（机械制造及其自动化专业论文）面向产品族的工业设计方法研究.pdf

摘要 摘要 社会进入信息时代，要求制造业具有更为敏捷的市场反映能力。为此， 企业的制造模式从大批量生产逐步向大规模定制生产方向发展。现代制 造技术以数字化、集成化、网络化、智能化的特征来满足新的生产模式 的要求，现代设计技术作为现代制造技术的重要组成部分，必然要求与 先进制造技术的特征相一致。工业设计是产品设计的一个重要环节，工 业设计技术若不能与产品生命周期的其他相关技术相一致，便会成为制 约企业现代化的瓶颈。然而，工业设计自诞生以来，其方法学一直是面 向大批量生产的制造模式，c a d 技术的发展改变了工业设计的表达和分析 技术，但没有改变工业设计的方法学，在传统的设计模式下，计算机的 作用没有在设计创意过程中充分发挥出来。本文试图从设计方法学出发， 以提高工业设计的敏捷性为目标，探讨基于计算机技术的新的工业设计 体系。 论文从方法学的四个构成层次一一世界观、理论与方法、工具、应用 一一展开研究。在“世界观”层面，从工业设计和工程设计两个方面回 顾和总结了产品设计中的主要理论和方法，通过对工业设计思想发展历 程的总结，以及对现代制造系统和现代设计技术特征的分析，提出了先 进制造环境下工业设计方法学的四条基本思想原则，即设计敏捷化、设 计集成化、人机一体化和设计可持续。 在“理论与方法”层面，根据上述原则，针对现有工业设计过程的特 征和存在的问题，对设计过程进行了重组，提出了一种面向产品族的工 业设计方法。根据工业设计程序由问题驱动的特征，采用m a s ( m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 的架构建立了一个人机一体化的工业设计系统框 架。在此系统中，一个集成化的产品族模型是系统的结构基础，为此， 针对这一系统框架以及工业设计的内容和产品概念，论文采用u m l ( u n i f i e dm o d e l l i n gl a n g u a g e ) 的建模方法建立了一个层次化多视图的 产品族模型。 在“工具”层面，论文对面向产品族的工业设计方法中的配置设计 工具进行了研究。在对配置设计问题及其解决方法的分析基础上，提出 了“空间修剪法( s p a c e t r i mm e t h o d ，s t m ) ”理论，该方法由“模块类 修剪”、“模块属性修剪”、“模块关系修剪”三个部分组成，通过在组合 配置前将违反约束的侯选模块删除，避免了因此而产生的无效配置操作， 华南理工大学博士学位论文 从而达到提高配置效率的目的。对模块进行修剪的依据是作用在模块上 的约束，为此首先需要将用户需求转化为对模块的约束，论文通过定义 “约束映射矩阵”实现了这一转换。为了在计算机上实现上述修剪操作， 论文采用层次编码的形式描述产品方案，编码主链表示产品的模块构成， 子链表示构成模块的属性，用模式表达配置空间，将空间修剪问题转化 为对模式的操作，并建立了基于模式操作的各种修剪算法。 配置设计实质上是一个组合问题，解决这类问题计算机比人更有优 势。配置设计也是一个知识密集型任务，因此建立计算机配置设计工具 需要知识的支持。为此，论文采用c o m m o n k a d s 知识建模体系，针对所 提出的基于s t m 的配置设计方法，对配置设计过程中的任务及其策略进 行了详细的分析，建立了配置设计的任务控制结构、推理结构和领域模 式，并给出了其中包含的各类知识的规范表达。 在“应用”层面，以个吊灯产品族的配置设计为例，在前述配置 设计理论基础上建立了一个吊灯产品族的配置设计工具原型，对配置工 具系统的体系结构、产品族的形成及其知识模型进行了详细描述，并给 出了两个运行实例，证明了理论的可行性。 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ei n f o r m a t i o nt i m e s ，m a n u f a c t u r i n gm u s tb ep r o v i d e dw i t ha g i l ea b i l i t yt o f o l l o wm a r k e t t h e r e f o r e ，t h em o d eo fm a n u f a c t u r i n gi ss t e p p i n g t om a s s c u s t o m i z a t i o nf r o mm a s sb a t c h m o d e r nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ym e e tt h er e q u i r e s o ft h en e wm o d eb yf e a t u r e so fn u m e r a l i z a t i o n 。i n t e g r a t i o n ，n e t w o r k l i z a t i o n ，a n d i n t e l l i g e n t i z i n g a sa ni m p o r t a n tp a r to fm o d e r nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y m o d e r n d e s i g nt e c h n o l o g ym u s tb e c o n s i s t e n tw i t ht h ef e a t u r e so fm o d e r nm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y b e i n ga ni m p o r t a n tp h a s eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t ，i n d u s t r i a ld e s i g n w o u l db et h eb o t t l e n e c ko fm o d e r n i z a t i o no fe n t e r p r i s e si fi n d u s t r i a ld e s i g n t e c h n o l o g yi sn o tc o n s i s t e n tw i t ho t h e rr e l a t i v et e c h n o l o g i e si np r o d u c tl i f ec i r c l e w h e r e a s ，f r o mi t sn a i s s a n c e ，i n d u s t r i a ld e s i g nm e t h o d o l o g ya l lt h ew h i l ei sf a c i n gt o m a s sb a t c hm o d eo fm a n u f a c t u r i n g a l t h o u g ht h ed e v e l o p m e n to fc a dt e c h n o l o g y c h a n g e s t h e t e c h n i q u e o f e x p r e s s i o n a n d a n a l y s i s ，i t d o egn o tc h a n g et h e m e t h o d o l o g yo fi n d u s t r i a ld e s i g n i nt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm o d e 。t h ef u n c t i o n so f c o m p u t e r sc a n n o tb eb r o u g h ti n t op l a yf u l l yi nc r e a t i n g s a i m e da ti m p r o v i n gt h e a g i l i t yo fi n d u s t r i a ld e s i g n ，t h i sp a p e rt r yt od i s c u s st h en e wf r a m eo fi n d u s t r i a l d e s i g nf r o mt h ev i e wo fd e s i g nm e t h o d o l o g y i nt h ep a p e r ，r e s e a r c h e sa r es t r u c t u r e db a s e do nt h eh i b e r a r c h yo fm e t h o d o l o g y ： w e l t a n s c h a u u n g ，t h e o r i e sa n dm e t h o d s ，t o o l s ，a n da p p l i c a t i o n s o nt h ea r r a n g e m e n t o f “w e l t a n s c h a u u n g ”，t h ep a p e rr e v i e w e dt h em a i nt h e o r i e sa n dm e t h o d sf r o mt h e t w ov i e wso fi n d u s t r i a ld e s i g na n de n g i n e e r i n gd e s i g n t h r o u g hs u m m a r i z i n gt h e d e v e l o p m e n tc o u r s eo fi n d u s t r i a ld e s i g nt h o u g h t s ，a n da n a l y s i n gt h ef e a t u r e s o f m o d e r nm a n u f a c t u r i n g s y s t e ma n dm o d e r nd e s i g nt e c h n o l o g y t h ep a p e rp r o p o s e d f o u re s s e n t i a l p r i n c i p l e s ：a g i l i t y 。i n t e g r a t i o n ，m a n m a c h i n ei n c o r p o r a t e d ，a n d p e r s i s t e n c e o nt h ea r r a n g e m e n to f t h e o r i e sa n dm e t h o d s ”，i na l l u s i o nt ot h ef e a t u r e sa n d p r o b l e m se x i s t i n g i ni n d u s t r i a ld e s i g f lp r o c e s s ，t h ep a p e rr e c o m p o s e dt h ed e s i g n p r o c e s s ，a n dp r o p o s e d a ni n d u s t r i a l d e s i g n m e t h o db a s e do n p r o d u c tf a m i l y a c c o r d i n g t ot h e p r o p o s e dp r i n c i p l e s f o rt h e f e a t u r eo ft h a ti n d u s t r i a l d e s i g n p r o c e s si sp r o b l e m - d r i v e n ，t h ep a p e rb u i l t af r a m eo fam a n m a c h i n ei n c o r p o r a t e d i n d u s t r i a ld e s i g ns y s t e mw i t ht h es t r u c t u r eo fm a s ( m u l t i a g e n ts y s t e m ) i nt h i s s y s t e m ，a ni n t e g r a t e dp r o d u c tf a m i l ym o d e li st h ec o n s t r u e t i o nb a s i so ft h es y s t e m i r 兰亘堡三丕主堡主兰垡堕苎 t h e r e f o r e ，ap r o d u c tf a m i l ym o d e l ，w h i c hp r o v i d e dw i t hm u l t i l a y e r sa n d m u l t i v i e w p o i n t s ，i sd i s c u s s e dw i t hu m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) i na l l u s i o n t ot h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ec o n t e n to fi n d u s t r i a ld e s i g n o nt h e a r r a n g e m e n to f “t o o l s ”， c o n f i g u r a t i o nt o o l i ni n d u s t r i a l d e s i g n f o r p r o d u c tf a m i l i e sw a sr e s e a r c h e d o nt h eb a s i so fa n a l y s i so nc o n f i g u r a t i o np r o b l e m s a n dt h e i rr e s o l v e dm e t h o d s ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h et h e o r yo f “s p a c e t r i mm e t h o d ”， w h i c hi sc o n s i s to f “m u d u l ec l a s st r i m ”，“r o o d u l ea t t r i b u t et r i m ”，a n d “m o d u l e r e l a t i o n t r i m ”b yd e l e t i n g t h ec a n d i d a t e st h a tv i o l a t et h ec o n s t r a i n t sb e f o r e c o n f i g u r a t i o n ，s p a c e t r i mm e t h o dc a na v o i dn u l l i t yo fc o n f i g u r a t i o n ，s oa s t o i m p r o v ec o n f i g u r a t i o ne f f i c i e n c y t h ec o n s t r a i n t sa c t e do nm o d u l e sa r eg i s t so ft r i m ， s of i r s t l yt h e r ea r en e e d sf o rt r a n s l a t eu s e r sr e q u i r e m e n t si n t oc o n s t r a i n t sa c t e do n m o d u l e s t h et r a n s l a t i o nw a sc a r r yo u tb yd e f i n i n g c o ns t r a i n tm a p p i n gm a t r i x ”f o r i m p l e m e n t i n gt h et r i mo p e r a t i o n so nc o m p u t e r s ，p r o d u c ts c h e m e sw e r ec o d i n gi n a h i e r a r c h ym o d e l ，i nw h i c h ，m a i nc h a i no ft h ec o d ed e n o t e st h em o d u l a rc o n s t i t u t i o n o fap r o d u c t ，a n ds u b - c h a i no ft h ec o d ef i g u r e st h ea t t r i b u t e so fm o d u l e s - p a t t e r n s w e r eu s e dt oe x p r e s st h ec o n f i g u r a t i o ns p a c e s ，a n dt h e ns p a c e t r i mw a st r a n s l a t e d i n t op a t t e r n o p e r a t i o n e v e r yt r i ma r i t h m e t i cb a s e do np a t t e r n o p e r a t i o nw a s e s t a b l i s h e di nt h ep a p e r c o n f i g u r a t i o n i se ss e n t i a l l yac o m b i n a t i o np r o b l e m ， w h i c hi sr e s o l v e d b y c o m p u t e r sr a t h e rt h a nb yh u m a n c o n f i g u r a t i o ni s ak n o w l e d g e - d e n s et a s k ，s on e e d k n o w l e d g et o a s s i s ti n s e t t i n gu pc o n f i g u r a t i o nt 0 0 1 i na l l u s i o n t ot h ep r o p o s e d c o n f i g u r a t i o nm e t h o db a s e do ns t m ，a d o p t i n gt h ek n o w l e d g em o d e l i n gs c h e m eo f c o m m o n k a d s 。t h ep a p e ra n a l y s e dd e t a i l e d l y t h et a s k sa n dt h e i rs t r a t e g i e si n c o n f i g u r a t i o n ，b u i l t t h et a s kc o n t r o ls t r u c t u r e ，i n f e r e n c es t r u c t u r ea n dd o m a i n s c h e m a ，a sw e l la ss p e c i f i c a t i o no fv a r i o usk i n do fk n o w l e d g e o nt h ea r r a n g e m e n to f “a p p l i c a t i o n s ”，a p e n d a n tl a m pf a m i l yw a s t a k e na s e x a m p l eo fc o n f i g u r a t i o n t h ep a p e rs e tu pap r o t y p eo fc o n f i g u r a t i n gt o o lf o rt h e p e n d a n tl a m pf a m i l yb a s e do np r o p o s e dc o n f i g u r a t i o nt h e o r y ，i nw h i c h ，t h es t r u c t u r e o fc o n f i g u r a t i d ns y s t e m ，t h ef o r mo fp r o d u c tf a m i l ya n dt h e i rk n o w l e d g em o d e lw e r e r e p r e s e n t e dd e t a i l e d l y t h e r ea r et w oc a s e se x e c u t e df o rt e s t i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e dt h e o r y i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：葙煲 日期：舢妒年，工月心目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密曰，在f 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 幕致 勐哺张 日期：姗够年瑚心日 日期：刎年- 2 - 月j f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景和意义 社会进入信息时代，经济发展的特征是市场全球化和混沌多变，制 造型企业要获得经济上的成功必须具有一种能力，即识别顾客需要并以 低成本迅速制造出符合顾客所需产品的能力。要达到这一目标要求企业 具有敏捷的产品开发能力。近二十年来，人们将制造技术与信息技术、 自动化技术、现代管理技术与系统技术有机融合在一起，逐渐形成新一 代先进制造技术，今天它已成为提高企业敏捷性的关键手段，推动着制 造业逐步走入信息化、自动化、智能化、敏捷化的现代制造系统模式。 孙林岩等从哲理层面上对先进制造模式的特征进行了如下归类； ( 1 ) 精益化制造哲理( 全面性、准时性) ，( 2 ) 敏捷化制造哲理( 变化 性、时间性) ，( 3 ) 智能化制造哲理( 自动化、柔性、智能性) ，( 4 ) 网 络化制造哲理( 分布性、虚拟性、并行性) ，( 5 ) 对象化制造哲理( 封装 性、兼容性、继承性、自组织性) 、( 6 ) 社会化制造哲理( 环境协调性、 文化协调性、地域协调性) ，( 7 ) 知识化制造哲理( 人本主义、知识管理) ， ( 8 ) 集成化制造哲理( 系统性、适应性) 。上述特征对产品设计技术提 出了数字化、集成化、网络化和智能化的要求，数字化是现代信息技术 的核心，也是实现集成化、网络化和智能化的基础；集成化要求即能够 支持产品开发过程中的信息集成、过程集成与企业集成：网络化要求即 能够支持动态联盟中的协同设计：智能化要求即能够支持产品设计的自 动化( 不排除以人为主的人机交互环节) 。为此，童秉枢1 2 】提出了“现代 c a d 技术”的概念：“现代c a d 技术是指在复杂的大系统环境下，支持 产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具各相关技术的 总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，达到提高产品 设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。” 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，世界各发达国家将先进制造技术的理 论研究与工程实践的重点逐步转移到以产品开发为中心，并面向整个产 品生命周期的设计方向上来。产品的生命周期可以划分为需求分析、方 案设计、旌工设计、产品制造和销售服务几个阶段。工业设计作用于产 品开发早期的需求分析和方案设计阶段，其主要任务是解决产品与人的 关系问题，如产品的功能定义、使用方式、视觉形象等，是产品创新的 重要手段之一。产品是制造企业一切活动的中心，企业的核心竞争力在 华南理工大学博士学位论文 于产品的竞争力，创新是产品竞争力的主要因素。由于技术创新和管理 创新具有一定的周期性和相对稳定性，当产品的技术同质化现象越来越 普遍时，工业设计便成为提高产品竞争力的主要手段。人们购买产品， 购买的不仅仅是产品功能，也是文化、生活方式和体验，而这些都是通 过工业设计的过程赋予产品的。 传统的工业设计方式是基于草图和个人化的，设计结果往往受到设 计师个人的知识结构和经验的局限，而导致技术应用和可制造性等方面 的问题。现代产品所包含的知识内容越来越广泛，产品设计越来越多地 依赖于对知识的获取，而不是依赖于经验；越来越多地依赖于团队的协 作，而非单个人的激情。这就要求改变手工化、个人化的设计方式，即 实现设计过程的数字化、协同化及知识支持。 另一方面，激烈的市场竞争促使企业的注意力从市场转向客户。这 就要求企业对客户需求有更为敏捷的反应力，这对设计也提出了新的要 求。工业设计自诞生以来，一直是面向大批量生产的制造模式。在新的 经济形式下，设计的原则应如何适应新的制造模式以及知识经济特征， 是建立新的设计体系必须要解决的问题。 工业设计是产品开发的一个重要环节，工业设计技术若不能与产品 生命周期的其他相关技术相一致，便会成为制约企业现代化的瓶颈。因 此，无论从工业设计学科发展的方面讲，还是从企业产品设计制造的现 代化方面讲，我们都需要从设计师的角度来仔细研究先进制造模式下工 业设计方法和技术应作出何种相适应的改变。计算机技术的飞速发展为 设计技术提供了相当丰富的可能性。在工业设计领域充分地分析、发挥 这些可能性，是时代向工业设计提出的要求。 1 2 工业设计概述 1 2 1 工业设计的概念 设计的概念已有很长的历史，它的基本内容是以一定的物质手段创 造具有实用价值的物品的计划和构想。可以说，人类的设计活动从其祖 先学会制作工具时就开始了，它几乎与人类的生活史同样漫长。工业设 计( i n d u s t r i a ld e s i g n ，i d ) 的历史并不渊长，它是人类跨入工业文明后 逐步形成的。它产生于1 9 世纪末2 0 世纪初的欧洲，西方工业革命带来 的机械化大规模生产和劳动分工是导致其产生的根本原因。新的生产方 式对产品的设计模式和产品的形态美学提出了新的要求，工业设计便应 2 第一章绪论 运而生。经过一个世纪的发展，工业设计已逐渐成为以现代工业化生产 为基础的新兴实用学科。 工业设计一词自3 0 年代起首先在美国开始普遍使用，然而，象所有 新兴学科一样，工业设计的定义、外延和体系还不够规范，根据对工业 设计思想和工业设计内容的不同理解有不同的定义：有人将其视为一种 方法论而将工业设计定义为“工业时代的设计”；有人将工业设计局限为 “造型设计”；意大利著名设计师法利( g i n ov a l l e ) 认为“工业设计是 一种创造性活动，它的任务是强调工业生产对象的形状特性，这种特性 不仅仅指外貌式样，它首先指结构和功能，它应当从生产者的立场以及 使用者的立场出发，使二者统一起来”【3 】；德国工业设计理论家范登堡 ( h o l g e rv a nd e nb o o m ) 把工业设计定义为塑造用户界面或使用界面【3 l ； 我国工业设计理论家柳冠中认为“工业设计是一种对人类生活进行规划 和提出方案的创造性思维活动，是一种物的组织形式，是人们生存方式 之信息的创造与传递”【4 】：美国工业设计师协会( i n d u s t r i a ld e s i g n e r s s o c i e t yo f a m e r i c a ，i d s a ) 把工业设计定义为“以优化产品性能、价值 和外观，提高厂商和顾客之间的相互利益为目的而进行的产品概念及特 性创造和开发方面的专业服务”j ；最权威的是国际工业设计协会联合 会( i t e r n a t i o n a lc o u n c i lo fs o c i e t i e so fi n d us t r i a ld e s i g n ，i c s i d ) 在1 9 8 0 年举行的第1 1 次年会上公布的工业设计定义：“就批量生产的产品而言， 凭借堋练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、构造、形态、 色彩、表面加工以及装饰以新的品质和资格，叫做工业设计。根据当时 的具体情况，工业设计师应在上述工业产品的全部侧面或其中几个方面 进行工作，而且，当需要工业设计师对包装、宣传、展示、市场开发等 问题的解决付出自己的技术知识和经验以及视觉评价能力时，也属于工 业设计的范畴”1 4 1 。 工业设计的对象是工业化批量生产的产品。这是一个范围极其广泛 的定义，几乎涉及了每一种现代生活用品，小至一个纽扣、一枚回行针， 大至万吨巨轮、飞机、火车等，都属于工业设计的范畴。非但如此，工 业设计还在前所未有的新领域中不断拓展空间，例如当计算机软件成为 一种功能产品，软件的界面设计也成了工业设计的新对象。工业设计发 展所呈现的，不仅是传统产品的不断更新，还是众多新概念产品的层出 不穷。 功能、技术、美学和使用者( 人) 构成了工业设计的基本要素。 切设计都是从人的需求出发的，一切设计的最终目的都是为了创造人类 更美好的生活环境，因此，人是工业设计的出发点，也是工业设计的最 3 华南理工大学博士学位论文 终目的，工业设计的主要任务就是处理产品中与人相关的各种属性。功 能是产品的本质，是产品存在的意义所在，人们购买某种产品，购买的 不是产品本身，而是产品的功能( 包括物质功能和精神功能) 。社会的不 断发展促使人的需求也在不断增长，工业设计通过不断创造产品的功能 来满足人的各种需求。技术是工业设计的物质基础，技术是实现物质功 能的手段，技术可以从根本上改变人类的生产和生活方式。工业设计本 身就是在工业技术的基础上发展起来的，它要求产品符合现代化的生产 方式。当今科学技术正沿着自身轨道迅猛发展，从瓦特蒸汽机的发明到 今天数字技术的突飞猛进都清楚地表明，人类对新技术的探求热情永无 止境，这些不断涌现的成就总是试图对人类自身的生存行为产生影响， 而工业设计的使命是寻找各种更合理、更巧妙、以及更符合人性的方式， 使那些新技术转变为为人类的生产和生活服务的各种产品。另一方面， 一件产品技术先进、功能合理并不代表作为一件优秀设计的所有价值判 断，对待实用产品，人类从未放弃过超越功利性的艺术追求。工业设计 还联系着社会广泛群体的一系列价值观，产品往往附带成为表征某种生 活方式的象征功能，并包含人类情感的种种含义。因此，美的刨造是工 业设计的灵魂所在。 1 2 2 工业设计视野下的产品概念 工业设计的核心是产品创新， 又是工业设计观念、方法的载体。 的把握和实施。 产品既是工业设计的主要思维对象， 对产品概念的理解，有助于工业设计 一支笔、一把钳子、一盏灯、一辆汽车、一台电脑，任何产品 都是由一定的材料以一定的结构和形式，在一定的组织( 企业) 中采用 一定的制造工艺生产出来，具有一定功能和形态语意的系统，它们都反 映了人类在一定的环境下生产或生活的某种需求，这便是工业设计的产 品意识。这种意识可以表达为图1 1 所示的产品属性构成。产品属性可以 分为内部因素和外部因素两个方面，内部因素由产品本身及生产方式构 成，包括材料、构造、形态、功能、技术原理、制造工艺和生产组织； 外部因素包括使用者和使用环境。 材料的重要性在于它是产品功能结构和形式的物质载体，材料的物 理性能( 强度、刚度、塑性、导热、导电性等) 及材料的表面特征( 色 彩、光泽、纹理等) 会直接影晌产品的内容和形式。零部件由一定的材 料制成，并以一定的构造组成产品。产品形态与构造是不可分的，构造 本身就具备形态，形态本身也是构造的组成部分。另一方面，随着电子 4 第一章绪论 技术的广泛应用，产品形态受内部构造的影响越来越小，产品形态也越 来越多地来自于造型的概念和语意。 产品的功能是产品通过材料的一定结构和形态所形成的整体能力和 作用。产品的功能是多方面的，主要可分为实用功能、认知功能和审美 图1 - 1 产品属性构成 f i g 1 1c o n s t r u c d o no f p r o d u c t a t t r i b u t e s 功能。产品的实用功能根植于人的生存和发展的需要，是产品的基本功 能。产品的认知功能也称寓意功能或象征功能，即产品形态具有传达信 息的“说话”能力，它基于人们在实践中形成的经验以及对文化的了解， 体现产品与人和社会间的特定关系，表达产品的文化意义一一民族、时 代、物质、精神的综合信息。产品通过外在形式和功能作用使人得到美 的享受即产品的审美功能。审美观念因人而异，因地域而异，因时代而 异，没有永恒的审美标准。 技术原理是实现功能的手段，不同的原理会产生完全不同的产品方 案。例如日晷是利用日光的投影计时，沙漏是利用沙的流量计时，而机 械式的钟表则是利用齿轮的转动角度计时。 工业设计是面向批量生产的制造工艺的，产品的形态以及所采用的 材料特性决定了应当采用的制造工艺，工艺技术既实现造型又限制造型。 5 华南理工大学博士学位论文 例如某产品外壳采用了金属板材，因金属具有良好的塑性，因而可以选 择冲压工艺，冲压工艺反过来成为评价产品造型合理性的依据之一，如 它将限定外壳的造型不能有尖锐的转角，等等。 工业设计作为分工后生产过程中的一环，其活动不同于手工业时代 生产者单枪匹马的活动方式而具有高度的组织性。因为设计环节与其它 环节以及整个企业都有直接或问接的关系，只有通过相应的组织活动才 能富有成效。不同的管理模式，会产生不同的生产效率，最终会反映为 不同的产品的质量和成本。 功能是是产品存在的意义所在，功能是决定产品结构、形态以至材 料的主要因素，产品功能的设置取决于人的需求，而需求则有因人而异、 因环境而异的特征。同样是手机，年青人要求功能全面，面老人则要求 操作可靠；同样是手表，潜水员要求防水，时装模特要求时尚。另一方 面，对同样的功能，不同的使用者和使用环境可有不的性能要求，如天 文台与家庭对计时功能的准确程度要求不一样，因而采用了不同的计时 原理。这些都说明产品的内部因素是由外部因素决定的，产品的内部因 素决定产品功能的实现程度( 性能) ，而产品的外部因素决定产品的性质， 因此，工业设计的起点是研究产品的外部因素。 1 2 3 工业设计的内容和过程 工业设计的主要对象是产品，但工业设计并不完全等同于产品设计， 工业设计是产品设计的一个组成部分。产品设计可以分为工程设计和工 业设计两个领域，工程设计处理产品中物与物间的关系问题，如零件应 如何结合在一起完成预定的功能；工业设计则处理人与产品间的关系问 题。人与产品间的关系体现在下述几个方面：首先是产品的定义，即产 品应具有什么功能，性能应达到何种程度，这些是由产品使用者的特定 需求来决定的：二是操作界面，即界面应如何设置才能保证使用的安全 性、方便性、准确性和可靠性，这些因素是由使用者的生理和心理特征 来决定的；三是审美，即产品外观是否具有吸引力，是否能带给用户自 豪感，这些因素是由使用者的文化特征来决定的。工业设计的内容正是 围绕这三个方面展开的。 人与产品的关系对产品的影响越大，产品的开发就越依赖工业设计。 对不同的产品，工业设计的作用是不同的，为此，可将产品划分为技术 驱动型产品和顾客驱动型产品t s - 6 i 。 技术驱动型产品的主要特征是，其核心获利能力基于它的技术先进 性或技术性能指标。这类产品或不直接与人交互，或即便也需要美学性 6 第一章绪论 和人机交互性，但顾客购买这种产品时主簧还是基于它的技术性能，例 如人造卫星、超级计算机等就是高度技术驱动型产品。对于技术驱动型 产品的开发工作，工程或技术的要求是主要的，并主导着产品的开发工 作，而工业设计的角色仅限于对核心技术的包装，即设计产品外观和保 证产品能向顾客传达它的技术功能和人机交互模式( 如果存在人机交互 的话) 。 顾客驱动型产品的核心获利能力来自于它的用户界面质量和外观美 学性。这类产品或与用户有密切的交互关系，或其外观是形成产品差异 以及给使用者带来自豪感的主要因素，或二者兼而有之，例如办公座椅、 灯饰等就是高度顾客驱动型产品。这种产品可能技术上很简单，也可能 在技术上很先进，但技术并不能形成产品的差别，这时，工业设计方面 的考虑就比技术要求更重要，产品开发过程因此由工业设计主导。虽然 工程设计对于决定这类产品的技术特征仍是重要的，但因为技术已经成 熟，开发人员的注意力就应当集中于顾客的角度。 工业设计在不同类型的产品开发中起着不同的作用，其内容和方法 也随之而有所不同，设计师的个人风格 7 1 、项目的特点以及企业的不同 情况都会对设计的程序产生影响，因此，工业设计的程序并不是千篇一 律、固定不变的，在工业设计的有关资料中我们可以看到对设计程序的 各种描述。柳冠中1 4 1 、刘志国等t 8 1 将设计程序描述为“问题描述一现状分 析一问题定义一概念设计一评价一深入设计一评价一制造监督和指导一 导入市场”的序列。肖正中等【9 】将设计过程划分为设计准备、设计初步、 设计深入、设计完善、设计完成五个阶段。张同【1 0 1 将设计程序的构成细 分为“确定设计课题一纵横向调研一系统分析一形成结论一提炼开发主 题一草图表达一效果图表现一模型表现一绘制三视图一比例模型表现一 绘制功能解析图一局部模型表现一样机制作一新产品开发报告书一制订 产销计划一试生产一试销售一检测与修订一全面生产与销售一再开发”。 尤里齐【5 】等将工业设计过程分为“调查顾客需要一概念化一初步改进一 进一步改进及最终概念的选择一控制图一与工程设计及制造人员以及外 部供应商协作”。上述对工业设计程序的描述虽各不相同，但基本内容和 方法是一致的，可以归纳为下述步骤： 1 产品定位 收集现有相关产品的资料和样本，分析市场发展趋势，确定市 场目标和定位； 调查分析使用方法及与使用有关的各种条件因素，分析使用中 可能存在的问题和需求： 7 华南理工大学博士学位论文 调查分析产品相关技术及标准、法规； 调查企业加工能力； 对产品的一般目标和对造型、功能、使用方式、工艺技术作出 规范描述( 定义) 。 2 概念设计 应用草图进行方案构思； 制作草模进行初步的评估和改进。 3 方案评价 对概念设计方案的可用性、可制造性、成本、审美等进行评价： 确定可继续发展的方案。 4 深入设计 确定产品的结构、外观细节和尺寸，绘制工程图； 制作产品三维模型( 电脑模型或( 和) 实物模型) ： 对模型进行相关性能测试，根据测试结果进行必要的修改。 5 制造配合 产品的设计方案可能在制造阶段出现问题，需要进行适当的调 整和说明。 上述设计程序主要是针对顾客驱动型产品的，对于技术驱动型产品， 产品的分析定位通常是由技术人员作出的，工业设计的程序一般是从概 念设计开始，并且方案的构思通常是在已确定的内部结构上仅做外观的 设计。 1 3 设计理论与设计方法研究概述 “方法学”作为一门独立学科，己受到学术界的广泛关注。“方法” 的含义是指人类有目的的自觉行为方式的总和，“设计方法学”作为实现 设计目标的科学途径，是设计文化的重要支柱之。设计方法的发展背 景主要有以下几个方面： 1 工业革命以来，科学以其巨大的威力站到了社会生活的最前沿， 紧随而来的便是技术革命的突飞猛进，同时伴随着人们价值观的变化以 及新的需求的不断产生。与产品相关的各种问题日趋复杂，已经无法依 靠哪怕是最富经验的个人独自解决，那种传统的、专凭直觉和经验进行 的设计，那种带有极大的偶发性的设计，已无法适应新的形势，因此， 设计越来越需要理性，需要组织程序。 2 科学的发展，带来技术的融合。自然科学和社会科学的交叉，控 8 第一章绪论 制论、系统论、信息论等边缘学科的产生，为现代设计方法提供了新的 理论支持。企业管理和制造模式的演变进化要求设计的模式作出相适应 的改变。 3 。计算机技术和网络技术的发展，为现代设计方法提供了新的设计 媒介和工具。 产品设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作 方法的一门综合性学科。设计方法学的研究结果包括设计理论和设计方 法，设计理论是研究产品设计过程的系统行为和基本规律，设计方法是 研究产品设计的具体手段。一直以来，人们不断地在探索各种各样的设 计理论，希望利用它们来有效地指导实际的设计工作。下面将从设计理 论和设计方法两个方面对产品设计的理论研究情况作一综述。 1 3 1 设计理论研究综述 产品设计涉及了工业设计和工程设计两个不同的专业领域，长期以 来，两个专业虽然工作对象相同，但研究内容却大相径庭。工业设计偏 重于在人文层面讨论设计理论，主要表现为设计思想、设计风格的研究， 设计方法的研究主要面向设计思维本身和思维对象，中心是设计本身 3 , 4 , 7 - 2 2 ；工程设计偏重于在原理层面讨论设计理论，主要表现为对设计 过程的建模，设计方法的研究主要面向设计思维的模拟，中心是设计的 手段 2 3 - 2 9 。近年来，在设计方法领域，智能设计成为工业设计和工程设 计共同关注的目标1 3 0 - 3 7 。 1 工业设计思想的发展 所谓“设计思想”主要包括设计价值、目的、设计理论要点以及它 的指导思想，它是工业设计的理论基础。自工业革命以来，各种设计思 想经历了许多探索、斗争和变化，迄今为止主要有5 种设计思想： 1 ) 以艺术为中心的设计思想。这是1 9 世纪流传下来的设计思想， 将工业设计视为一种艺术创作，将设计等同于美化产品。我国在引入工 业设计概念之初，将工业设计称为“工业美术”，就是这种设计思想的反