计算机辅助创新技术CAI在产品设计过程中的应用

计算机辅助创新技术（CAI）在产品设计过程中的应用研究摘要：详细介绍了产品的设计过程，概念设计在产品设计中的地位和特点，重点介绍了辅助创新（CAI）技术在概念设计中的应用范围，提出概念设计中的产品创新归结为功能、原理、布局、形状以及结构等五个方面的创新。关键词：产品设计过程、概念设计、计算机辅助创新、发明问题解决理论0前言面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，世界各国普遍重视提高产品和工艺开发的水平，不断提升企业的核心竞争力；随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品更新换代也越来越快，新产品和新工艺开发在整个企业生命周期内占有越来越重要的位置。计算机辅助创新（ComputerAidedInnovation）是新产品开发中的一项关键基础技术，它是以近年来在欧美国家迅速发展的发明创造方法学(TRIZ)研究为基础，结合现代设计方法学、计算机技术、本体论等多领域科学知识综合而成的创新技术。能够充分挖掘人才与知识的潜力与价值，提高人才及企业的创新能力，缩短设计周期，提高研发效率，提高产品的创新能力，为企业创造巨大的经济价值。1产品设计过程产品设计过程没有统一而严格的定义，国内外已有很多的论述，主要是由于对产品设计过程的理解不同，或者说是由于对设计的内涵认识不同和对设计的理论理解不同。一般认为，产品设计过程是一个由综合到分析的反复迭代过程，从设计任务出发，把产品设计分为需求获得、需求分析、方案设计、结构设计和详细设计五个阶段，把需求分析环节、方案设计环节和部分结构设计环节规划到概念设计阶段，而这几个环节相互独立又彼此紧密相关，如图1所示。图1产品设计过程几个环节需求分析是新产品开发过程中的一个前期过程，通过对企业需求、用户需求和技术需求三大方面进行分析，确定新产品的开发方向和具体要求。设计人员在需求分析的基础上，进一步提取需求信息中有用的设计参数、技术要求及产品约束，在概念设计过程中根据这些设计参数、技术要求及产品约束形成概念产品。在产品的结构设计和详细设计阶段将概念产品的技术参数进一步具体化，并确定其生产要求、加工精度及工艺流程等。2概念设计在产品设计中的地位产品设计的目的是创新产品，满足市场需要和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。因此，创新设计是增加产品竞争力的根本途径。在产品设计的环节中，产品的概念设计是产品设计过程中最重要、最复杂，同时又是最活跃、最具创造性的设计阶段，产品的创新及其所具有的竞争能力，基本上也是在这个设计阶段被确定下来的。在概念设计阶段，产品各要素处于一种抽象、模糊的离散状态。这种状态既导致了设计的复杂性，又导致了产品的可塑性，为设计师提供了一个广阔的设计思维空间。而到设计后期或制造阶段，则要考虑到各种客观情形，如产品的材料、工艺、成本等，大大约束了创意思维的发挥，使得产品的创新难以得到体现。因此，概念设计是产品开发过程中最具创造性的阶段，好的概念设计可以为产品走向市场奠定良好的基础。概念设计是产品整个设计过程中一个非常重要的阶段。这一阶段的工作高度地体现了设计的艺术性、创造性、综合性以及设计师的经验性。实践表明，一旦概念设计被确定，产品设计的60％－70％也就被确定了，主要包含产品全生命周期的成本、产品的质量和性能等，然而，概念设计阶段所花费的成本和时间在总的开发成本和设计周期中占的比例通常都在20％以下。因此，产品的概念设计阶段是产品创新性的关键阶段，对产品创新也主要集中在这一阶段。同时我们也看到，随着以计算机技术为支柱的信息技术的不断发展，世界经济格局发生了巨大变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，市场竞争日趋激烈。同时，工业产品由传统的机械产品向信息电子产品方向发展，技术含量不断提高，而社会的消费观念也在不断地发生变化，需求层出不穷，概念设计作为需求分析和详细设计之间的桥梁，其主导地位和重要性日益明显。国外很多大公司的产品设计部门包括：ConceptDesign——概念设计、DetailDesign——详细设计、ManufacturingDesign——制造设计。由此可见，概念设计是设计领域中的一个重要方面。夺3概念设秤计的定义和赢特点咬3.1概叔念设计的定街义酒产品概念设元计是设计过星程的初始阶匙段，其目标倚是获得产品点的基本形式爱或形状。广旁义上的概念剧设计（如图匆2列所示）是指杆从产品的需补求分析之后叛，到详细设颤计之前这一碰阶段的设计粉过程。它主拼要包括功能慈设计、原理制设计、布局龙设计、形状巡设计和初步支的结构设计隙等五部分。铲这几个部分菌虽存在一定底的阶段性和迹相互独立性紧，但在实际挪的设计过程家中，由于设饿计类型的不塑同，往往具楼有侧重性，凳而且互相依读赖，相互影波响。皮概念设计应草包括以下主促要内容：①血功能创新；芝②功能分析拼和功能结构玩图设计；③扎工作原理解便的搜索和确菜定；④功能悦载体方案构死思和决策。恒图2

概念森设计的定义誉3.2概嗽念设计的特堤点疑概念设计中碑技术创新的梨本质就是要祝在工程设计鹊领域中发现宁某种新事物微、提出某种懒新思想，在培很多情况下凑是因为现有再的产品不能废满足社会（说用户）的需院求而激发出倦的新颖构思蔬和创见。技纪术创新在概距念设计中发歉挥着至关重姨要的作用。土技术创新的供基础是知识亿的积累和灵石感的迸发，僚是设计人员腥进行创造性暴思维的结果联。创新本身耕就意味着不便拘一格，不袜局限也不依栽赖于某种特衫定的模式，谈在诸多方面冠都是孕育技愤术创新。

栽概念设计具极有如下特性贤：尖（1）创新忠性；创新是舍概念设计的互灵魂。只有编创新才有可鼠能得到结构晋新颖、性能鹅优良、价格腐低廉的富有挂竞争力的机丰械产品。创托新可以是多臂层次的，如坝从结构修改震、结构替换符的低层次创劝新工作到工晕作原理更换芳、功能修改出和增加等高且层次的创新缸活动都属于白概念设计的妇范畴。在众架多设计路径典所产生的设困计结果中，豪将产生一组尽可行的“新翻”方案。队（2）多样臣性；概念设拒计的多样性杠主要体现在漏其设计路径浙的多样化和绩设计结果的普多样化。不遇同的功能定盾义、功能分家解和工作原鉴理等，会产钳生完全不同时的设计思路气和设计方法收，从而在功覆能载体的设迅计上产生完侄全不同的解飞决方案。从勺而产生了机犁械式手表和牧石英手表这拖两种完全不烧同的设计结政果。巩（3）层次革性；概念设岔计的层次性宿体现在两方泡面。一方面额，概念设计粮分别作用于忍功能层和载征体结构层，战并完成由功掠能层向结构广层的映射。袍如功能定义舰、功能分解浮作用于功能辰层上，而结训构修改、结诚构变异则作泉用于结构层选，由映射关晒系将两层连费接起来。另束一方面，在垄功能层和结芽构层中也有唱自身的层次欢关系。例如萝功能分解就放是将功能从释一个层次向过下一层次推晶进。功能的遍层次性也就旗决定了结构啦的层次性，轰不同层次的李功能对应不嫁同层次的结研构。例如结症构“自行车妻”的功能是凑代步，而自储行车的子功阁能之一“控胖制行进方向咏”则由子结齿构“车把”肤完成。光4CAI短在概念设计鲁中的应用而4.1T凉RIZ（萃闭智）理论的物发展催生了馅计算机辅助鱼创新技术（立CAI）杂TRIZ（典萃智）理论窜中文名字叫侵发明问题解另决理论，它家是由前苏联卧发明家G.聪捆S.Al疼tshul趣ler在1城946年创瓦立的，TR辨IZ就是怒“发明问化题解决理论弹”的俄语缩条写。当初A震ltshu岭ller在渣处理世界各片国专利过程各中，发现任司何领域的产产品改进、技阁术的变革、蜂创新和生物艺系统一样，挡都是有规律沙可循的。掌逃握了这些规做律，就能能责动地进行产易品设计并能掉预测产品的握未来发展趋姑势。于是在棕他的领导下北，前苏联的显数十家研究迟机构、大学极、企业组成量了TRIZ他的研究团体拴，分析了世宵界近250司万份高水平善的发明专利含，总结出各电种技术发展萄进化遵循的壤规律模式，遗以及解决各介种工程矛盾灰的创新原理摆和法则，逐有渐形成了当妥前著名的T沟RIZ创新华理论体系。纹TRIZ（单萃智）理论齿的核心思想椒在于它采用鉴科学的问题浆求解方法，忆首先将特殊零的问题归结筋为TRIZ岔的一般性问验题，然后应型用TRIZ扮（萃智）理授论寻求标准种解法，在此银基础上演绎碗形成初始问煮题的具体解暗法（见图1垃）。这其中常包括一套科抢学系统的问肺题模型构建区与分析方法帽，对问题和疤矛盾的定义熄，解决各种育矛盾的创新谋法则，以及遭各种标准解茎法和算法等品等，这都保根证了它是一横种科学，可里操作的创新疲方法，为计泄算机环境下拜的创新提供电了重要的理猜论与方法基董础。稻图3

T挤RIZ解决尤问题的模式遇计算机辅助伴创新技术（怎CAI）作市为工程领域纤又一个重要腐的计算机辅值助技术而出诵现，和其它伍CAX技术诊一样，它得诉益于相关的寄先进创新理秀论、方法的悄发展及其和价计算机技术给的不断融合朝。传统的创晕新方法更多育的是依赖心娱理因素，具答有很大的随纤机性和偶然竹性，创新效帅果也很难保序证。而TR缩IZ（萃智廉）理论的出同现则彻底改优变了这种情蔽况，它是一蛾种在前人创陷新成果与创辟新方法基础避上的提升和预集成，成功叉地揭示了创烦造发明的内张在规律和原奇理，它着力筹澄清和强调半系统中存在示的矛盾，而喘不是逃避矛屿盾，其目标减是完全解决绒矛盾，获得虫最终的理想萍解，而不是臭采取折衷或驳者妥协的做鼓法，而且它荣是基于技术战的发展演化毕规律研究整南个设计与开哑发过程，而忘不再是随机迈的行为。即炕：TRIZ垦（萃智）理储论的发展催售生了计算机租辅助创新。腾计算机辅助根创新（CA交I）技术以粗其科学的方黎法体系，直炮观的方案知造识库成为辅逮助概念设计晋的利器，为迫自主创新、朱掌握关键技脚术知识产权刃的企业带来蒜了方法与工生具地支持。帝其中，计算淋机辅助创新峡软件Pro姓/Inno员vator虑是CAI技攀术的一个代浴表产品。借床助该工具，她技术人员可跌以有效地对星问题进行分岂析，借鉴不慢同领域的知逝识，从而高最质、高效地杨构建解决方尝案。峰4.2C城AI在概念码设计中的应泪用接泥面向产品富创新的概念厅设计卧在产品设计纹的全生命周尽期都需要创况新，如概念康设计阶段、球工艺阶段、恳制造维护阶伏段等，但是肌它们创新的预层次和特点域是不同的，符对整个产品罪的影响力也螺是不同的。殿其中，概念安设计是产品兰设计的先导扒，又是产品冬构型设计的要前提，自由惰概念设计搞撕好了，产品恨设计才有可并能达到高水警平。如果仅诚仅依靠人的甲灵感进行概渐念设计，将葡会制约它的法进展，现在炕我们在概念莲设计中可以咸采用计算机挪辅助创新（守CAI）工即具进行产品骄的创新，使际传统的产品剖概念设计转冒变为面向创计新的概念设蓬计。羊眠CAI在应概念设计中狠的应用满从创新角度渠看，概念设栽计过程本质妈上就是一个饱产品创新的季过程。概念好设计中的产逝品创新归结侨为功能、原顿理、布局、夫形状以及结粒构等五个方督面的创新，涨也就是计算切机辅助创新汤（CAI）呼工具在概念党设计中的主脆要应用方面贱。求（1）功能脚创新艰功能创新主锁要依赖于市扎场需求的分推析结果。在萄传统的设计爱过程中，主忍要靠人工来络完成。随着借信息技术的辞进一步发展侮，特别是数产据库、信息拦管理、人工罢智能等技术苍的深入应用繁，最终必将笼使计算机在排辅助产品功郑能创新中发石挥其巨大的倡作用。东（2）原理达创新爸原理创新一牵般是从产品纳的功能要求伙出发，通过病技术分析，闻寻求产品创犯新的过程。嚷这种方法主咬要是把复杂铸的设计要求需通过功能关暖系的分析抽以象为简单的跪模式，以便损寻求能满足叨设计对象主短要功能关系桐的原理方案菌。传统上，跳常用简图或怪示意图来表梳示所构思的灰内容。而计竞算机辅助的谁原理创新工抹具则有形态很学、协同学嘱的求解工具姜以及基于原川型、事例等呜的联想类比柄求解工具等辅。这些工具染的实现很大熊程度上依赖邪于网络化设酷计、协同化猾设计以及智旧能设计等领延域的进展程阿度。景（3）布局羞创新球布局创新主激要是指对整蒸个产品按功首能进行分解姜或组合，从挣而划分为若济干个组件单蛮元，然后通映过产品布局正的空间排列珠、配置方式港和尺度变化已等三要素的秋变化来实现战产品创新的姑过程。由于宵布局三要素挎可用数学表证达方法进行伙形式化描述国，因而完全钓可以通过在池内部建立的调数学模型的棒支持下实现险计算机辅助图的产品布局妹创新工具。直（4）形状很创新锈形状创新主钉要是指对经太过原理方案磁实体化后的腹初始产品形劈状，在遵循爷基本的形状现法则的基础滔上，通过形胃状变换操作吊而实现产品当创新的过程为。其中变换谈操作包括了板变异、置换仅、替代、组狮合等等，对屠象则包括产度品整体、部械件或部件组勒合。形状创福新的操作机阻制与传统特秃征模型中的抓特征操作以身及变量模型帅中的变量操博作存在着一奉定的相似性谊。探（5）结构约创新使概念设计过礼程的结构创眠新主要是指嚼概念设计后揭期对方案进摇行初步结构明化过程中的染产品创新过鼻程。这一过军程从产品结讲构的角度出咱发，对构成端产品的各个葡部件进行初纳步结构化，辜以达到与后的续设计的衔宽接，同时体逆现在结构上颈的创新性。系因为在详细级设计中的结到构设计过程腾，由于受到芒各种约束，息产品结构上尊的创新已难魂以体现。宴其中，以功周能创新和原演理创新为主步的产品设计聪往往是创造朋性设计，而碗以布局创新编、形状创新拐和结构创新指为主的产品模设计