1.2 现代机械设计理论的发展

设计理论与方法对于指导产品设计具有重要作用。前苏联学者阿切尔康的巨著《机械零件设计》指导了几代人的设计工作，使机械设计理论化、规范化。美国学者铁木辛科的巨著《材料力学》也影响了几代人，奠定了强度设计的基础。同理，现代机械系统设计理论与方法无疑对现代机械系统设计起到重要的指导作用。

1.2.1 设计理论发展的前期阶段

20世纪90年代前半期开始，现代机械系统设计主要指设计参数的产生与优化，系统性能及行为的仿真。各种系统化的设计理论与方法发展迅速，其实用化程度在不断提高，各国学者开始从系统的观点和运筹学的角度来研究现代机械系统。

1．智能化设计理论

智能化设计是机电一体化技术与传统机械自动化技术的主要区别之一，也是21世纪机电一体化技术发展的主要方向之一。基于知识的智能化设计就是通过设计知识的获取、组织、表达、集成和使用实现设计自动化。它不仅能用实物的几何特征参数控制产品模型，而且能将设计人员在设计过程中采用的设计思想、准则、原理等以显性的知识表达出来，比传统产品建模技术更能体现产品特征，更适应现代设计的发展需要。它的主要特点有：① 基于产品本身和整个设计过程的信息建立产品的工程模型；② 用产品设计、分析和制造的工程准则以及几何、非几何信息等构成产品设计知识，联合驱动产品工程模型，以知识为驱动力；③ 根据主动获取和集成的设计知识等自动修改模型，提高设计对象的自适应能力；④将产品和设计过程的设计经验、规范、思想等多领域和多种描述形式的设计知识采用显性表达并储入知识库中，成为显性知识以便再用。

2．柔性化设计理论

由于使用了微电子技术，可以而且应当尽量用软件功能代替硬件功能。因为“软化”可以使现代机械系统近乎完全“贴近”实际工况的需要，极大地提高产品的性能。例如，加工中心机床、汽车的防抱死装置等都广泛地采用了软件控制原理。

3．网络化设计理论

网络化设计包括网络环境下的协同设计、并行设计、虚拟设计、定制设计、综合设计和集成设计等。20世纪90年代以来，计算机技术的突出成就就是网络技术。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是现代机械产品。

4．集成与融合设计原理

指产品的各个部分的相互集成与融合。多传感器的集成与信息融合已成为复杂的现代机械系统领域的研究热点。一方面强调对传感器信息的优化合成，另一方面也十分重视对传感器的优化管理。多传感器的集成与融合具有准确度高、时空覆盖范围广、反应速度快、可靠性高、成本低等特点。

5．可靠性设计原理

机械产品的可靠性指机械产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性理论作为一门边缘科学是在第二次世界大战的后期发展起来的，随着科学技术的发展，产品越来越复杂，对产品的要求也随之越高，因此，产品的可靠性也日益受到重视。

这些设计理论的应用，使得整个现代机械系统的整体性能得到了极大的提高。但这些设计理论均是针对某些具体指标完成产品局部设计环节的设计理论和方法。由于现代机械系统设计的复杂性，单独应用这些设计理论和方法，虽然可以对现代机械系统的原始创新起到一定的作用，但也易于达到设计的极限，创新的空间有限。

1.2.2 设计理论发展的第二个阶段——概念设计理论的发展

1974年英国学者M.J. French首次对概念设计作了系统阐述，提出：“概念设计就是确定设计任务和用简图形式表达的广义解”。这里的广义解是指设计问题的一个求解轮廓，包含原理方案的空间或结构关系，可确定产品大致的成本、重量或总体尺寸以及在目前环境下的可行性等信息。

1984年德国学者Pahl和Beitz从设计方法学的角度将产品的设计过程划分为：明确任务、概念设计、具体设计和详细设计四个阶段，并将概念设计定义为“概念设计是在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。”

20多年来，随着对概念设计研究的深化，概念设计的内涵又有新发展，我国学者邹慧君教授在French及Pahl & Beitz研究工作的基础上，根据现代机械系统中广义执行机构的特点，将产品的设计过程划分为：产品规划、概念设计、详细设计和改进设计四个阶段，并给出了概念设计定义：“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、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。”

1．概念设计具有的主要特征

（1）创新性

创新是概念设计的灵魂。概念设计的创新是多层次的，如从结构修改、结构替换的低层次创新活动到工作原理更换、功能修改或增加等高层次的创新活动都属于概念设计的创新范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一组可行的新方案。

（2）多目标性

设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家所提出的特定的要求和条件，同时还涉及环境、社会等因素。这些限制和要求构成了一组边界条件，形成了设计师进行构思的“设计空间”。只有满足这些约束目标，才可能得到可行解。

（3）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。不同的功能定义和功能分解会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的求解方案。根据Douglas的研究，对于一个一般复杂程度的现代机械系统设计问题，大约存在104～109种设计方案。

（4）层次性

概念设计是一个从抽象到具体的信息进化过程。一方面，概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上，而结构修改、结构变异则作用于结构层，由映射关系将两层连接起来。另一方面，在功能层和结构层中也存在自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一个层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性，不同层次的功能对应不同层次的结构。

（5）不良结构性

概念设计信息的不完整、不一致、不精确甚至是模糊的特性，使得难以对该阶段进行准确定量描述，导致了从问题空间到解空间的映射求解过程的不良结构问题。

（6）反复迭代性

在方案求解的每个过程中，都是由多个子循环，即综合、分析和评价组成，各个子循环多次迭代的结果是得到一个全局满意解。

为了更好地体现概念设计的创新性、多样性和层次性，概念设计可定义如下：“概念设计是对市场需求逐渐理解后，确定设计理念、实现广义功能，求得用简图符号形式表达的多种可行方案，选择综合最优方案的设计前期工作过程。”

概念设计的全过程可划分为前期的设计理念的确定与后期的原理设计及具体的方案设计两大阶段。

设计理念的确定是概念设计的前期阶段，即根据市场需求和机器功用进行设计思想和设计理念的构想。这一阶段属于“形象思维阶段”，但对概念设计十分重要，是概念设计中创新层次最高的一个设计阶段。创新的火花往往产生于这一阶段。这一阶段的设计目前更多地是借助于设计人员的创新思维能力、知识与经验的发挥。目前缺乏针对这一阶段的程式化的设计理论的研究。

原理设计及方案设计是概念设计的后期阶段，这一阶段属于“逻辑思维阶段”，其中原理设计是方案设计的核心，方案设计是原理设计的具体化。目前对机械系统方案设计阶段的设计理论与方法的研究较多。

2．方案设计与概念设计、创新设计及系统设计之间的关系模型

（1）方案设计

由上节可知，方案设计是概念设计的后期阶段，是在设计师的理念、设计思想、设计灵感及设计经验充分发挥的前提下，进行具体组成和功能结果的方案设计。设计方案是概念设计的结果的表现形式。

（2）创新设计

创新设计是通过创新思维、运用创新设计理论和方法设计出原理新颖、结构独特、性能优良、工作高效的新机器。创新设计贯穿于产品设计的各个阶段。而创新性表现最为集中、最为突出的阶段是概念设计阶段。实践表明：产品创新主要来自概念设计阶段所涉及的功能、原理、形态、布局和结构等方面的创新。从产品创新的角度看，概念设计过程本质上就是一个产品的创新过程。

（3）系统设计

系统设计是将工程设计任务或机电一体化系统看做一个技术系统，把它作为一个整体的系统来研究。从系统出发分析各组成部分之间的有机联系及系统与外界环境的关系，是方案设计中重要的理论方法。系统设计方法主要有功能分析法、结构方案变型法等。

（4）方案设计与概念设计、创新设计及系统设计之间的关系

概念设计是从产品开发需求到设计方案的映射过程，是工程设计中一个很重要的阶段。而根据设计过程有没有加入新的知识、属性、方法，可将设计分为常规设计（没有加入新的知识、属性、方法，属性的类型也不改变，而仅改变属性值），变形设计（没有加入新的知识，但其属性和方法则不完全相同）和创新设计（设计之前没有先验知识，也没有既定的方法）。事实上，创新设计贯穿于设计过程的各个阶段，而概念设计阶段具有较高的创新层次。系统设计则是一个具体方法的体现。方案设计与概念设计、创新设计及系统设计之间的关系模型如图1-3所示。这一关系模型有助于提高对设计方法论的认识。