基于功能轉(zhuǎn)用的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法

姜 研，成思源, ，叢海宸

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室，廣州 510006）

0 引言

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵在于產(chǎn)品的概念創(chuàng)新，而概念設(shè)計的功能模型體現(xiàn)了設(shè)計者的滿圖[1]。功能模型是設(shè)計者從產(chǎn)品組件功能的角度對其進(jìn)行研發(fā)，形成新的設(shè)計構(gòu)思，可根據(jù)用用需求和分析現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上來合調(diào)地表達(dá)[2,3]。

對于產(chǎn)品的功能建模方面，不少學(xué)者作出了大量的研究。檀潤華等[4]修改了反向魚骨圖，改進(jìn)了TRIZ功能符號，提出了現(xiàn)有產(chǎn)品功能建模的系系化方法；楊波等[5]分析了功能描述的幾個方面，結(jié)合功能單元間的關(guān)系，提出了擴(kuò)展功能基的策略，建立了擴(kuò)展功能關(guān)系模型；Makino K等[6]基于工程本體論，利用TRIZ功能分析并結(jié)合效應(yīng)庫和矛盾矩陣提出了對功能進(jìn)行正確定義再建立功能模型圖的新方法。一般在新產(chǎn)品功能建模過程中，沒有太多的設(shè)計信息，大多數(shù)采用自頂向下的設(shè)計方法，依賴于設(shè)計者長期的知識積累來實現(xiàn)[7,8]，若沒有豐厚的知識經(jīng)驗，會使得設(shè)計難度提升，產(chǎn)品創(chuàng)新的效率較低。由于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計起始于功能模型，在設(shè)計時，應(yīng)考慮如何簡便快捷地獲得新產(chǎn)品的功能模型，降低建模的復(fù)夾程度。

鑒于此，在對現(xiàn)有專利和設(shè)計目標(biāo)功能相似性的基礎(chǔ)上，提出了基于功能轉(zhuǎn)用的產(chǎn)品設(shè)計方法。將現(xiàn)有專利作為設(shè)計源，借用設(shè)計源的功能模型，對該模型進(jìn)行泛化和細(xì)化轉(zhuǎn)換建立新的功能模型，并用于新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計中。通過包裝盒功能模型到骨折夾板設(shè)計模型來驗證功能轉(zhuǎn)用的過程。

1 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程

將設(shè)計源功能模型用于設(shè)計目標(biāo)的建模中，提出了功能轉(zhuǎn)用的創(chuàng)新設(shè)計方法。通過設(shè)計目標(biāo)功能流分析，確定相似設(shè)計源，建立設(shè)計源的功能結(jié)構(gòu)模型，將該模型轉(zhuǎn)用于設(shè)計目標(biāo)的功能建模中。在建模過程中分析各功能對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，通過功能泛化拓展到功能細(xì)化，再結(jié)合知識效應(yīng)庫、現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)驗變換設(shè)計源模型中的功能結(jié)構(gòu)，獲得設(shè)計目標(biāo)的功能模型。產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計流程圖

1.1 功能流分析

分析設(shè)計目標(biāo)中的基本對象—功能流，包括物質(zhì)流、能量流和信息流，通過流可以描述了產(chǎn)品功能之間輸入與輸出的關(guān)系[9]。提取其目的功能，物質(zhì)、能量、信息的轉(zhuǎn)換，確定關(guān)鍵詞檢索專利，找到功能特征相似的專利設(shè)計源來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

1.2 設(shè)計源建模

相似設(shè)計源確定之后，建立功能結(jié)構(gòu)模型。功能結(jié)構(gòu)模型更直觀地表達(dá)了功能和結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，并且全面地描述產(chǎn)品的設(shè)計滿圖，將其功能分析過程圖形化，方便設(shè)計者改進(jìn)創(chuàng)新[4]。建立一個產(chǎn)品的功能模型首先要確定該產(chǎn)品系系的功能元件及其發(fā)揮的作用，并且要建立各功能元件之間的關(guān)系，用流圖的形式連接起來，形成功能模型圖[10]。設(shè)計源的功能建模過程為：確定整個技術(shù)系系，分析內(nèi)部的各個組成結(jié)構(gòu)及其連接關(guān)系和各部分的功能，綜合形成模型圖。

1.3 功能轉(zhuǎn)用

設(shè)計源的功能模型建立之后，將此模型轉(zhuǎn)用于設(shè)計目標(biāo)的功能建模。功能模型作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次更高級的抽象層，將功能通過結(jié)構(gòu)關(guān)系圖表達(dá)，方便設(shè)計者構(gòu)思設(shè)計[11]。功能轉(zhuǎn)用實質(zhì)上是功能泛化和細(xì)化的過程，即將設(shè)計源產(chǎn)品模型中定義的功能載體、功能對象抽象拓展為一般形式，建立一般功能模型，再將其具體為特定形式，形成設(shè)計目標(biāo)的功能模型。功能轉(zhuǎn)用的過程，實現(xiàn)了從一般化到特殊化的模型演繹。

功能泛化、細(xì)化結(jié)合效應(yīng)知識庫、現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)驗用組合、分解、替換方法對功能和結(jié)構(gòu)重新架構(gòu)，形成可操作的具體路徑。其中圖2是泛化組合的過程圖。

圖2 泛化組合圖

泛化的過程根據(jù)設(shè)計要求，將具備組合特性的功能或者結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行組合優(yōu)化[7]，泛化后的功能在更高層次上描述了產(chǎn)品的效用，而細(xì)化就是將泛化的功能正確地分解，以實現(xiàn)具體化[13]，圖3所示為細(xì)化分解的過程。最后泛化組合和細(xì)化分解后的功能單元用領(lǐng)域現(xiàn)有知識來求解替換。

圖3 細(xì)化分解圖

1.4 功能映射

功能與結(jié)構(gòu)之間制在映射關(guān)系，映射就是功能和結(jié)構(gòu)之間反復(fù)對應(yīng)設(shè)計，用于實現(xiàn)所需功能[14]。在泛化和細(xì)化過程中，可以將初始結(jié)構(gòu)表達(dá)為功能，實現(xiàn)初始結(jié)構(gòu)-功能，再由功能-新結(jié)構(gòu)的映射過程，使得模型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的過程簡化。

2 案例分析

骨折復(fù)健要求越來越高，骨折醫(yī)療器械除了配合患者的恢復(fù)鍛煉，還要考慮到穿戴舒適、個性化，適用于不同個體。下面就以手臂骨折夾板的設(shè)計來驗證上述方法。

2.1 分析確定設(shè)計源

通過待設(shè)計手臂夾板的功能流分析如圖4所示，通過分析輸入與輸出之間的轉(zhuǎn)換找到功能特征與之匹配的專利。即要固定骨折的手臂，還要緩沖手臂運(yùn)動與夾板之間的擠壓力，確定的檢索詞：（固定OR保護(hù)）+（肢體OR某一物體），進(jìn)一基地，具體為（固定OR保護(hù)）+（手臂、腿OR樹木、瓶子），以此檢索專利知識，獲取同領(lǐng)域和不同領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)，從中篩選可用功能原調(diào)相似的設(shè)計源。

圖4 夾板功能流分析圖

由于同領(lǐng)域夾板專利相當(dāng)成熟，并且結(jié)構(gòu)較為簡單，所以從不同領(lǐng)域?qū)＠羞x擇，確定以CN201510224104.5[15]的紅酒包裝盒專利，如圖5所示為設(shè)計源進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

圖5 紅酒包裝盒圖

2.2 功能建模

所選擇的包裝盒由桶體、桶蓋和螺旋保護(hù)器三部分組成。其中，桶體包括盒體展示口，壓縮彈簧，鎖緊壓板和外螺紋。桶蓋設(shè)有內(nèi)螺紋，與桶體外螺紋配合連接開啟盒蓋。根據(jù)各結(jié)構(gòu)之間的連接和作用關(guān)系建立包裝盒的功能模型如圖6所示。

圖6 包裝盒功能模型圖

2.3 功能轉(zhuǎn)用與結(jié)構(gòu)映射

完成設(shè)計源的功能建模之后，考慮將該功能模型轉(zhuǎn)用于設(shè)計目標(biāo)的建模中。將紅酒包裝盒的功能模型進(jìn)行泛化處調(diào)得到新的功能模型。該包裝盒整體為圓筒形，與圓柱型酒瓶形層對應(yīng)，主要是為了包裝、固定酒瓶，泛化功能為容納；桶體的外螺紋和桶蓋內(nèi)螺紋配合功能組合為一體，形成閥腔體，查詢知識技術(shù)庫，閥腔體的功能可替換為容納。泛化的過程如圖7所示。

圖7 泛化組合圖

包裝盒作用對象是酒瓶，可以拓展為易破壞的物體；將螺旋保護(hù)器結(jié)構(gòu)的功能表達(dá)為緩沖保護(hù)，可將該功能映射為緩沖連接結(jié)構(gòu)，得到一般功能模型如圖8所示。

圖8 一般功能模型圖

泛化后的模型建立完成，進(jìn)行功能模型細(xì)化。容納裝置功能為安裝保護(hù)，此功能映射到形層是方形或弧層等，易破壞的物體具體為設(shè)計目標(biāo)的作用對象手臂，要安裝保護(hù)手臂并且形層是方形或弧層的裝置映射到外部結(jié)構(gòu)可為整體防護(hù)套、片式夾板，但整體防護(hù)套穿戴不便，所以采用個性化四片式夾板，使整個手臂被包裹覆蓋。緩沖連接結(jié)構(gòu)可將其分解為緩沖和連接兩個功能，查找現(xiàn)有知識技術(shù)，具體細(xì)化為隔離、保護(hù)兩個功能。采用中介物形式來實現(xiàn)隔離功能，緩沖夾板與手臂之間的力度，為此在夾板和手臂之間設(shè)置內(nèi)部墊片；針對夾板保護(hù)手臂的功能，夾板要貼合手臂，不能松動，所以采用外部輔助裝置，選取低成本的纏繞帶來固定夾板和手臂。細(xì)化的過程如圖9所示。

圖9 細(xì)化分解圖

在圖5模型中，展示口形層適合酒瓶輪廓的功能，對應(yīng)于夾板的外輪廓也要與手臂輪廓相適應(yīng)，所以外輪廓邊緣隨著手臂弧線變化；此外，還有板面變化，其應(yīng)與手臂表面貼合以達(dá)到匹配手臂曲率的目的。最后得到的夾板模型圖10所示。

圖10 夾板功能模型圖

手臂夾板的初始功能模型已經(jīng)形成，進(jìn)行完善補(bǔ)充。手臂在夾板的包裹下要進(jìn)行透氣散熱達(dá)到舒適的要求，組合同領(lǐng)域技術(shù)，在板面上開設(shè)透氣孔，并設(shè)為方形，最后由功能模型到結(jié)構(gòu)實體，圖11就是設(shè)計的夾板。

圖11 夾板實體圖

通過功能轉(zhuǎn)用方法，實現(xiàn)了包裝盒的功能模型成功運(yùn)用到夾板的建模中，完成了夾板設(shè)計，并已申請了專利。該方法為設(shè)計建模提供較好的思路和指導(dǎo)，使產(chǎn)品建模過程簡單化。

3 結(jié)論

本文通過功能轉(zhuǎn)用的方法建立設(shè)計目標(biāo)的功能模型再實現(xiàn)功能到結(jié)構(gòu)的映射，從而完成了產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。從設(shè)計源功能模型入手，對模型中的功能或結(jié)構(gòu)進(jìn)行泛化組合、細(xì)化分解、知識替換和功構(gòu)映射，得到特定的功能模型，為新產(chǎn)品的功能建模提供了簡捷高效的方法。該方法可實現(xiàn)不同領(lǐng)域產(chǎn)品模型的變換創(chuàng)新，設(shè)計者不僅僅局限于應(yīng)用同領(lǐng)域產(chǎn)品的模型，更是從不同領(lǐng)域搜索知識，擴(kuò)展思維，建立產(chǎn)品的功能模型，縮短產(chǎn)品創(chuàng)新的周期，提高設(shè)計效率。

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