产品概念设计

第1章绪论1.1产品创新的核心——产品概念设计中国已经成为工业生产的大国，但还不是工业生产的强国。我国的产品大多以OEM贴牌加工的方式变成了外国的货品，而即使是我们自有品牌的出口，也因为设计的粗陋使得中国制造的产品成了低质低价的代名词，过于注重模仿与引进，不注重自主知识产权和产品创新设计是我国多数产品的通病。一个非常著名的提法是，中国要成为世界产品的“生产车间”，但与那些跨国企业生产的造型新颖、工艺考究的产品赚取的成倍利润相比，这个生产车间为自己创造的利润只有1%~2%。惟有创新，才能令中国企业走上自强之路；惟有重视设计，才能令中国由“制造大国”走向“制造强国”。中国工程院院士、浙江大学校长潘云鹤教授在谈到产品创新时说，创新有两类：第一类是原理上的改变，如从无到有的创新，比如科技发明；第二类创新是在第一类的基础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和个性需求。在产品设计过程中，能集中体现这两类创新的工作就是产品概念设计。产品概念设计作为设计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。一旦概念设计被确定，产品设计的60%~70%也就确定了，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60%以下，并且很难或不能在详细设计阶段纠正产品设计的缺陷。因此产品概念设计质量与效率不仅对产品的创新性、功能的合理性、使用的宜人性和外观造型的美观性等起着决定性的作用，同时也直接影响到整个产品的开发周期、上市时间、生产成本等重要因素。1.1.1产品设计发展历程与趋势纵观产品设计过程的发展历程和趋势，大致可分成如图1-1所示的4个发展时期。1．第一时期（20世纪六七十年代）这一阶段把设计过程划分为功能设计（阐明任务书）、原理设计（方案设计）和技术设计（结构设计）三大阶段。在这个阶段，计算机辅助技术主要局限于工程设计绘图的层次，并没有打破传统的设计过程划分。制造过程也主要是基于传统的“制造装配→实样试计算机辅助概念设计·2·验→批量生产”的流程。第1章绪论3·3·2．第二时期（20世纪八九十年代）随着计算机图形学特别是三维CAD系统的迅速发展，这一阶段的产品设计过程开始在相当大的程度上依赖于计算机的辅助。设计过程一般被分为概念设计、方案设计和详细设计3个阶段。其中，概念设计是创造性设计思维阶段，方案设计是概念设计与详细设计的过渡阶段，包括功构映射、初步结构设计、方案布置设计等，详细设计则主要是在CAD系统的支持下确定产品各类参数的过程。在这一阶段，一些新的制造模式如计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）等得到了深入研究并逐步应用于企业的生产实践。3．第三时期（20世纪九十年代后期）这一阶段，由于真实感显示、多媒体、虚拟现实（VR）等技术的发展以及CAD系统的逐渐完善和广泛应用，设计过程变得更加紧凑、简捷，概念设计的内涵和范围逐步扩大，一般就分成概念设计和详细设计两个阶段。各阶段目标也更为明确。其中，概念设计是指产品设计早期的创造性设计阶段，目的在于实现产品创新。而详细设计主要是面向装配和制造，将概念设计方案详细化、精确化，同时修正存在的不妥之处。这一阶段，VR技术不仅应用于设计过程中的各个环节，而且也应用于产品的装配、检测和评价上，如虚拟原型（VirtualPrototype）、虚拟装配（VirtualAssembly）和虚拟产品（VirtualProduct）等。此外，出现了一些新的制造模式如数字样机（DigitalMock-up，DMU）、敏捷制造（AgileManufacturing，AM）等。需求分析功能设计（阐明任务书）原理设计（方案设计）技术设计（结构设计）需求分析概念设计方案设计详细设计CIMS、CE实样试验批量生产制造装配实样试验批量生产需求分析概念设计详细设计虚拟装配虚拟产品产品生产需求分析概念设计虚拟制造设计管理产品生产详细设计第一时期第二时期第三时期第四时期技术进步图1-1产品设计过程的发展历程与趋势4．第四时期（21世纪初期）到了这一阶段，产品的制造模式将发生根本性的变化，基本上达到虚拟制造（Virtual计算机辅助概念设计·4·Manufacturing，VM），甚至敏捷制造的水平。设计过程高度集成化，概念设计和详细设计几乎并行进行。先进的CAD系统提供了一个数字化、集成化、协同化、智能化、网络化的设计开发环境。1.1.2产品概念设计内涵从产品设计过程的发展历程可看到，随着设计过程的逐渐紧凑、目标分化以及CAD技术的逐步发展和应用，概念设计的内涵也在不断地发生变化。为能对概念设计作一个全面的形式化定义，针对其发展状况，从以下3个方面加以考虑：（1）定位的完整性从设计方法学的角度看，完整意义上的概念设计包含了工程设计与工业设计两大部分，两者密不可分。但由于历史的原因，它们一直处于分裂的局面，前者主要由工程师完成，后者则由工业设计师完成。工程设计界将概念设计界定为产品设计的创造性设计思维阶段，目的在于求得满足功能需求的原理解，即产品的功能设计、原理设计以及初步的结构设计。不少学者从工程设计学出发，提出了层次概念设计模型、工程设计概念模型、基于功率键图的概念设计等概念设计建模方法。工业设计界则将其定义为在功能、原理基本确定的情况下，考虑产品结构、人机工程、形态、色彩、制造以及成本等因素在内的产品外观造型的设计，即产品的形态设计、色彩设计、布局设计与人机工程设计。不少学者从产品设计方法学出发，提出了造型文法、色彩文法、形状文法等产品概念设计原理、原则与方法。此外，由于需求设计与概念设计之间高度耦合，迭代非常频繁，所以有时候也可以把需求分析纳入概念设计的研究范畴。（2）计算机的支持在信息技术迅猛发展的今天，产品概念设计已离不开计算机的支持。概念设计内涵的不断变化，其最大的驱动因素就在于计算机技术的不断发展。当前，计算机辅助概念设计（Computer-AidedConceptualDesign,CACD）的研究已受到众多学者的关注。CACD系统能满足概念设计师的各类特殊需求，更为简捷地生成设计对象，有效地提高概念设计的质量，可避免因设计失败而造成开发成本的浪费，并提供了一个进行信息交流和对象评价的更好的平台。（3）产品创新为目的产品的创新性是产品是否具有竞争能力的关键因素。而概念设计是产品设计过程中创新表现最为集中、最为突出的一个阶段，其目的就在于追求产品的创新。概念设计与产品创新密切相关。综上所述，概念设计可定义为产品早期设计阶段，在CACD系统支持下进行产品创新设计的过程，包括了产品在功能、原理、形态、色彩、布局、人机工程和结构这7个方面第1章绪论5·5·的创新活动，如图1-2所示。面向创新的概念设计工程概念设计工业概念设计功能设计原理设计布局设计形态设计功能设计人机设计布局设计色彩设计形态设计原理设计结构设计内涵基础设计师+传统CAD设计师+CACD系统图1-2概念设计新内涵①功能设计：将需求分析转化为功能设计任务书，并针对市场需求进行功能上的改进或创新的过程。②原理设计：按照功能设计说明书，进行产品原理解的求取和创新的过程。③形态设计：包括各部件的形状、材料、工艺、表面造型、肌理在内的产品形态创新过程。④色彩设计：在功能、材料、批量生产的加工手段、时尚、生理、人机工程学等条件的制约下，对设计的形体赋予色彩。⑤布局设计：根据排列方式、配置方式、尺寸比例等要素进行产品布局。⑥人机设计：考虑产品与人以及环境的全部联系，全面分析人在系统中的具体作用，明确人与产品的关系，确定人与产品关系中各部分的特性及人机工程学要求设计的内容。⑦结构设计：包括尺寸、结构、部件之间连接关系在内的产品结构创新过程。图1-3描述了概念设计中7个方面的产品创新。其中，以功能创新和原理创新为主的产品概念设计往往是创造性设计，而以布局创新、形态创新、色彩创新、人机工程创新和结构创新为主的产品概念设计主要是变型性设计。它们虽存在一定的相互独立性，但在实际的概念设计过程中往往相互影响，相互制约。1.1.3产品概念设计特点概念设计阶段的工作高度体现了设计的艺术性、创造性、综合性。随着时代的进步，设计的难度日益增大，很难全面准确地捕捉市场现实和潜在的需求，也很难把握众多相关领域技术的发展。整体而言，概念设计具有如下特性：计算机辅助概念设计·6·产品设计产品创新创新技法支撑系统和创新工具创造性设计变型性设计功能创新原理创新布局创新形态创新人机创新色彩创新结构创新集体群智法：智力激励法、检核表法、CBS法、德尔菲法系统创新法：系统设问法、系统列举法组合创新法：性能组合、功能组合、原理组合、结构组合、系统组合、模块组合联想类比法：联想发明、综摄类比支撑系统：集成信息管理系统、智能系统、网络协同环境创新工具：形态学求解工具、协同学求解工具、构思激励工具、模型化交换工具、组合化求解工具图1-3概念设计中的产品创新（1）创新性——创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到用户最需要、最适用、最满意的新产品。这里的创新可以是多层次的，如，从结构修改与替换、布局变换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加、形态变异、人机约束满足等高层次的创新活动看，都属于概念设计的范畴。一个新产品在功能、原理、形态、色彩、布局、结构、人机工程、材质、工艺等任一方面的创新，都会直接影响产品的整体特性，影响产品的最终质量和市场竞争力。（2）多样性——概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计方案的多样化。不同的市场需求，不同的功能定义、分解，不同的工作原理，不同的产品形态，不同的布局形式等，都会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在产品概念设计中产生完全不同的解决方案。1.2计算机辅助概念设计1.2.1发展由来概念设计是一个创造性设计的过程。但目前以CAD为核心的计算机辅助工具主要应用第1章绪论7·7·在详细设计阶段，如Pro/Engineer、EDSUnigraphics等，这些系统的着眼点主要是“设计表达”，虽能生成复杂、精确、完整的三维造型，但由于其本身并不是为概念设计而开发的，存在许多约束限制，不允许快速输入和再现不完备的概念造型，从而导致其基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化（草图化）绘图工具，而非辅助设计工具。针对上述情况，CACD的研究以及CACD系统的开发就应运而生了。CACD系统的根本目的就在于能有效支持产品的创新设计。在设计早期应用CACD系统至少有如下优势：（1）它能满足概念设计师的各类特殊需求；（2）它能有效地提高概念设计的质量；（3）它能更为简捷地生成设计对象；（4）它提供了一个进行信息交流和对象评价的更好的平台；（5）它可以避免因设计失败而造成的开发成本的浪费。1.2.2基本内容CACD，即通过计算机技术的辅助来进行产品的概念设计，以达到产品创新的目的。它是CAD领域的一个重要分支。概念设计不仅与需求分析、详细设计紧密相连，其内部的各个环节也相互依赖，互为驱动，因而概念设计是一个相当复杂的过程。一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。CACD涉及到了设计方法学、人机工程学、人工智能、CAD以及认知与思维科学等多个领域的方法与技术。因此，计算机辅助概念设计的研究，就需要去研究概念设计方法学。概念设计过程如此复杂，内容这么丰富，随着信息技术的发展，该如何依靠计算机实现从需求分析到方案求解的概念设计全过程呢？谢友柏院士曾提出设计理论和方法主要应当研究两个问题：求解的方法论和知识基础。这应该是目前CACD又一需要解决的主要内容。由于目前已有的许多CAD系统的着眼点主要是“设计表达”，存在许多约束限制，从而导致其基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化（草图化）绘图工具，而非辅助设计工具，所以如何运用计算机辅助设计技术研制出计算机辅助概念设计系统，支持从需求分析到方案求解的概念设计全过程，就成为CACD需要解决的另外一个主要问题。随着CACD系统功能的逐步强大，计算机辅助概念设计系统必然越来越受到概念设计师的欢迎，从而在概念设计过程最终替代传统的CAD系统。基于