、技術(shù)原理和非常規(guī)設(shè)計(jì)方法，即就是所謂的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的就在于創(chuàng)造有社會(huì)價(jià)值的、新穎而獨(dú)特的產(chǎn)品。17.3.2創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特征與一般過(guò)程

創(chuàng)新設(shè)計(jì)作為人類(lèi)特有的能動(dòng)性表現(xiàn)，具有以下幾個(gè)特征：

(1)人為目的性。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，其主體是具有主觀(guān)能動(dòng)性的人，并且設(shè)計(jì)本身是一種有目的的活動(dòng)。

(2)新穎獨(dú)特性。創(chuàng)新設(shè)計(jì)不是單純的重復(fù)和模仿，而是在自己、前人或他人已獲得的結(jié)果基礎(chǔ)上的新擴(kuò)展，新開(kāi)拓。它所追求的是新穎、獨(dú)特和非重復(fù)性的結(jié)果。

(3)社會(huì)價(jià)值性。創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須體現(xiàn)出一定的價(jià)值。創(chuàng)新成果的價(jià)值可以是多方面的，包括學(xué)術(shù)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、美學(xué)價(jià)值等等，并且這些價(jià)值對(duì)社會(huì)進(jìn)步都具有積極意義。

(4)探索性。創(chuàng)新設(shè)計(jì)通常是在理論知識(shí)、技術(shù)手段、設(shè)計(jì)制造方法等不甚充分的條件下進(jìn)行的設(shè)計(jì)活動(dòng)，具有一定的探索性。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一般過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段：

(1)準(zhǔn)備階段。這個(gè)階段包括提出問(wèn)題，明確創(chuàng)新目標(biāo)，搜集資料，進(jìn)行科學(xué)分析。

(2)醞釀階段。這個(gè)階段主要通過(guò)思考與試驗(yàn)，對(duì)問(wèn)題做各種試探性解決，尋找滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目的要求的技術(shù)原理，對(duì)各種可能的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行構(gòu)思和嘗試驗(yàn)證。常常需要對(duì)這些設(shè)計(jì)方案加以變換、分解、組合。如果原有的技術(shù)原理不能解決問(wèn)題，還必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)和理論分析探索新的原理，或?qū)⒁延械目茖W(xué)理論開(kāi)發(fā)成新的技術(shù)原理。一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

(3)明朗階段。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的醞釀、潛伏的或不同尋常的觀(guān)念和辦法，有時(shí)使問(wèn)題的解決一下子豁然開(kāi)朗，這種現(xiàn)象叫做“頓悟”。創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作中“頓悟”的出現(xiàn)往往是受到偶然因素的啟發(fā)而產(chǎn)生的，有時(shí)則是以靈感的形式閃現(xiàn)出來(lái)的。

(4)驗(yàn)證階段。此階段主要是對(duì)各種新想法進(jìn)行檢驗(yàn)和證明，并完善創(chuàng)新成果。上述四個(gè)階段是創(chuàng)造過(guò)程的一般進(jìn)程。美國(guó)“新產(chǎn)品和過(guò)程發(fā)展組織與管理協(xié)會(huì)”的顧問(wèn)G．F先生提出，發(fā)明創(chuàng)造過(guò)程可歸納為以下七個(gè)步驟：

(1)意念：發(fā)明創(chuàng)造始于意念。

(2)概念報(bào)告：包括意念之間的聯(lián)系及制約關(guān)系和把意念轉(zhuǎn)變成實(shí)際方案的途徑。

(3)可行模型：是對(duì)概念是否可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究的一個(gè)必要步驟。

(4)工程模型：展示概念能否實(shí)現(xiàn)其功能的一個(gè)重要步驟。

(5)可見(jiàn)模型：從工程模型演變成可見(jiàn)模型的一個(gè)階段。

(6)樣品模型：它不是由發(fā)明創(chuàng)造者在試驗(yàn)室制造的，而是由車(chē)間制造的。

(7)小批量生產(chǎn)：在生產(chǎn)線(xiàn)上將創(chuàng)造發(fā)明以小批量生產(chǎn)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。17.3.3創(chuàng)新思維

人們碰到問(wèn)題時(shí)，有時(shí)候不是依靠已掌握的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)去解決，而是將在外界的啟發(fā)下，將頭腦中的各種信息重新綜合集成，然后加以解決，這種思維是與常規(guī)思維特征不同的創(chuàng)新思維。創(chuàng)新思維是多種成對(duì)的辯證思維類(lèi)型的綜合，它的實(shí)質(zhì)表現(xiàn)為“選擇”、“突破”、“重新建構(gòu)”這三者關(guān)系的對(duì)應(yīng)與統(tǒng)一。所謂選擇，就是尋找資料、調(diào)研、充分地思索，讓各方面的問(wèn)題都得到充分表露，從中去粗取精，去偽存真。法國(guó)科學(xué)家H．彭加勒認(rèn)為：“所謂發(fā)明，實(shí)際上就是鑒別，簡(jiǎn)單地說(shuō)，也就是選擇?！彼?，選擇是創(chuàng)新思維得以展開(kāi)的第一要素，也是創(chuàng)新思維各個(gè)環(huán)節(jié)上的制約因素。選題、選材、選方案等均屬于此。在創(chuàng)新思維進(jìn)程中，決不能盲目選擇，而應(yīng)有意識(shí)選擇。問(wèn)題的突破往往表現(xiàn)為從“邏輯的中斷”到“思想上的飛躍”。飛躍階段思想豁然開(kāi)朗，從而孕育出一些新觀(guān)點(diǎn)、新理論和新方案。選擇、突破是重新建構(gòu)的基礎(chǔ)，因?yàn)閯?chuàng)造性的新成果、新理論、新思想并不包括在現(xiàn)在已有的知識(shí)體系之中。所以，創(chuàng)新思維的最關(guān)鍵之點(diǎn)是善于進(jìn)行“重新建構(gòu)”，有效而及時(shí)地抓住問(wèn)題的本質(zhì)，筑起新的思維支架。創(chuàng)新思維是整個(gè)創(chuàng)造活動(dòng)中體現(xiàn)出來(lái)的思維方式。把握創(chuàng)新思維的關(guān)鍵是認(rèn)識(shí)并能綜合運(yùn)用不同思維類(lèi)型的特點(diǎn)、功能與作用。下面介紹幾種思維類(lèi)型。

1．形象思維和抽象思維

形象思維屬于非邏輯思維，是運(yùn)用已感知過(guò)的事物的映像進(jìn)行分析、綜合、抽象、概括的過(guò)程。它以直觀(guān)形象作為再思維的目標(biāo)及基礎(chǔ)，使用反映同類(lèi)事物一般外部特征的形象。形象思維在每個(gè)人的思維活動(dòng)和人類(lèi)所有的實(shí)踐活動(dòng)中均廣泛存在，因而具有普遍性。許多科學(xué)的發(fā)明創(chuàng)造，往往是在對(duì)具體的形象進(jìn)行觀(guān)察、思維時(shí)受到某種啟發(fā)而產(chǎn)生的，這種思維有時(shí)還會(huì)取得抽象思維難以取得的效果。抽象思維亦稱(chēng)邏輯思維。它是以抽象的概念和推論為形式的思維方式，是認(rèn)識(shí)過(guò)程中用反映事物共同屬性和本質(zhì)屬性的概念作為基本思維形式，在概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷、推理，反映現(xiàn)實(shí)的一種思維方式。它使認(rèn)識(shí)由感性上升到理性。在創(chuàng)造活動(dòng)中，形象思維和抽象思維相互聯(lián)系、互相滲透。例如，法拉第通過(guò)對(duì)磁鐵周?chē)视幸?guī)律曲線(xiàn)分布的鐵屑的分布現(xiàn)象的觀(guān)察，經(jīng)過(guò)分析、綜合、抽象、概括之后，得出“磁力線(xiàn)”的概念。在此之后，他又通過(guò)“概念—判斷—推理”的過(guò)程，論證了電荷和磁極周?chē)目臻g存滿(mǎn)了向各個(gè)方向散發(fā)出去的“磁力線(xiàn)”，從而進(jìn)一步提出了“場(chǎng)”的概念。法拉第的“磁力線(xiàn)”和“場(chǎng)”的概念是他對(duì)電磁理論的最重要貢獻(xiàn)。這一貢獻(xiàn)是抽象思維與形象思維對(duì)立統(tǒng)一的產(chǎn)物。

2．發(fā)散思維和收斂思維

發(fā)散思維。根據(jù)所遇到問(wèn)題時(shí)，根據(jù)問(wèn)題提供的信息，沿著非常規(guī)方向、正向、逆向、全方位思維和多角度尋求可能的解答。發(fā)散思維是創(chuàng)造思維的一種主要形式。它在技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中具有特別重要的意義。在技術(shù)原理的開(kāi)發(fā)方面，運(yùn)用發(fā)散思維可以從多側(cè)面、多角度、多領(lǐng)域、多場(chǎng)合對(duì)同一技術(shù)原理的應(yīng)用途徑進(jìn)行設(shè)想。著名創(chuàng)造學(xué)家吉爾福特說(shuō)：“正是在發(fā)散思維中，我們看到了創(chuàng)造性思維的最明顯的標(biāo)志?！笔諗克季S指把來(lái)自多方面的知識(shí)信息指向同一問(wèn)題，通過(guò)分析綜合、邏輯推理后引出答案。在設(shè)想的實(shí)現(xiàn)階段，這種思維形式常占主導(dǎo)地位。發(fā)散思維與收斂思維相輔相成，通過(guò)多次發(fā)散、收斂的循環(huán)后，一般能找到較好的創(chuàng)新方案。

3．直覺(jué)思維和靈感思維

直覺(jué)是人類(lèi)一種獨(dú)特的“智慧視力”，是能動(dòng)地了解事物的思維閃念。直覺(jué)思維能以少量的本質(zhì)性現(xiàn)象為媒介，直接把握事物的本質(zhì)規(guī)律。它也是一種不加論證的判斷力，是思想的自由創(chuàng)造。

靈感是人們借助直覺(jué)啟示而對(duì)問(wèn)題得到突如其來(lái)的領(lǐng)悟或理解的一種思維形式。它是一個(gè)突然閃現(xiàn)、瞬間即逝的短暫思維過(guò)程，是一種把隱藏在潛意識(shí)中的事物信息，在需要解決某一問(wèn)題時(shí)，以適當(dāng)?shù)男问酵蝗槐憩F(xiàn)出來(lái)的創(chuàng)造能力。它是創(chuàng)造性思維的最重要的形式之一。直覺(jué)思維與靈感思維的基礎(chǔ)是人們已經(jīng)獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并且常在思想高度集中、苦思冥想時(shí)產(chǎn)生出來(lái)，它的結(jié)果常常非常新穎，并且具有突發(fā)性。愛(ài)因斯坦說(shuō)：“我相信直覺(jué)和靈感”。他的關(guān)于狹義相對(duì)論的著名論文，便是在抓住意識(shí)到同時(shí)性的相對(duì)性這一“靈感的閃光”后很快完成的。17.3.4創(chuàng)新技法

創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅要依賴(lài)創(chuàng)新思維，同時(shí)還要掌握并正確地應(yīng)用創(chuàng)新方法和技巧。

創(chuàng)新技法是以創(chuàng)新理論，尤其是創(chuàng)新思維規(guī)律為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)廣泛的創(chuàng)新活動(dòng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概括，總結(jié)、提煉而得出來(lái)的創(chuàng)造發(fā)明的一些原理、技巧和方法。目前常用的創(chuàng)新技法有以下幾種。

1．智暴法

智暴法是一種集體創(chuàng)新智力激勵(lì)法。它是針對(duì)一個(gè)需設(shè)計(jì)的問(wèn)題，召集5~10人在一起討論，要求與會(huì)者敞開(kāi)思想，暢所欲言，充分發(fā)表意見(jiàn)，提出創(chuàng)新見(jiàn)解，提出解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的方案。智暴法的中心思想是激發(fā)每個(gè)人的直覺(jué)、靈感、想象力，讓大家在和睦、融洽的氣氛中自由思考，不論什么想法都可以原原本本講出來(lái)，最后集中多人的智慧在這眾多的見(jiàn)解中綜合出幾種較好的設(shè)計(jì)方案。這種方法適合求解產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原理、方案。

2．“6－5－3”法

這是一種書(shū)面集智法，此活動(dòng)一般有6人參加，參加者圍繞活動(dòng)主題每人寫(xiě)下3個(gè)解并作提綱式的注解，然后傳給鄰座，后者讀后再提出3個(gè)進(jìn)一步解或作補(bǔ)充。因此每個(gè)參加者的建議都將經(jīng)過(guò)5個(gè)人的補(bǔ)充或組合發(fā)展，所以稱(chēng)為“6－5－3”法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是消除了項(xiàng)目主持人的主觀(guān)影響，使設(shè)計(jì)問(wèn)題得到系統(tǒng)的補(bǔ)充或開(kāi)發(fā)。缺點(diǎn)是因?yàn)椴粔蜃杂苫顫?，在一定程度上影響了參加者的積極思維。

3．提問(wèn)追溯法

該法針對(duì)老產(chǎn)品的改造，系統(tǒng)地提出各種問(wèn)題，通過(guò)提問(wèn)發(fā)現(xiàn)原產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)銷(xiāo)等環(huán)節(jié)中的不足之處，找出需要和應(yīng)該改進(jìn)之處，獲得解決問(wèn)題的辦法和設(shè)想，從而開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品。這種方法主要有5W2H法、奧斯本設(shè)問(wèn)法等。

(1)5W2H法：針對(duì)需要解決的問(wèn)題，提出以下的疑問(wèn)，從中啟發(fā)創(chuàng)新構(gòu)思。這幾個(gè)方面的疑問(wèn)，用英文表示時(shí)，其首字母為W或H，故稱(chēng)為5W2H法。以新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)為例提出以下問(wèn)題：

·Why——為什么要設(shè)計(jì)該產(chǎn)品?采用何種總體部局?……

·What——該產(chǎn)品有何功能?有哪些方法可實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)?哪些地方需要?jiǎng)?chuàng)新?……

·Who——該產(chǎn)品用戶(hù)是誰(shuí)?誰(shuí)來(lái)設(shè)計(jì)?……

·When——什么時(shí)候完成該設(shè)計(jì)?各設(shè)計(jì)階段時(shí)間如何劃分?……

·Where——該產(chǎn)品用于何處?在何地生產(chǎn)?……

·Howtodo——怎樣設(shè)計(jì)?何種結(jié)構(gòu)?什么材料?形態(tài)如何?……

·Howmuch——生產(chǎn)多少?費(fèi)用多少?……

(2)奧斯本設(shè)問(wèn)法：為了擴(kuò)展思路，奧斯本建議設(shè)計(jì)者應(yīng)從不同角度進(jìn)行發(fā)問(wèn)。他把這些角度歸納成幾個(gè)方面，并列成一張目錄表，此表可針對(duì)不同目的設(shè)置問(wèn)題，如針對(duì)研制新產(chǎn)品，可從以下角度設(shè)置問(wèn)題：

·轉(zhuǎn)化——該產(chǎn)品能否稍作改動(dòng)，或不改動(dòng)而實(shí)現(xiàn)其他用途?

·引申——能否從該產(chǎn)品中派生出其它產(chǎn)品，或用其他產(chǎn)品模仿該產(chǎn)品?

·變動(dòng)——能否對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行某些改造，如運(yùn)動(dòng)形式、結(jié)構(gòu)、造型、工藝等?

·放大——該產(chǎn)品放大(加厚、變長(zhǎng)……)后如何?

·縮小——該產(chǎn)品縮小(變薄、縮短……)后如何?

·顛倒——能否反正(上下、前后……)顛倒使用?

·替代——能否用其他產(chǎn)品替代該產(chǎn)品，或部分替代該產(chǎn)品?如更換材料、工藝……

·重組——零部件能否互換?

·組合——現(xiàn)有的幾個(gè)產(chǎn)品能否組合成一個(gè)新的產(chǎn)品?如何組合(整體、零部件、功能、材料、原理……)?

通過(guò)這9個(gè)方面的層層發(fā)問(wèn)，就可以得到許多新的設(shè)計(jì)方案，從中優(yōu)選就可開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品。

4．類(lèi)比法

類(lèi)比法是利用相似原理進(jìn)行移植，模擬比較，類(lèi)比聯(lián)想的一種創(chuàng)新技法。采用類(lèi)比法能夠擴(kuò)展人腦固有的思維，使之建立更多的創(chuàng)新設(shè)想。例如：從人們手的動(dòng)作、功能中可以得到啟發(fā)，機(jī)械手就是模仿人的手臂彎曲和手的功能；挖掘機(jī)就是模仿人使用鐵鍬的動(dòng)作而設(shè)計(jì)的：“協(xié)和”飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)，就是對(duì)鷹的外形的仿生。類(lèi)比法目前主要采用以下4種方式：

(1)直接類(lèi)比。尋找與所研究的問(wèn)題有類(lèi)似之處的其他事物，進(jìn)行類(lèi)比，從中獲得啟發(fā)，找到問(wèn)題答案或產(chǎn)生新思路。直接類(lèi)比的典型方式是功能模擬和仿生。

(2)象征類(lèi)比。用能抽象反映問(wèn)題的詞(或簡(jiǎn)練詞組)來(lái)類(lèi)比問(wèn)題，表達(dá)所探討問(wèn)題的關(guān)鍵，通過(guò)類(lèi)比啟發(fā)創(chuàng)新設(shè)想的產(chǎn)生。如要設(shè)計(jì)一種開(kāi)罐頭的新工具，就可以選一個(gè)“開(kāi)”字，先拋開(kāi)罐頭問(wèn)題，從“開(kāi)”這個(gè)詞的概念出發(fā)，看看“開(kāi)”有幾種方法，如打開(kāi)、撬開(kāi)、剝開(kāi)、撕開(kāi)、擰開(kāi)、揭開(kāi)、破開(kāi)等等，然后再回頭來(lái)尋求這些開(kāi)法對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)罐頭有什么啟發(fā)。

(3)擬人類(lèi)比。是指創(chuàng)新者把自身與問(wèn)題的要素等同起來(lái)，設(shè)身處地的想象：如果我是某個(gè)技術(shù)對(duì)象，我會(huì)有什么感覺(jué)?我采取什么行動(dòng)?用這種方法可以激發(fā)創(chuàng)造熱情，促發(fā)新設(shè)想。

(4)幻想類(lèi)比。運(yùn)用在現(xiàn)實(shí)中難以存在或根本不存在的幻想中的事物、現(xiàn)象作類(lèi)比，以探求新觀(guān)念、新解法。

5.組合創(chuàng)新法

組合創(chuàng)新法是按照一定的技術(shù)需要，將兩個(gè)或兩個(gè)以上的技術(shù)因素通過(guò)巧妙的組合，去獲得具有統(tǒng)一整體功能的新技術(shù)產(chǎn)物的過(guò)程。這里的“技術(shù)因素”是廣義的，它既包括相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)原理、技術(shù)手段、工藝方法，也包括材料、形態(tài)、動(dòng)力形式、控制方式等表征技術(shù)性能的條件因素。組合方法的類(lèi)型很多，常用的有以下幾類(lèi)：

(1)性能組合。對(duì)已有產(chǎn)品的各種性能進(jìn)行分析，將若干產(chǎn)品的優(yōu)良性能結(jié)合起來(lái)，使之形成一種全新的產(chǎn)品(或技術(shù)手段)。

(2)原理組合。原理組合是指將兩種或兩種以上的技術(shù)原理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，組成一種新的復(fù)合技術(shù)或技術(shù)系統(tǒng)。例如，把噴氣推進(jìn)原理同燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)相結(jié)合發(fā)明噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。

(3)功能組合。功能組合是將具有不同功能的技術(shù)手段或產(chǎn)品組合在一起，使之形成一個(gè)技術(shù)性能更優(yōu)或具有多功能的技術(shù)實(shí)體的方法。例如，將收音機(jī)和錄音機(jī)組合在一起，成為“收錄機(jī)”，它兼具二者功能，且更方便、實(shí)用。

(4)結(jié)構(gòu)重組。結(jié)構(gòu)重組是一種改變?cè)屑夹g(shù)系統(tǒng)中的各結(jié)構(gòu)要素相互聯(lián)接方式后獲得新的性能或功能的組合方法。例如，螺旋槳飛機(jī)一般的結(jié)構(gòu)是機(jī)首裝螺旋槳，機(jī)尾裝穩(wěn)定翼。但美國(guó)卡里格卡圖則根據(jù)空氣浮力和氣動(dòng)原理，將飛機(jī)螺旋槳放于機(jī)尾，而把穩(wěn)定翼放在機(jī)頭，重組后的新型飛機(jī)具有尖端懸浮系統(tǒng)和更合理的流線(xiàn)型機(jī)體等特點(diǎn)。

(5)模塊組合。模塊組合亦稱(chēng)組合設(shè)計(jì)或模塊化設(shè)計(jì)。該法把產(chǎn)品看成若干模塊(標(biāo)準(zhǔn)、通用零部件)的有機(jī)組合，只要按照一定的機(jī)器工作原理選擇不同的模塊或不同的方式加以組合，就可獲得多種有價(jià)值的設(shè)計(jì)方案。這種方法適用于產(chǎn)品的系列開(kāi)發(fā)。

技術(shù)引進(jìn)是促進(jìn)民族經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的戰(zhàn)略措施。要取得最佳技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，必須對(duì)引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行深入研究、消化和創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出先進(jìn)產(chǎn)品，形成自己的技術(shù)體系。

17.4反求工程設(shè)計(jì)反求工程(ReverseEngineering)技術(shù)是針對(duì)消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。它以先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物、軟件或影像作為研究對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)深入地分析和研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出同類(lèi)的先進(jìn)產(chǎn)品。反求工程技術(shù)包括設(shè)計(jì)反求技術(shù)、工藝反求技術(shù)、管理反求技術(shù)等各方面。

反求工程技術(shù)也被用來(lái)研究競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品特點(diǎn)，吸收其優(yōu)點(diǎn)并加以改進(jìn)，生產(chǎn)出超過(guò)他們的更好產(chǎn)品。它是目前贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段之一。17.4.1反求工程技術(shù)的研究?jī)?nèi)容

1.探索產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

不同的設(shè)計(jì)單位及設(shè)計(jì)者對(duì)于不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想都不盡相同。如體現(xiàn)在注重功能齊全、注重成本、注重模塊化設(shè)計(jì)、注重特定使用對(duì)象等等。設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想不同，就會(huì)得出不同的設(shè)計(jì)方案。探索產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是分析了解整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前提。

2．原理方案的分析

各種產(chǎn)品都是針對(duì)一定的使用要求設(shè)計(jì)的，功能是各種能完成使用要求的抽象描述。功能分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，不同功能的產(chǎn)品可以得出不同的原來(lái)方案，也可以用同一種原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。而同一功能的產(chǎn)品亦可以用不同的原理方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)品的功能可以分為使用功能和美學(xué)功能，使用功能一般實(shí)現(xiàn)能量、物料和信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如發(fā)電機(jī)的功能是實(shí)現(xiàn)“機(jī)械能—電能”的能量轉(zhuǎn)換，各種機(jī)床的功能是實(shí)現(xiàn)物料形態(tài)的改變，而收錄機(jī)的功能主要是實(shí)現(xiàn)“聲音信息—電磁信息—聲音信息”信號(hào)的轉(zhuǎn)換等?？梢愿鶕?jù)反求對(duì)象的功能載體，探求其功能，通過(guò)反求對(duì)象的功能理解，在設(shè)計(jì)時(shí)才有可能得到更完美合理的原理方案。

3.結(jié)構(gòu)分析

零部件的結(jié)構(gòu)是功能原理的具體體現(xiàn)，與加工使用及生產(chǎn)成本有密切關(guān)系。分析反求對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要從零件的功能、性能、成本和安全可靠性等方面著手進(jìn)行考慮。

4.精度分析

精度分析是反求工程中的主要問(wèn)題，精度是衡量反求對(duì)象性能的重要指標(biāo)。是評(píng)價(jià)反求設(shè)計(jì)質(zhì)量的主要參數(shù)之一。在反求設(shè)計(jì)中應(yīng)合理地進(jìn)行精度分析和精度設(shè)計(jì)，否則反求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的質(zhì)量永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到原設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量。

5.材料分析

根據(jù)零件的功能及工藝特點(diǎn)分析確定零件的材料和熱處理方式。一般情況下可采用外觀(guān)比較、硬度測(cè)定、重量測(cè)定、化學(xué)分析、光譜分析、金相檢驗(yàn)等多種方法對(duì)材料的物理性能、化學(xué)成分、熱處理及表面情況進(jìn)行全面鑒定。

6.工作性能分析

針對(duì)產(chǎn)品的工作特點(diǎn)及其主要性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定、反復(fù)計(jì)算和深入的分析，對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)特性，力學(xué)特性進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的全面分析。

7.造型設(shè)計(jì)分析

對(duì)產(chǎn)品的外形構(gòu)型、色彩設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析。用尺度與比例、均衡與穩(wěn)定、統(tǒng)一與變化等美學(xué)原則分析造型特點(diǎn)，從迎合顧客心理需要，提高商品價(jià)值的角度分析構(gòu)型及色彩設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。

8.工藝分析

許多引進(jìn)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)除設(shè)計(jì)先進(jìn)外，主要是先進(jìn)的制造和裝配工藝。因而對(duì)加工工藝、裝配工藝的分析，對(duì)加工精度的反求而得到的這些工藝訣竅，將彌補(bǔ)新設(shè)計(jì)的缺陷和不足之處。

9.使用和維修分析

分析國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品在良好的使用性能方面采取了哪些措施？研究當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)它的可維修性如何？

10.包裝技術(shù)分析

在反求過(guò)程中，研究產(chǎn)品的包裝、防潮、防霉、防銹、防腐、防塵等方面的技術(shù)與思路，如包裝材料的成分、材料的回收等。17.4.2反求工程的設(shè)計(jì)程序

反求工程的設(shè)計(jì)程序是首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行反求分析，針對(duì)反求對(duì)象的不同形式——實(shí)物、軟件或影像，可采用不同的手段和方法。實(shí)物如機(jī)器設(shè)備的反求，可用實(shí)測(cè)手段獲得所需參數(shù)和性能、材料和尺寸等。軟件如圖樣可直接分析了解產(chǎn)品和各部件的尺寸、結(jié)構(gòu)和材料，但掌握使用性能和工藝，則要通過(guò)試制和試驗(yàn)。影像可用透視法與解析法求出主要尺寸間的大小相對(duì)關(guān)系，用機(jī)器與人或已知參考物對(duì)比，求出幾個(gè)絕對(duì)尺寸，推算其他尺寸。材料和工藝等都需要通過(guò)試制和試驗(yàn)才能解決。在以上分析的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行不同類(lèi)型的反求設(shè)計(jì)。根據(jù)反求設(shè)計(jì)內(nèi)容的不同可將反求設(shè)計(jì)分為下列幾種類(lèi)型。

(1)反求測(cè)繪仿制——對(duì)產(chǎn)品的原設(shè)計(jì)進(jìn)行透徹分析、實(shí)物測(cè)量，完全模仿原產(chǎn)品進(jìn)行制造，不進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

(2)變參數(shù)反求設(shè)計(jì)——在原有產(chǎn)品原理方案及結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上，僅改變尺寸和性能參數(shù)以滿(mǎn)足不同工作需要。如以進(jìn)口的升降機(jī)為基型進(jìn)行系列設(shè)計(jì)，形成升力范圍、尺寸性能不同的系列產(chǎn)品，以擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍。

(3)適應(yīng)型反求設(shè)計(jì)——在原有產(chǎn)品的原理方案基礎(chǔ)上，改變部分參數(shù)、結(jié)構(gòu)或零部件，克服原有產(chǎn)品的缺點(diǎn)或適應(yīng)新的使用要求。例如在多速賽車(chē)基礎(chǔ)上加上自適應(yīng)變速系統(tǒng)。

(4)開(kāi)發(fā)型反求設(shè)計(jì)——針對(duì)反求對(duì)象的功能，提出新的原理方案，完成從方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)到施工設(shè)計(jì)的全過(guò)程。這是一種比較徹底的反求創(chuàng)新設(shè)計(jì)法。17.4.3實(shí)物反求設(shè)計(jì)法

1.實(shí)物反求設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)

實(shí)物反求是以產(chǎn)品實(shí)物為依據(jù)，對(duì)有關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝裝配、包裝使用等方面進(jìn)行分析研究，研制開(kāi)發(fā)出與原型產(chǎn)品相同或相似的新產(chǎn)品。它具有如下特點(diǎn)：

(1)具有直觀(guān)、形象的實(shí)物。

(2)對(duì)產(chǎn)品功能、性能、材料等均可進(jìn)行直接試驗(yàn)分析，求得詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)對(duì)機(jī)器設(shè)備能進(jìn)行直接測(cè)繪，以求得尺寸參數(shù)。

(4)仿制產(chǎn)品起點(diǎn)高，步伐大，設(shè)計(jì)周期可大大縮短。

(5)引進(jìn)的樣品就是新產(chǎn)品的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)確定了明確的趕超目標(biāo)。

實(shí)物反求雖形象、直觀(guān)，但引進(jìn)產(chǎn)品時(shí)費(fèi)用較大，因此要充分調(diào)研，確保引進(jìn)項(xiàng)目的先進(jìn)性與合理性。它的一般過(guò)程如圖17-5所示。

圖17-5實(shí)物反求設(shè)計(jì)流程2．實(shí)物反求的技術(shù)路線(xiàn)

實(shí)物反求工程的技術(shù)路線(xiàn)分為實(shí)物反求測(cè)量、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與反求設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸與CNC系統(tǒng)的集成等四個(gè)過(guò)程，其步驟是：

(1)根據(jù)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的形狀劃分相應(yīng)的測(cè)量區(qū)域和路線(xiàn)。該工作非常重要，對(duì)準(zhǔn)確還原被測(cè)形狀以及后續(xù)的CAD建模、CAD圖形的對(duì)稱(chēng)性、光順性和易修改性等影響極大。

(2)完成測(cè)量面的精確測(cè)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的前處理，剔除粗大誤差和重復(fù)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。外形數(shù)據(jù)的快速反求測(cè)量通?？捎萌?lèi)設(shè)備：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、電子掃描系統(tǒng)、激光測(cè)量機(jī)。激光測(cè)量機(jī)具有測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)，但精度不夠高；電子掃描系統(tǒng)適用于形狀比較規(guī)則且精度不太高的零件；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可對(duì)曲面變化較大且不規(guī)則的曲面作高精度的測(cè)量。

(3)研究測(cè)量數(shù)據(jù)與反求工程軟件、CAD／CAM軟件的數(shù)據(jù)共享格式。

(4)對(duì)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、過(guò)濾、求精和排序，整理雜亂的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，快速生產(chǎn)曲面模型。

(5)檢驗(yàn)其整體的光順性和擬合精度，并按給定精度進(jìn)行修改。

(6)將反求工程建立的曲面模型提供給CAD／CAM一體化軟件，完成外形修改、渲染效果設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(7)數(shù)控加工編程及加工。

17.5.1虛擬設(shè)計(jì)的概念

虛擬設(shè)計(jì)是一種新興的多學(xué)科交叉技術(shù)，涉及多方面的學(xué)科與專(zhuān)業(yè)技術(shù)。它是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對(duì)象的設(shè)計(jì)手段。借助這樣的設(shè)計(jì)手段，將設(shè)計(jì)人員從傳統(tǒng)的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)中解脫出來(lái)，使他們可以通過(guò)眾多的傳感器與多維的信息環(huán)境進(jìn)行自然地交互，實(shí)現(xiàn)從定性及定量的綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而幫助深化概念和萌發(fā)新意。17.5虛擬設(shè)計(jì)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)充分地利用了模擬仿真技術(shù)，但它又不同于一般的模擬仿真技術(shù)，它具有虛擬現(xiàn)實(shí)的特征，如：自主性、交互性、沉浸感等。由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)汁技術(shù)發(fā)展得較早，人們已經(jīng)積累了不少的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，因此虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)充分地利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已獲得的這些寶貴財(cái)富。另外，虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)比現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)具有更強(qiáng)的人機(jī)交互能力，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)及語(yǔ)音、手勢(shì)等，與設(shè)計(jì)的對(duì)象在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行自然地、直觀(guān)地交互。由此可見(jiàn)，這項(xiàng)技術(shù)使得計(jì)算機(jī)在產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)方面向前推進(jìn)了一步，使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的工作范圍從規(guī)范性工作向創(chuàng)造性工作方向邁進(jìn)了一大步。同時(shí)利用此項(xiàng)技術(shù)可以大大地減少實(shí)物模型和樣機(jī)制造，從而減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。17.5.2虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分類(lèi)

虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)按照配置的檔次可分為兩大類(lèi)：一種是基于PC機(jī)的廉價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；另一種是基于工作站的高檔產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的工作原理基本相同。PC機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要在于價(jià)格低廉，對(duì)小型虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)非常適宜，并且它的用戶(hù)廣泛，因此具有良好的市場(chǎng)前景。隨著PC機(jī)性能的迅速提高，越來(lái)越多的問(wèn)題完全可以利用PC機(jī)解決，但是由于目前PC機(jī)的發(fā)展仍不夠完善，很難勝任大型復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)，因此對(duì)于這些復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，高檔的工作站仍是不可取代的硬件平臺(tái)。虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)按應(yīng)用情況又可分為增強(qiáng)的可視化系統(tǒng)和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)。

(1)增強(qiáng)的可視化系統(tǒng)：利用現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換輸出虛擬環(huán)境系統(tǒng)。在虛擬的環(huán)境中利用三維的交互設(shè)備(如頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套等)在一個(gè)“虛擬”真實(shí)的環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員對(duì)虛擬模型進(jìn)行各個(gè)角度的觀(guān)察。目前投入使用的虛擬設(shè)計(jì)多采用增強(qiáng)的可視化系統(tǒng)，這主要是因?yàn)榛谔摂M的建模系統(tǒng)還不夠完善，相比之下目前的CAD建模技術(shù)比較成熟，可以利用。

(2)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)：利用這樣的技術(shù)系統(tǒng)用戶(hù)可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)。與純粹的可視化系統(tǒng)相反，這種系統(tǒng)不再使用傳統(tǒng)的二維交互手段進(jìn)行建模，而直接進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。與增強(qiáng)的可視化系統(tǒng)相同，利用三維的輸入設(shè)備虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。此外，它也支持如語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)及眼神跟蹤等。這種虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)不需要進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)即可掌握，普通的設(shè)計(jì)人員略加熟悉便可利用這樣的系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。研究表明，這樣的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)比現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率至少要提高5~10倍。17.5.3虛擬設(shè)計(jì)在機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

人們對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)行廣泛的探討研究后發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省制造成本有著重要的意義。因此不少大公司爭(zhēng)先在它們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用了這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，如波音公司、通用汽車(chē)公司、奔馳公司、福特公司及英國(guó)航空公司等。通過(guò)實(shí)踐證明：虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)等方面有著特別重要的意義。

1．虛擬概念設(shè)計(jì)

1996年美國(guó)Wisconsin-Madison大學(xué)研制出了一個(gè)虛擬概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)COVIRDS(ConceptualVirtualDesignSystem)。概念設(shè)計(jì)是指對(duì)產(chǎn)品或零件進(jìn)行最初的設(shè)計(jì)構(gòu)思，它的目的是為了捕捉產(chǎn)品的基本形狀。概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要階段，因?yàn)橐坏┐_定了產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，產(chǎn)品成本的60％~70％已經(jīng)從宏觀(guān)上確定。因此，在這個(gè)設(shè)計(jì)階段應(yīng)考查多個(gè)設(shè)計(jì)方案，以便選出生產(chǎn)成本最低的設(shè)計(jì)方案。產(chǎn)品在這個(gè)設(shè)計(jì)階段，其形狀及精確尺寸尚未定死，設(shè)計(jì)人員有一定的變更權(quán)?，F(xiàn)行的CAD系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行CAD建模時(shí)必須給出產(chǎn)品的具體形狀特性和精確尺寸。但有時(shí)在建模階段并不需要這些參數(shù)或設(shè)計(jì)者還根本沒(méi)有獲得這些參數(shù)，因而對(duì)設(shè)計(jì)造成一定的困難。而該大學(xué)研制的虛擬概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)克服了CAD建模的這一缺點(diǎn)，它采用語(yǔ)音識(shí)別和手勢(shì)跟蹤系統(tǒng)，使用戶(hù)可以更直觀(guān)地與虛擬建模環(huán)境進(jìn)行交互，完成快速的概念設(shè)計(jì)，節(jié)省了形狀的精確描繪和尺寸的定義時(shí)間。

2．虛擬裝配設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面具有較大影響的另一個(gè)領(lǐng)域是裝配設(shè)計(jì)，盡管目前尚沒(méi)有商用虛擬裝配系統(tǒng)，但就其技術(shù)來(lái)說(shuō)已經(jīng)成熟，人們普遍認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有很重要的意義。例如，美國(guó)麥道飛機(jī)公司采用了沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以幫助新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。這個(gè)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)首先用來(lái)研究發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝過(guò)程，尤其是用來(lái)發(fā)現(xiàn)拆裝過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)是否可能與其他零部件發(fā)生干涉。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝過(guò)程可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行。若要進(jìn)行拆卸，首先打開(kāi)虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)艙門(mén)，把拖車(chē)放到發(fā)動(dòng)機(jī)的下面，然后用千斤頂把拖車(chē)頂?shù)揭欢ǖ母叨?。接下?lái)使用虛擬工具把固定發(fā)動(dòng)機(jī)的螺栓松開(kāi)，再把發(fā)動(dòng)機(jī)固定在拖車(chē)上，降低拖車(chē)，把發(fā)動(dòng)機(jī)移出去進(jìn)行維修或替換。安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程與拆卸類(lèi)似，只是過(guò)程相反。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從飛機(jī)上拆下以后，這個(gè)虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)的某些部件還可以再拆。利用虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，人們可以為特定的零件開(kāi)發(fā)專(zhuān)用工具，檢查零件拆裝是否方便，零件安裝有無(wú)困難等等。

又如，羅爾斯·羅伊斯公司在設(shè)計(jì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)也采用虛擬環(huán)境。以前，該公司在制造發(fā)動(dòng)機(jī)之前也是采用實(shí)物模型來(lái)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)維修過(guò)程中的問(wèn)題。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)物模型并不能工作，但它的結(jié)構(gòu)必須與真正的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，而且要更精確更結(jié)實(shí)。所以制造實(shí)物模型也不便宜。在1992年，羅爾斯·羅伊斯公司就開(kāi)始依靠英國(guó)的先進(jìn)機(jī)器人研究實(shí)驗(yàn)室探索利用虛擬的計(jì)算機(jī)模型來(lái)代替實(shí)物模型的可能性。

3．虛擬人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

從社會(huì)對(duì)商品的要求來(lái)看，以往的大批量生產(chǎn)已經(jīng)難以滿(mǎn)足人們對(duì)商品規(guī)格多樣化日益增長(zhǎng)的需求，取而代之的將是小批量多規(guī)格的生產(chǎn)。由于需要在同一生產(chǎn)線(xiàn)上裝配不同規(guī)格的產(chǎn)品，因此，對(duì)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的靈活性提出了很高的要求。虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)將為解決這一難題提供很好的幫助。例如，在設(shè)計(jì)制造一種新型汽車(chē)時(shí)，人們自然會(huì)提出許許多多的要求。汽車(chē)外形要具備美觀(guān)條件，又必需滿(mǎn)足安全、人機(jī)工程學(xué)、維護(hù)以及裝配等方面的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)還要受到生產(chǎn)、時(shí)間以及費(fèi)用等互相制約條件的限制。在這種復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程中，虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)比傳統(tǒng)的CAD技術(shù)能更好地適應(yīng)這些要求。上述的各種條件可以集成在設(shè)計(jì)過(guò)程中，并且可以減少用于驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)所需的模型個(gè)數(shù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)階段，可以不斷地利用仿真系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證假設(shè)，這樣既可以減少費(fèi)用和制造模型的時(shí)間，同時(shí)又可以滿(mǎn)足產(chǎn)品多樣化的要求。英國(guó)航空實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一項(xiàng)用于概念驗(yàn)證的項(xiàng)目。研究人員研制開(kāi)發(fā)了一個(gè)虛擬人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)VPL生產(chǎn)的高分辨率HRXEyephone頭盔式顯示器(如圖17-6(a)所示)，一個(gè)DataGlove數(shù)據(jù)手套(如圖17-6(b)所示)，一個(gè)Convolvotron三維音響系統(tǒng)和一臺(tái)SGI工作站組成，另外系統(tǒng)還為用戶(hù)提供一個(gè)真實(shí)的轎車(chē)坐艙。設(shè)計(jì)人員采用CAD系統(tǒng)創(chuàng)建了一輛Rover400型轎車(chē)的駕駛室模型，經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換后將此駕駛室模型引入這個(gè)虛擬人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。借助這個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以精確研究轎車(chē)內(nèi)部的人機(jī)工程學(xué)參數(shù)，并且在必要時(shí)可以修改虛擬部件的位置，重新設(shè)計(jì)整個(gè)轎車(chē)的內(nèi)部構(gòu)造。利用這個(gè)虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，最終用戶(hù)也可以和設(shè)計(jì)人員一道參與設(shè)計(jì)，人們可以將車(chē)內(nèi)的方向盤(pán)抓住并從轎車(chē)的右邊移到左邊，這樣有助于滿(mǎn)足不同用戶(hù)的特殊要求。

圖17-6頭盔式顯示器和數(shù)據(jù)手套

17.6.1綠色設(shè)計(jì)的概念及特點(diǎn)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法是以人為中心，以滿(mǎn)足人的需求和解決問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，而無(wú)視后續(xù)的產(chǎn)品生產(chǎn)及使用過(guò)程中的資源和能源的消耗，以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。綠色設(shè)計(jì)就是針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的這種不足而提出的一種全新的設(shè)計(jì)概念。綠色設(shè)計(jì)通常也稱(chēng)為生態(tài)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、生命周期設(shè)計(jì)或環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)等。它是將防止污染、保護(hù)資源的戰(zhàn)略集成到生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能都能承受得起的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中去的主動(dòng)方法，因此受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的普遍重視。17.6綠色設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綠色要求的設(shè)計(jì)，它源于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，但又高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，它包含產(chǎn)品從概念形成到生產(chǎn)制造、使用，乃至廢棄后的回收、重用及處理處置的各個(gè)階段，即涉及產(chǎn)品全生命周期，它是從可持續(xù)發(fā)展的高度審視產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段按照全生命周期的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)，消除潛在的、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，將“3R1D”(Reduce——減量化、Reuse——回收重用、Recycle——循環(huán)再生和Degradable——可降解)原則直接引入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，并提倡無(wú)廢物設(shè)計(jì)。綠色設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是：

1.拓展了產(chǎn)品生命周期

傳統(tǒng)產(chǎn)品生命包括從“產(chǎn)品制造到投入使用”的各個(gè)階段，而綠色設(shè)計(jì)將產(chǎn)品的生命周期延伸到了“產(chǎn)品使用結(jié)束后的回收重用及處理處置”。這種拓展了的生命周期便于在設(shè)計(jì)過(guò)程中從總體的角度理解和掌握與產(chǎn)品有關(guān)的環(huán)境問(wèn)題及原材料的循環(huán)管理、重復(fù)利用、廢棄物的管理和堆放等，便于綠色設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化。

2.綠色設(shè)計(jì)是并行閉環(huán)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是串行開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程，而綠色設(shè)計(jì)要求產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段必須被并行考慮，并建立有效的反饋機(jī)制，即實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段的閉路循環(huán)。

3.綠色設(shè)計(jì)有利于保護(hù)環(huán)境和維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡

設(shè)計(jì)過(guò)程中分析和考慮產(chǎn)品環(huán)境需求是綠色設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特征之一，因而綠色設(shè)計(jì)可從源頭上減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生。

4.綠色設(shè)計(jì)是可以在不同層次上進(jìn)行的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程

綠色設(shè)計(jì)可以在三個(gè)層次上進(jìn)行，即治理技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)(如可回收再生設(shè)計(jì))、清潔預(yù)防技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及為價(jià)值而設(shè)計(jì)。目的在于提高產(chǎn)品的總價(jià)值，這種價(jià)值體系是人與環(huán)境的共同體。17.6.2綠色設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)

綠色設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)如圖17-7所示，它把綠色設(shè)計(jì)劃分為4個(gè)部分，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、產(chǎn)品環(huán)境性能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品資源性能設(shè)計(jì)。每一部分都從全生命周期的角度進(jìn)行選擇，并通過(guò)相關(guān)環(huán)節(jié)(如評(píng)價(jià)等)相互聯(lián)系和進(jìn)行信息交換。

圖17-7綠色設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)

1.綠色產(chǎn)品的描述與建模

綠色產(chǎn)品可以通過(guò)壽命周期分析方法(LCA)與并行工程的思想建立其設(shè)計(jì)模型。

2.綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綠色產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)除了滿(mǎn)足普通產(chǎn)品的基本要求外，主要考慮的是結(jié)構(gòu)的易于拆卸與回