2. 浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室, 浙江 宁波 315211
2. Key Lab of Part Rolling Forming Technology of Zhejiang Province, Ningbo 315211, China
在当今企业竞争趋于白热化的时代,创新成为企业生存的关键因素之一.创新技术途径有3种类型,分别是原始创新、集成创新和消化吸收再创新.相较于前2种,消化吸收再创新则是短时间内更容易实现的创新方式[1, 2, 3].事实上产品之间的组合设计也是建立在消化吸收再创新基础上的创新,生活中大量产品能够通过合理的组合达到创新的效果,这样既能节约资源,也能给人们带来更大的方便.
产品的概念设计是设计过程中最关键的阶段,而设计者的创造性思维也集中体现在这一阶段.有关概念设计方法的研究中,有大量关于功能与结构之间关系的研究.如:Qian，Gero以及Umeda等[4, 5, 6]人提出了“功能-行为-结构(FBS)”设计模型,构建了功能、行为、结构三个层次之间的相互映射关系,随后Deng等人[7]在总结前人研究的基础上建立了基于因果行为过程(CBP)的“功能-环境-行为-结构(FEBS)”模型.可见,分析不同产品功能之间关系,对实现结构上的组合设计具有重要的意义.
有关组合的概念,邹慧君等[8]从产品创新设计理论和方法的角度,提出创新技法上的组合创新法和创新法则中的组合法则;陈亚琴等[9]在机构的组合创新设计中作了相关的研究,将其总结归纳成5类联接模式,分别为串行、并行、混合、封闭式、叠加联接模式,并提出了3种机构叠加方式以及具体的叠加途径;孙守迁等[10]在产品创新过程中组合原理的相关概念方面作了详细的研究,并针对基于组合原理的创新方法进行了3个层次的全面概括.这些研究的目的在于实现功能的创新组合,为功能创新提供了一定的理论基础和方法基础,但目前还缺乏针对任意产品之间组合设计的具体实施方法.可见,针对功能组合设计方法的研究还需不断完善.
另一方面,目前有关组合设计的具体设计方法研究中,如可变功能机械基于功能-结构模型的设计变更[11]和可变功能机械行为链序相似性及应用[12],此类设计大部分是在某一类产品功能、行为、结构、原理相似的基础上实现的组合设计,这类研究能够在一定程度上获得满足需求的可变功能机械系统设计方案,但具有局限性,容易使得设计者的创新思维受到局限.本文将针对这类问题,探索针对任意产品之间功能组合的创新组合设计思路.
1 可变功能机械组合设计 1.1 功能组合设计关系模型功能组合[13]是在保持各自原有的功能单元特性基础上,以一定的原则或规律组合成综合性能更加完善和合理的多样化功能系统.
对多功能组合产品中涵盖的多种子功能进行分析,设该组合产品综合功能为U,它可分解成一些子功能,分解过程形式化为
| $ U=\left( {{U}_{1}},{{U}_{2}},\cdots ,{{U}_{m}} \right), $ |
多功能组合产品子功能之间在组合前都具有紧密关联,功能之间的组合可依据功能之间时序关系分为并行组合、串行组合及混合型组合.本文作为对组合设计问题的初步探讨,仅分析前2种情况.
1) 并行组合关系.如图 1(a)所示,是指参与组合的功能单元之间不构成上下承接运行关系,具有并行进行功能运转的组合方式.
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| 图 1 功能组合关系模型 Fig. 1 Functional combination relationship model |
2) 串行组合关系.如图 1(b)所示,是指参与组合的功能单元之间具有上下承接关系的组合方式,具有串行进行功能运转的组合方式.
1.2 多功能组合设计分析通过分析,对于并行组合关系,基于同一产品族是这类组合设计的最典型的特性.如图 2所示,多功能组合钳,它是将老虎钳、鱼鳞锯、开罐器、小刀、内六角、一字螺丝刀、十字螺丝刀、内六角等等同一产品族产品进行组合设计.类似的产品还有如多功能榨汁机、多功能微耕机、数控加工中心等等,其实现结构上具有某种程度的相似性,设计者容易实现其组合设计,而串行组合关系,还缺少合适方法对其进行组合设计.
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| 图 2 多功能组合钳及多功能榨汁机 Fig. 2 Multi-function combination pliers and juicer |
事实上,串行组合产品功能之间存在一条紧密关联的功能主题链,如市场上热销的勺子称,如图 3所示.称少量的物品时,先使用勺子功能舀起物品,后使用秤的功能进行称量,这种功能上下承接的关系就形成了一条紧密关联的功能主题链.该功能主题链是实现组合设计的前提,因此,可探索构建一种不局限于功能上下直接承接关系的任意不同产品之间功能主题链,以此为组合设计前提,并探索实现其组合的设计方法.
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| 图 3 勺子秤 Fig. 3 The spoon combination weighing |
2个不同的物体之间都存在某些共有的属性,即使两者之间并无直接联系，但通过分析,总存在合适的主题链将两者有效关联.
关联法:任何2个不同的物体,以其中之一为目标,另一个则为起始点,通过某一主题构建起两者的联系,通过中间关联名词不断朝着目标方向关联并最终到达目标.主题链模型如图 4所示.其中A为起始名词,B为目标名词,1至N为关联名词,起始名词到目标名词整个关联过程称之为主题链.例如苹果和牛,以苹果为目标,牛为起点，其主题链构建如图 5所示.关联过程由牛关联耕地再关联种植苹果树,最后生产苹果.
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| 图 4 功能主题链模型 Fig. 4 Functional theme chain model |
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| 图 5 牛与苹果之间的主题链 Fig. 5 The theme chain between apple and cattle |
不同的设计者有不同的思维,因而,同样的物体之间可能会有多种不同的关联方式,因而会构建出多条不同的主题链.考虑到在实际的产品组合设计过程中的可能性及合理性,因此,在建立两产品之间的功能主题链时设定如下规则:
规则1 功能主体链构建过程中须以产品之间功能紧密关联为目标(功能主题链构建的目的在于建立产品的功能之间紧密联系).
规则2 关联名词之间须有必然的逻辑关系(即相邻的名词之间存在紧密的关联,生活中易将其相互联系).
规则3 功能主题链取短原则.通常可设定中间关联体不超过5,主题链越长两者之间的关联度越小,最后会失去组合设计的意义.功能主题链中间关联名词数大于或等于1,当无中间关联名词时,为直接关联.
3 基于功能本体的创新组合设计方法 3.1 功能本体功能本体[14]被定义为一种既涵盖功能术语又明确术语间规范关系的体系,其主要目标是寻求构建一种共同认可的功能领域知识体系,促进功能领域内知识共享.在功能本体知识库中包含了该领域内各种共同认可的功能词汇,在这些功能词汇之间进行了不同层次和类别的划分.
每个复杂系统所对应的功能模型都可分解为各个子部件对应的功能模型的组合形式,通过功能本体库可以查找到各子部件的功能表述,实现功能的概念化,根据层次和类别的划分便于找到同义、近义和反义的功能表述,如功能本体库中“隔离”的近义表述为“分离”“隔开”等,而与之相反的语义表述为“接触”“吸引”等.功能概念化语义表述对于从功能上进行创新设计具有重要意义.
3.2 创新组合设计方法基于功能主题链和功能本体的创新组合设计,其设计过程实质上是以产品功能分析为设计始发点,以功能本体及FBS相关理论为理论基础,最终实现预定功能的组合;整个过程以构建功能主题链为组合设计前提,以功能本体知识拓展为创新组合设计思想,以功能-结构模型映射过程为组合基本操作路线,最终实现结构体的组合设计.图 6为组合设计基本流程图.整个组合设计过程在产品功能之间满足构建功能主题链规则前提下,分为如下5个步骤:
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| 图 6 创新组合设计流程图 Fig. 6 Process flowchart of innovative combination design |
1) 分解需组合的产品并列出各个主要子部件,查找功能本体知识库,列出各产品的主要子部件所对应的功能语义表述,对比找出其中相同的或相近的语义表述.
2) 构建产品功能-结构映射模型,将查找到的相同或相近的语义表述所对应的功能映射在各自的功能模型中并标记,将标记的功能模块映射到结构模型中,并作相应的标记.
3) 以标记的结构模块为组合契合点,在结构模型上进行产品结构体的组合,得出产品的组合设计基本结构模型.
4) 基于组合设计基本结构模型,联系实际结合相关的设计知识完善设计,最终得出合理的组合设计结构模型.
5) 将最后得到的组合设计产品进行功能和性能测试,若达到设计的预期目的,则组合设计成功,若无法满足预期的要求,分析寻找组合失败的原因,并按照基于功能本体的创新组合设计方法进行新一轮的组合设计.
图 7为创新组合设计模型,图中产品1中主要部件1对应功能1,产品2中主要部件1′对应功能1′,查找功能本题知识库,两者功能语义表述相同,以此作为组合设计的发起层,基于FBS理论中功能-结构相互映射关系,分别将功能1与功能1′映射到各自产品的功能模型中,并由功能模型映射到产品结构模型上,获取一组对应的结构模块1与结构模块1′,以此作为组合设计的执行层,在结构模型上进行组合设计,最后结合设计相关知识并联系实际进行完善并得出最终的组合设计模型.
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| 图 7 创新组合设计模型 Fig. 7 Innovative combination design model |
目前家用洗衣机和健身自行车被广泛使用于家庭中.洗衣机能给人们在生活上带来极大的方便,家用洗衣机主要工作原理是接通电源启动电动机,经传动机构带动旋转机构使洗衣桶旋转运动,依靠洗衣桶底部的波轮正、反转,带动衣物上、下、左、右不停地翻转,使衣物之间、衣物与桶壁之间,在水中柔和地摩擦,在洗涤剂的作用下实现去污清洗;健身车可以帮助工作繁忙的人们在家里也能得到锻炼,健身车运转原理主要由脚踏板连接驱动轮,通过传动带带动飞轮旋转.但两者的功能单一,资源利用率低,且占用空间大,因此可尝试将两者进行有效创新组合设计.
按照基于功能本体的创新设计方法,首先对洗衣机及健身车构建功能主题链,建立两者功能之间关联,如图 8所示,该功能主题链将健身车和洗衣机功能紧密关联,符合功能主题链构建规则.
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| 图 8 健身车与洗衣机的功能主题链 Fig. 8 The theme chain between exercise bicycle and washing machine |
基于以上的组合设计方法,对洗衣机和健身车进行分解,运用计算机辅助设计系统,在系统中输入各分解后的主要部件.通过系统数据库,如常用机构数据库会以<机构>=<名称,类型,功能,详细信息>的形式显示,各元素在数据库中的表示:
{
name:<string>
type:<string>
func:<string>
detail:<string>
}
通过在计算机辅助设计系统中输入各主要部件获取相应功能表述,列出相近的功能表述词汇对应的部件.查找常用机构数据库：在健身车中,部件飞轮显示的功能表述如图 9所示；洗衣机中，连接洗衣桶的旋转机构显示的功能表述如图 10所示.
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| 图 9 “健身车飞轮”的具体表述 Fig. 9 The specific expression on flywheel of exercise bicycle |
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| 图 10 “洗衣机旋转机构”的具体表述 Fig. 10 The specific expression on rotating mechanism of washing machine |
所以飞轮和旋转机构的功能表述相同.将健身车中的飞轮和洗衣机中连接洗衣桶的旋转机构映射到各自的结构模型中,并在结构模型中组合,通过联系实际选择将旋转机构代替飞轮,即旋转机构作为健身车和洗衣机公共构件,既不会改变健身车的功能,也不会影响洗衣机的正常运转,有效地将两者组合.整个设计过程模型如图 11所示，为进一步完善整个设计,在整个组合设计中增加电能转换装置,能够将健身过程中产生的能量转化为电能,使得健身过程所产生的能量得到充分利用.最终组合结构模型如图 12所示.
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| 图 11 健身型洗衣机创新组合设计过程模型 Fig. 11 Innovative combination design process model of a fitness-type washing machine |
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| 图 12 健身型洗衣机结构模型 Fig. 12 Structure model of fitness-type washing machine |
在基于功能本体的创新设计方法指导下实现健身车和洗衣机功能组合,其物理结构模型如图 13所示.组合后的健身型洗衣机在保持健身车及洗衣机原有功能的基础上,可利用电源通电洗衣,在运动时健身车转化的电能充足的情况下,也可使用转化电能洗衣,实现了资源互补、节约能源、节约空间.将节能环保与健身紧密地结合在一起,在当今所倡导的能源节约型社会具有积极意义,更有利于激发人们的节能和健身意识,这样的组合设计实现了真正意义上的创新组合.
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| 图 13 健身型洗衣机 Fig. 13 Prototype of a fitness-type washing machine |
通过不同产品的功能组合进行设计是实现组合创新的一个重要手段.本文提出基于功能主题链和功能本体的创新组合设计策略,通过构建不同产品之间功能主题链,建立功能之间的相互关联,建立产品之间外在联系;通过功能本体知识库查找部件功能语义,对比相同或相近的语义表述,以此为组合契合点,基于功能-结构模型,最终实现结构上的组合设计,从而实现产品之间由外到内的创新组合设计.该方法具有很强的实践指导意义,对功能单一的产品面向多功能组合设计奠定了一定的理论基础.
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