《现代设计方法》课件第6章.ppt

1、第6章 概念设计 第第6章章 概念设计概念设计6.1概述概述 6.2产品概念设计产品概念设计 6.3其它概念设计其它概念设计 第6章 概念设计 6.1概述概述6.1.1定义、特点及设计主意的生成方法定义、特点及设计主意的生成方法1.概念设计的定义及特点概念设计的定义及特点概念设计自1984年提出到现在已经有20多年了，但关于概念设计的定义、内涵及研究内容等，目前仍存在不同的理解。以下是主要的几种观点：第一种观点认为：在明确设计任务后，通过功能抽象分析，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，得出基本求解途径和求解方案，这一设计过程就是概念设计。第二种观点认为：概念设计首先要弄清设计要求和条

2、件，然后生成框架式的广泛意义上的解。这里的“框架式的解”是指设计问题的一个轮廓，每个主要功能都可以对应到这个轮廓上，通过原理部件间的空间或结构上的关系，使它们有机地结合起来。第6章 概念设计 第三种观点认为：概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能结构设计，是功能求解和实现功能解的载体方案的构思和系统化设计过程。还有一种观点认为：概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。第6章 概念设计 尽管观点不完全相同，但从中可得出概念设计过程的主要特点。（1）概念

3、设计的过程是功能空间向结构空间的映射过程。（2）概念设计是在大量知识背景的支持下，在广泛的求解空间中的综合优化问题。（3）解决同一个技术问题的办法是多种多样的，满足一定的目的设计方案也并不是唯一的。任何设计对象本身都是一个由多种因素构成的功能系统，其参数的选择、尺寸的确定、结构形式的构想等都有很强的选择性。第6章 概念设计（4）概念设计的过程是一个综合复杂的过程，要通过人机交互才能很好地完成设计任务。（5）由概念设计方法所转变成的具体设计，只要能表达出方案的具体构造，看看能否完成预期功能即可，不必确定详细的尺寸。（6）概念设计要求能快速地生成产品的构造，如同设计者在白纸上勾画草图那样来表达自己

4、的思想。第6章 概念设计 2.设计主意的生成方法设计主意的生成方法设计主意的生成是概念设计的最初阶段，设计者想出一些关于产品构成的最原始的想法，这些想法能巧妙地完成产品的功能。设计主意的生成方法有两大类：第一类是直觉法。例如在第3章（创造及创新设计方法）中介绍的智暴法、635法、德尔菲法以及协作草图法（635法的一种变异，与635法的不同点仅在于参与者的设计主意是用草图的方式表达，所有草图轮流经过参与者的修改）。第二类是逻辑法。例如设计目录法、反向推理法、正向推理法、设计因素及设计系统的合成法、公理设计法和TRIZ方法等。第6章 概念设计（1）公理设计法（AxiomaticDesign，AD）

5、。AD试图确立主导所有设计的一般规律，其最终目标是为设计建立科学基础，向设计者提供设计的科学依据以提高产品设计能力，其目的是提高设计的创造性，减少设计的随意性与设计中的错误和不合理性。AD的出发点是在传统的以经验为主的设计方法的基础上，建立以科学公理、法则为基础的公理体系。AD认为问题的设计域由用户需求域、功能域、物理域和过程域构成，产品设计过程就是这四个域之间的映射过程。AD为产品方案的设计、评价和设计的出发点提供了最本质的规则。第6章 概念设计（2）TRIZ方法。TRIZ为俄文TeorijzRezhenijaIzobretatelskichZadach的缩写，英文（TheoryofInve

6、ntiveProblemSolving）缩写为TIPS，意为“发明问题解决理论”。TRIZ方法提出：用39个标准参数、40条发明原理、冲突矩阵、76个标准解和发明问题解决算法等一整套理论来解决各工程领域的创新问题。该法综合多个学科领域的原理和法则，建立一个由解决技术问题、实现创新开发的各种方法和算法组成的综合理论体系。TRIZ方法首先是将特殊问题抽象为一般问题，用规范化语言描述问题的功能，用标准参数表达工程技术冲突方式等；然后利用启发式原理和技术效应等知识和法则来解决一般问题；最后再从一般问题的解回到特殊问题的解。TRIZ方法是基于知识的创新方法，不是灵感的闪现，具有很强的指导性和操作性，其结

7、果往往具有较强的创新性。第6章 概念设计 6.1.2基于多自主体的概念设计方法基于多自主体的概念设计方法基于多自主体的概念设计方法是一种人工智能型的设计方法，称为ADesign。该法的主要目的是通过各种类型的自主体之间的交互和沟通来建立一个概念设计的设计结构和工具，它能够表达在市场需求改变条件下的设计方案。ADesign的结构具有灵活性，可以和其它设计方法联合使用，以扩大设计功能。例如，机电一体化产品的ADesign自主体组成如下：第6章 概念设计（1）结构自主体。这是在全系统中综合性最强的一个自主体，它具有提取设计者所定义的有关产品设计的输入和输出信息的能力；有选择其它自主体的能力，以求达到

8、完成产品功能的目的；可以确定在整个设计过程中哪一部分工作需要特别注意；可以确定为了满足产品的功能要求哪一部分工作需要再深入具体化。为了达到上述目的，结构自主体要紧密地和产品的功能表达部分结合。结构自主体要有能力在一开始设计时就引导设计者探索一些有活力的概念设计方案，并且能引导可能的设计结果，以求达到有希望求解的空间，产生多个求解方案，然后再进一步达到一个较好的结果。这是一种随机搜索和固定目标指向相结合的自主体，它使得结构自主体能够求解一些较为困难的概念设计问题。第6章 概念设计（2）事例化自主体。事例化自主体中具备描述设计行为的公式，并能确定最适合设计的部件。部件储存在目录库中，包括设计变量值

9、及评价信息。（3）分离性自主体。分离性自主体的功能是在设计过程中将设计部件从整体系统中分离出来，以便进行改进设计，促使设计系统趋于优化。分离性自主体可以选择个别的对设计系统不利的部件从系统中分离出来进行修改，将修改好的设计方案返回到结构自主体中。第6章 概念设计（4）子系统自主体。与分离自主体的功能相反，子系统自主体是将某些部件重新组合成为一种新的子系统，这些重新组合的子系统是整个设计系统中新的装配体，具备更好的功能。（5）管理自主体。管理自主体是管理设计和自主体的机构。它的功能是负责在各种自主体之间进行交流及反馈，并能在设计过程中控制设计参数。它可以调整各种自主体和设计之间的关系，使设计结果

10、趋于优良。第6章 概念设计 以上自主体都有其独立的功能，并能开发成工具软件，可以接受全部设计或部分设计任务，然后将修改后的设计或增加了内容的设计结果反馈回去。在反复交互过程中，管理自主体可以对较好的设计作出决策，并且决定这些自主体在过去的操作过程中如何重新组织，如何被惩罚和嘉奖。第6章 概念设计 ADesign系统的工作过程如下：（1）输入设计的功能描述、产品特性及设计系统的输入参数和输出参数。（2）由Cagent建造初步设计方案，并抽取设计公式。（3）进入Iagent进行事例化，并对初步方案进行评价。（4）将初步设计方案分类，如果有最优的方案，则可准备采用；如果有最差的方案，则抛弃。对较好的

11、方案，将设计系统进行分解和重新组合，然后再对设计系统进行评价，反复多次，直至产生另外一些最优方案。第6章 概念设计 6.2产品概念设计产品概念设计 6.2.1定义及特点定义及特点1.概念产品的定义及其结构模型概念产品的定义及其结构模型1）概念产品的定义什么是概念产品？一般倾向于认为：概念产品是在满足预定功能的条件下，各原理部件在空间或结构上的有机组合的整体形式，一般强调它只在原理层次上反映功能，而不要求具备很精确的三维结构方面的信息。这种观点的缺陷在于：不具备三维结构的概念产品很难提供对其进行评价决策所需要的重要信息，如成本、可制造性、可装配性等，从而在很大程度上失去了其本身存在的价值。第6章

12、 概念设计 基于市场化的、面向企业的概念产品的定义是：概念产品是产品总体系统特征、性能、结构、尺寸形状的描述和实现。概念产品用以评估、验证产品对市场的适应性和符合产品需求说明书的满意度，它是制定、实施产品后续开发过程（即生产、营销、服务等）的技术基础。概念产品不是直接用于生产、营销、服务等的最终产品，而是制造企业开拓市场、赢得竞争的工具。通常根据市场及用户的需要，通过总体性能、结构、尺寸形状和系统技术特征参数来表达和实现产品的市场可竞争性、可生产性、经济性及可维护性等。第6章 概念设计 可竞争性、可生产性和经济性是概念产品的企业属性，主要尺寸、形状和功能描述是概念产品的用户属性。概念产品与普通

13、产品一样，具有实体属性、形式属性和延伸属性。概念产品应包括产品的功能信息、原理信息、简单的装配结构、简单的零部件形状信息、基本的可制造与可装配信息、市场竞争力与成本信息、可服务与维修信息，可以通过功能性、原理可行性等来验证其主要性能特征或进行动态仿真。第6章 概念设计 2）概念产品的结构模型典型的概念产品的基本结构包含如下六个主要单元。概念产品的结构模型如图61所示。第6章 概念设计 图61概念产品的结构模型 第6章 概念设计 （1）工作单元：实现主要功能或效能的单元，它是概念产品组成的主要部分。工作单元设计得是否合理，对满足用户需求起关键的作用。（2）辅助单元：是保证工作单元正常工作所必需的

14、单元。它的存在可以最大限度发挥工作单元的功能，满足用户的需要。（3）魅力单元：为满足用户感官与精神需要，充分表现产品形象质量，提高附加值，促进市场营销而设计的单元，是产品竞争力的基本组成部分。它可能是某种实体结构，也可能体现为产品的造型、色彩或人机协调，以及适应流通需要的包装等形式。第6章 概念设计（4）驱动单元：以期望的方式向本身或其它单元提供所需能量的单元，包括能量的接收、转换、传递与分配等。（5）控制单元：接收和处理有关信息，发出指控指令。（6）联接与支撑单元：实现概念产品内部单元之间及产品与外部的联接与支撑，包括单元输入和输出间的联接，以及各单元空间位置的联接，将各单元联接到固定系统上

15、可实现其支撑功能。第6章 概念设计 2.产品的概念设计产品的概念设计1）产品概念设计的定义产品概念设计以设计出概念产品为目标，根据概念产品的定义，可将概念设计定义为：概念设计是从分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。第6章 概念设计 2）概念设计过程分析用户需求到生成概念产品的过程称为产品概念设计过程。一般情况下，设计人员在进行创造性思维的过程中，总是在已有经验和知识的基础上，根据用户的产品需求，按照一定的、有规律的设计步骤和流程，再结合贯穿始终的想象力与灵感，设计出符合用户需要的概念产品方案。在

16、产品的概念设计过程中，需要选择方案的自由度。自由度大，约束相对较少，不确定因素多，创新的空间大，可发挥创造力取得最大效果，但带来的设计决策风险也大。设计自由度与设计知识间的关系曲线如图62所示。第6章 概念设计 图62设计自由度与设计知识间的关系曲线第6章 概念设计 产品概念设计过程集P2是产品设计过程P的元素，如图63所示。P2可以被描述为从需求到概念产品解的过程，它拥有自己的子过程元素，如下式所示：P2=需求分析，功能分析，寻求子原理解，概念产品评价=P21，P22，P23，P24 与P2相对应，产品概念设计状态集Q2是虚拟产品设计的状态集Q的元素，Q2有自己的子状态元素，如下式所示：Q2

17、=需求说明书，功能解答，原理解答，概念产品解答=Q21，Q22，Q23，Q24 其中Q21、Q22、Q23、Q24分别表示需求集、功能集、原理集、概念产品集。第6章 概念设计 图6-3 产品概念设计过程P2模型第6章 概念设计 每个集合都可以用若干个特征变量来表示。集之间的关系可表示为：)(22RF，)(23FPh，)(24PhCP。这里的21、22、23、24分别表示控制与约束网络间的映射关系，R、F、Ph、CP分别为需求集、功能集、原理集和概念产品集的具体符号表示。2222 1,iiiiPQQ niiPP122（i=1，2，3，n）最终的产品概念设计方案为 222PIQO概念产品设计过程2

18、P可以用 Q21、Q22、Q23、Q24集、集间映射关系21、22、23、24、各集分解所组成的分布层次网络结构组成，如图 6-4 所示。该图描述了概念产品设计过程 P2的分解与综合的步骤、流程以及各个层次的详细定义。第6章 概念设计 图6-4 产品概念设计过程层次 第6章 概念设计 6.2.2定性形状建模定性形状建模1.概念设计过程的定位概念设计过程的定位根据设计理论、计算机技术以及相关科学技术的发展现状，可以认为，基于计算机的产品概念设计系统仍然属于一种计算机辅助概念设计系统。也就是说，可用计算机来处理产品概念设计过程中那些相对有规律的设计工作（步骤和流程），主要体现在依据规则和知识库对问

19、题进行求解、分析、综合等。例如，可以把若干个子解答组合成各种可能的方案，从而提供人脑意想不到的组合方案，而设计过程中那些对产品最富于创造性的、最有价值的设计思想，则仍由人脑来产生。所以，设计的原创性目前只能由人来完成，计算机只能模拟人已有的经验与思路。第6章 概念设计 2.概念设计过程的建模概念设计过程的建模在产品概念设计中，从分析用户需求到生成概念产品，这是一个从抽象到具体，逐步精化、进化和展开的推理与决策过程。在宏观上，它表现为如图63所示的四个集合之间的逐级映射，在微观上又可以把它划分成更详细的设计推理决策步骤，如图65左半部分所示，右半部分表示推理决策步骤的阶段性结果（其中椭圆表示推理

20、结果，方框表示决策结果）。图66表示概念设计过程的层次模型。第6章 概念设计 图65概念设计过程模型 第6章 概念设计 图66概念设计过程的层次模型 第6章 概念设计(1)问题的辨别与抽象。设计系统依据知识库对产品定义进行辨别与抽象，形成抽象的、可操作的产品设计需求问题（计算机可处理的形式化表达）。(2)过程分解。设计系统按照主要过程、辅助过程、驱动过程、控制过程、联接与支撑等五方面将与结构有关的需求分类并分解。(3)功能分解。依据被分解并分类的需求和知识库中的“功能定义及功能关系定义模块”，可推理出上述五个过程内部包含的基本功能。第6章 概念设计(4)子功能和功能元分解。根据知识库中的“功能

21、与原理解匹配模块”，直接寻找与上述每一个基本功能相匹配的单元原理解。如找不到合适的解答，则重新依据知识库中的“功能定义及功能关系定义模块”将上述基本功能进一步分解成子功能、不能再分解的功能元，直至找到与其相匹配的单元原理零部件解。(5)组成功能产品。利用上述分解推理过程中所继承的功能实体之间的关系，依据知识库中的“功能定义及功能关系定义模块”，将上述功能实体组合成初始设计问题的若干个功能产品解（由全部必需的功能、子功能、功能元及其相互的关系所组成的结构模型）。第6章 概念设计(6)功能产品方案评价。依据设计需求对上述若干个功能产品解进行“功能满足度”的评价，并选择出满足设计功能需要的最佳功能产

22、品解。(7)构成原理产品方案。由于上述最佳功能产品解包含的每一个功能、子功能、功能元都可能对应着若干个与其相匹配的单元原理零部件解，因此依据最佳功能产品解内部所定义的功能关系结构，系统可依次推理将这些单元原理解构成若干个原理产品方案（由全部必需的单元原理解及其更加密切、更加详细的联接关系所组成的结构模型）。第6章 概念设计(8)原理产品方案评价。依据设计需求对上述若干个原理产品解方案进行“原理可行性”评价，并选择出满足设计需求的原理上可行的最佳原理产品方案。(9)零部件构形。按照最佳原理产品方案中每一个单元原理解所承载的功能和所起的作用，推导出其所对应的物理零部件的一系列功能特征单元（用数量、

23、位置、形状及大小四个参数来描述）。根据“功能特征构形禁区”原则构造其非功能表面（自由表面），从而生成其零部件的基本外形结构。第6章 概念设计(10)产品装配结构布局。以最佳原理产品方案中单元原理解之间的联接关系及单元原理解所承载的配合功能和所起的作用作为输入，将它们转化为一系列装配特征和装配约束，利用“坐标系约束法”及“位置约束法”来完成产品的装配结构布局。(11)概念产品评价。以“概念产品的评价体系”为判据，对概念产品进行全面评价，以获得最优概念产品方案。第6章 概念设计 概念产品设计是一个推理与决策的过程。推理是指在一定控制策略的指导下，依据局部设计要求（约束），搜索知识库中的可用知识，与

24、知识库中的数据库匹配，产生或论证新的事实。决策是指依据各种判据，对推理得出的、符合需要的结果进行评价，并做出选择。其中，推理活动主要由局部设计代理（LAD）来完成，而设计过程中各个阶段性产品方案的评价决策活动则主要由全局管理代理（GMA）来完成。第6章 概念设计 3.产品概念设计过程的知识表达产品概念设计过程的知识表达1）概念设计问题归约问题归约是一种问题描述与求解方法，该法首先把一个复杂的原始问题分解为若干个较为简单的子问题，每个子问题又可以继续分解为若干个更为简单的子问题，重复此过程，直到不需要再分解或者不能再分解为止（这种不能再分解或变换，而且直接可解的子问题称为本原问题），然后对每一个

25、子问题（本原问题）分别进行求解，最后把各个子问题的解复合起来就得到了原始问题的解。第6章 概念设计 产品概念设计的原始问题可以通过一系列分解变换归约为一个本原问题的集合，然后对每一个本原问题分别进行求解，最后把各个本原问题的解综合起来，就可以得到概念设计原始问题的解，如图67所示。在这里，一个抽象化的设计问题（ADP）可以被看做原始问题，功能元（EFi）被看做本原问题，最优原理方案（CP）则是原始问题（ADP）的解。第6章 概念设计 图67概念设计问题归约模型 第6章 概念设计 2）概念设计问题的“与/或”树表达(1)“与/或”树的定义。“与/或”树是表示问题及其求解过程的一种形式化方法。例如

26、，把问题P分解成三个子问题P1、P2、P3，只有三个子问题都可解时，问题P才可解，称P1、P2、P3之间存在“与”关系，称节点P为“与”节点。P、P1、P2、P3所构成的图称为“与”树，如图68(a)所示。用符号表示为：PP1P2P3，这里的“”表示等价。如果把问题P变成三个子问题P1、P2、P3，则只要其中有一个可解，问题P就可解，称P1、P2、P3之间存在“或”关系，称节点P为“或”节点。P、P1、P2、P3所构成的图称为“或”树，如图68(b)所示。用符号表示为：PP1P2P3。第6章 概念设计 图68“与”树和“或”树 第6章 概念设计 图69“与/或”树 第6章 概念设计 图610问

27、题规约模型的“与/或”树表达 第6章 概念设计 3）原始问题解的判定（1）可解节点的判定。在图610中，满足下列条件之一的节点，称为可解节点。它是一个原理解节点（PSi）。它是一个“与”节点，且其子节点全部是可解节点。它是一个“或”节点，且其子节点中至少有一个是可解节点。不满足这三个条件之一的节点称为不可解节点。第6章 概念设计（2）解的判定。如果“与/或”树中的所有节点都是可解节点，则存在组合原理解集合：PSC=PSCk|kTT=1,2,3,如果“与/或”树存在不可解节点，则不存在组合原理解集合。此时需要重新进行局部的，甚至是全局的问题归约，或借助于自动推理过程以外的人的干预和帮助。第6章

28、概念设计 4）原始问题解的表达在图610中，如果每个终止节点（EFj）都存在若干原理解（PSj），则原始问题存在集合原理解集合。任意组合原理解的谓词逻辑表达为(jS)PSijEFj(PSi1EF1)(PSi2EF2)(PSi3EF3)(PSiqEFq)(kT)PSCk 其中，S=1，2，3，q；T=1，2，3，；Ti1，Ti2，Tiq。第6章 概念设计 全部组合原理解集合的谓词逻辑表达为 Tk|PSCkPSCEFjPSijEFjPSijS)j(nj1iq1j其中，S=1，2，3，q；T=1，2，3，；i1T，i2T，iqT。表达式中的连接词的符号定义为：称为析取。它表示被它连接的两个命题具有或

29、者关系。：称为合取。它表示被它连接的两个命题具有与关系。：称为条件。PQ 表示如果 P，则 Q，其中的P 称为条件的前件，Q 称为条件的后件。第6章 概念设计 表达式中的量词符号定义为：（x）：称为全称量词。它表示对于个体域中的所有x（或任意一个个体 x）。（x）：称为存在量词。它表示对于个体域中存在个体 x。第6章 概念设计 6.2.3几何缺席推理几何缺席推理实现计算机辅助概念设计的关键是产品信息建模和推理。但在概念设计阶段，产品信息是残缺的、不确定的、不完整的。因此，对产品残缺几何信息如何描述、表达及操作，是几何信息建模的关键。缺席推理理论是研究不确定信息（或者称不完整信息）下几何实体重构

30、的理论方法之一。它是在决策的初始阶段，在信息不完整，有时甚至不准确的情况下，给出某些试探性的假设，并在此条件下进行推理和决策以及理论和实例方面的验证。第6章 概念设计（1）几何缺席推理。在输入的点、边、面等任何一种几何要素不完整的情况下，给出缺省假设条件，采用几何构造理论、特征造型理论等补充缺少的几何要素，重建几何要素之间的关联，构造出一个几何拓扑关系一致的几何实体。第6章 概念设计 从认知学角度分析，设计师对产品初始状态的认识往往集中在几个关键表面上，而表面一般只具有属性（也称为类型，如平面、圆柱面等）和方向性（指表面的法矢量方向或回转面的对称轴方向等）。在概念设计阶段，零件一般由几个关键的

31、功能表面组成。随着产品的进化，表面不断被添加，但在一般情况下仍然不能形成一个有意义的封闭实体。概念设计阶段构成的零件的功能表面是一种概念意义上的表面，即它一般不具备边界、尺寸、确切的定位等信息。概念设计阶段的表面以其方向性和表面特性为主要特征。第6章 概念设计 针对不同层次的概念化表面表达的概念实体，必须研究相应的基于表面的实体模型、抽象特征识别、不确定信息下特征及实体的重构策略等一系列相关论题。在功能表面定义的基础上，这里以机械零件“拨叉”的创成过程为例来说明产品及实体的创成过程，如图611所示。首先，由功能推理得到零件的3个功能表面F1、F2和F3。其中，F1和F2起向两个方向拨动“齿轮”

32、的作用，F3主要起定位作用。零件的概念实体经过抽象特征识别、零厚度实体创成和几何缺席推理，最终实现零件拨叉的实体重构。第6章 概念设计 图611功能零件实体重构的过程 第6章 概念设计（2）路径。一条轨迹可以是直线或曲线，但必须连续。图612中，图（a）不是路径，图（b）、(c)、(d)、（e）都是路径。首尾衔接的路径称为封闭路径。（3）转角。转角指从路径中任一点P出发，运动到相邻的任一点Q，Q处的切线与P处的切线之间的夹角，如图612（d）所示。第6章 概念设计 图612路径示意图 第6章 概念设计（4）总转角。从路径中任一点P出发，经过路径中的所有点回到P点，所经历的转角之和即为总转角。封

33、闭路径的总转角是一个拓扑不变量，是2的整数倍。非自交的封闭路径为简单路径，其总转角等于2。例如，图612（b）不是封闭路径；图612（c）因为自交，所以不是简单路径；图612（d）、（e）是简单路径。如果组成概念实体的功能平面在某一空间定位条件下，在任意相互正交的三个截面处能够形成一个或多个简单路径，则定性概念实体封闭。第6章 概念设计 如果组成概念实体的功能平面在任何空间定位状态下，无论采用任何截平面截取都不能形成简单路径，则定性概念实体不封闭。当且仅当两个共面的封闭路径具有相同的总转角时，它们可以相互变形。在概念实体上，增加或删除特征不影响实体的封闭性。在以上几何缺席推理理论的基础上，作出

34、某些缺省条件下的假设（如实体构造的简单化，零件的可加工性、可装配性等原则）可提出一整套实体重构的理论分析算法。第6章 概念设计 6.2.4概念设计与概念设计与CAD1.计算机不支持早期设计活动的原因计算机不支持早期设计活动的原因在产品设计学的发展过程中，人们研究的注意力主要集中在技术设计（例如机械产品中零件结构的详细设计）和施工设计（例如零件加工工艺规程设计）阶段，这是因为技术设计和施工设计的经验和知识易于规范化、形式化和系统化，计算机比较容易处理这类信息。目前，可以用计算机辅助绘图、辅助产品造型、辅助零部件建模、辅助设计计算，但是还没有真正从根本上解决产品概念设计自动化问题。例如，如何根据给

35、定的产品设计要求，由计算机辅助人类确定产品的概念设计方案。第6章 概念设计 由于产品概念设计涉及许多经验性知识，而且这些知识存储在设计者的大脑中，每个设计者的设计经验和思维方式均不相同，进行产品概念设计时，基本根据自己掌握的知识、具有的经验和思维方式确定产品的初始方案，因此，同样的设计条件、同样的功能要求，不同设计者设计的产品方案可能完全不同，即使同一个设计者，改变思维方式也可以得到不同的概念设计方案。由此可见，产品概念设计涉及到的知识多为经验型和模糊型知识，对于这些知识，设计者本人也常常无法阐述清楚。这一因素增加了概念设计知识规范化、形式化和系统化的难度，计算机辅助概念设计也就成为产品自动化

36、设计过程中的瓶颈。随着计算机技术、人类思维和认知科学的迅速发展，产品概念设计已逐渐成为近年来国内外设计学研究的热点之一。第6章 概念设计 产品概念设计提出至今，国内外学者纷纷涉足机械产品概念设计计算机支持系统的研究，内容主要包括：自动化概念设计理论和方法；功能分析与综合；功能分类及其表示；机构识别。但由于缺少支持决策的CAD技术，模糊推理技术尚不成熟，因此自动化概念设计依然是产品智能化设计的主要瓶颈之一。目前，产品概念设计还没有形成完整的、系统的、规范化的、易于计算机程序语言描述的设计理论体系和模式，计算机至今没能在产品概念设计过程中发挥其应有的作用。此外，还无法实现计算机辅助需求设计、计算机

37、辅助功能分析、计算机辅助原理设计、计算机辅助概念设计方案的评价与决策等，还没有支持产品概念设计过程的工具，缺少能够描述产品整个设计过程的信息模型，不具备自主或协作求解问题、进行决策的能力。第6章 概念设计 2.研究现状及发展方向研究现状及发展方向(1)自动化完成概念设计任务。将概念设计自动化作为目标时，概念设计相关领域中知识的获取、表达和运用则是研究内容的重点，例如英国开发的软件EdinburghDesignerSystem。(2)概念设计方案生成的关键技术和实现策略。基于公理化设计理论探讨概念设计方案的关键技术和实现策略。例如，美国开发了一个公理化设计软件Acclaro，我国也在这方面做了许

38、多研究工作。(3)通过仿真技术评估概念设计方案。例如，英国Lancaster大学开发的计算机辅助概念设计软件SchemeBuilder通过仿真技术评估概念设计方案，主要着眼于多个设计方案的选择。第6章 概念设计(4)协调各阶段设计任务求解器。例如，美国Rockwell国际公司开发的DesignSheet工具软件着眼于概念设计过程中设计任务的协调完成，以使整个问题的求解更加合理、有序。(5)创新设计思维的规范和自动化。概念设计过程具有很大的创新设计空间，研究创新思维的规范化和自动化将会有效地促进概念设计自动化的实现。例如，美国Idieation公司开发的TRIZ软件中聚集了大量的专利，可通过匹配

39、创新设计思维描述的关键词，获取相应的概念设计方案。第6章 概念设计(6)机械运动系统概念设计。关键在于归纳总结机械运动系统概念设计规律性的东西，包括设计过程的共同规律和设计要求的表达方法，探索计算机识别机械运动系统概念设计过程的理论基础和实现方法。根据这些理论和方法，就可实现基于运动形式要求的机构自动化选型和组合与基于轨迹特征的机构选型设计及数字化运动仿真。第6章 概念设计 利用计算机的存储能力和计算速度快的优势，可以在一定范围内和一定程度上支持设计人员的设计活动，但是，计算机不能代替人类。因此，建立计算机辅助概念设计（ComputerAidedConceptualDesign，CACD）系统

40、时，考虑的核心问题不应是完全的无人自动化，而是如何帮助设计人员从繁杂的机械设计工作中解脱出来，把更多的精力放在创新设计活动中去。目前，产品设计和制造均向数字化、网络化、集成化方向发展，随着并行设计、协同设计、产品全生命周期设计理论研究的逐步深入、应用和推广，产品概念设计最终必将形成一个既分工又协作的并行式协同设计模式。第6章 概念设计 6.3其它概念设计其它概念设计6.3.1生产过程规划的概念设计方法生产过程规划的概念设计方法将生产过程规划引入概念设计中，是概念设计的一种发展新动向，它使并行设计的过程提早了一个阶段，能更进一步提高产品设计质量，降低制造成本。（1）要解决生产过程规划的概念设计问

41、题，有几个重要的前提。（2）要能在不同的制造系统之间访问和求解。（3）要有一个标准界面，在不同的制造系统之间能够集成。（4）设计及生产过程的信息结构要能在设计和制造应用之间相互沟通。（5）为方便起见，采用ContinueSTEP(ISO10303)的ApplicationProtocol203。第6章 概念设计 一个具体的较为完善的系统的具体功能及开发步骤如下：（1）确定和定义生产的需要。（2）分析生产的要求。（3）设计和开发信息模型及/或数据格式。（4）要使所设计和开发的信息模型能在实际应用的事例中应用时有效。（5）在不同的生产系统中建造一个统一的具备一致性的环境。（6）建立一个能够有效传递

42、信息的环境。（7）开始建立系统的标准化。第6章 概念设计 InitialManufacturingExchangeSpecification（简称IMES)是一个有代表性的能完成上述功能的系统，其中的SystemIntegrationforManufacturingApplications（简称SIMA）可以具体执行生产过程规划的概念设计任务。其结构由三部分组成。（1）产品设计步骤及内容。首先进行用户需求分析，然后进行概念设计，确定生产方案以及方案的结构化设计，再进行详细设计。（2）所采用的设计软件及其功能。对设计过程中出现的冲突进行协商，可采用多自主体的方法来解决。第6章 概念设计 用知识查

43、询及操作语言（KnowledgeQueryandManipulationLanguage，KQML）进行交流及查询，这是一种基于自主体的交流方法。对设计进行推理。这是一种知识推理的方法。它可以对设计进行推理并且可以处理设计历史，形成版本。它还包括其它一些信息，如推理网络（InferenceNetworks）、计划、目标及求证。形成设计内容并进行交换。它主要是处理工程设计中人们所开发的内容及其相互交换，包括特征、约束、几何、材料及制造过程等。处理这些设计内容并进行相互交换的工具是ISO1030311EXPRESS和知识交换格式（KnowledgeInterchangeFormat，KIF)。第6

44、章 概念设计 目标。这个层次的工作是将设计目标相互传送，也就是说使设计系统可以在异地分布式计算机系统之间进行传送，主要采用CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture)。上述五种水平的工具是相互独立的，但可相互沟通，相互访问，形成一个完整的设计及生产过程规划的工具整体。第6章 概念设计（3）设计结果。设计结果包括生产过程规划的概念设计和生产过程规划的详细设计结果。运行的结果可以根据产品的特征、形状（可以在产品形状概念设计之后获得这些信息）、材料、生产量、尺寸特性、公差、表面粗糙度等已知要求，生成产品的生产过程规划的概念设计方案。第6章 概念设计 6.3

45、.2装配的概念设计方法装配的概念设计方法对机械系统进行装配的概念设计的含义是：在不需要对每个装配体进行详细定义的条件下可以对机械系统进行装配。为了达到这个目的，这类软件要具备以下特性：(1)以CAD为基础。运用CAD的功能，建造装配体的元素，可以将元素叠加在结构体上，可以增加元素及结构体的功能等。(2)虚拟环境。运用虚拟环境进行装配体的概念设计是很方便的。第6章 概念设计(3)多用户的信息交流。要达到多用户信息交流的目的，必须使这类系统能够在网络上在线相互访问，即具有基于网络的异地合作设计与制造的功能特性。(4)方便使用。这类系统应该具备对在网络上工作的控制和管理能力，可以查询参与者的知识库，

46、对查询的结果作出反应。第6章 概念设计 为了满足上述特性，可分以下步骤来实现。（1）确定系统的需求。需求可分为两类：功能需求和非功能需求。功能需求主要是指作为最后完成产品功能的先决条件的需求。非功能需求是指涉及完成设计的一些要求，例如，采用何种软件，采用何种硬件平台，采用何种交互界面等。（2）界面模型及设计。首先深入分析如何完成不同型式的系统需求，包括输入及输出机制，Internet的数据结构及数据流，以及需要完成的功能的性质和产品所要完成的任务等；然后开发评价设计结果的准则，并修改初始模型。第6章 概念设计（3）研制工具系统。所采用的通用软件是VRML、Java及Netstape的JavaScript语言。工具系统的作用是能够在VRML环境下，在Web浏览器上下载外来的信息。（4）对结果进行测试。测试分两个方面。首先，通过和其它用户交互，看工具能否完成所预定的功能。其次，对于不同知识层次和不同水平用户的适应性是否足够。装配概念设计的典型成果是概念理解及其原型生成（ConceptualUnderstandingandPrototyping，CUP），它可以完成相当复杂的机械系统的装配概念设计，并能和产品数据管理系统(PDM)、基于实例的知识系统以及计算机支持的协同工作系统(ComputerSuportedCollaborativeWork，CSCW)同时工作。