普适性设计方法

第四节　普适性设计方法

一、普适性设计方法的由来

德国民族是一个肯思考也善于思考的民族。在工业活动中，为了共享研究思考的成果，推动各行业的发展，德国标准局发表了许多标准（DIN），连手锤的尺寸、一般坐椅的尺寸都有详细的标准供行业规范生产之用。他们觉得这样做尚有不足之处，所以德国工程师协会（VDI）又组织专家学者编写出版了一整套指导各行业和学科分支工作的指导性文件（Richtlinie），在指导性文件中，总结并选用已有的成熟的科研成果和实践经验，指导工程技术人员更合理、更科学地处理面临的各类问题。所以指导文件成为德国标准的有力和有效的补充。标准是法律、是约束性文件，而指导性文件没有法律约束，由使用者自行掌握负责。但随时间推移有一些指导性文件逐步成熟过渡为标准，其法律性质就发生了变化。指导性文件不超过五年要进行一次审查，会不断更新其内容。在德国一些较大和较著名的高校中，都定期订购指导性文件。在文件的扉页上一般都盖章说明，用于科研和教学目的的复制是许可的，我国广大的科技工作人员也可以在德国高校方便地复印获得指导性文件，供工作和学习参考。

德国素以其产品设计新颖和制造精良闻名于世。德国广大的工程技术人员，尤其是中小企业中的技术人员，在长期的产品设计和制造中，结合德国人特有的严谨思维，逐步形成了具有特色的产品设计方法。在柏林工业大学（TU Berlin）和达姆斯大特工业大学（TU Darmstadt）工作的Beitz和Pahl教授总结、归纳和提升了在德国工业界广泛流传的产品设计方法，形成了所谓“普适性设计方法”，出了相应的专著。这一科技成果应该进一步大力推广和应用。德国工程师协会（VDI）组织了包括Beitz和Pahl在内的专家学者，起草了VDI 2222第一篇“设计方法学，技术产品的方案设计”；VDI 2222第二篇“设计方法学，设计目录的编制和应用”；VDI 2225，“技术经济设计”。作者在消化的基础上，对VDI 2222第一篇“设计方法学，技术产品的方案设计”作简要介绍。有兴趣的读者可以和作者联系，以更有效地实现“引进、消化、再创新”，推动我国创新活动。

二、新产品设计过程

一个新产品的完整设计过程在图4－12中得到反映。整个过程由计划、方案设计、总体设计和详细设计四大步骤组成，用四个矩形框表示，是一种最具有普遍意义的工作步骤。其中文字部分标明了每一步骤中应完成的工作。每个步骤完成后都有重要的决策程序。向上的箭头表示一种反馈，整体构成网络式思维工作过程。

图4－12

1．新产品计划

设计过程的第一个步骤为计划。企业的产品发展计划必须有前瞻性和可行性，是关系到企业生存发展的头等大事。计划阶段要确定任务书，为此必须从市场分析、研究成果、用户咨询、先期开发、专利情况、环境保护等诸多方面进行调研，确定开发任务书，切莫匆忙行事，计划阶段的错误决策会带来致命的后果。每项任务的选定需要加以论证，并编写开发建议书，呈给上级主管部门，经主管部门决策批准后，方可下达开发任务书，进行下面的步骤。

对新产品的诞生，计划工作是企业领导与销售、研究、设计和制造等诸多方面人员的必要合作结果。为此，必须说明以下基本点：

根据德国产品规划专业委员会的定义，新产品计划涉及的内容是在企业确定的目标和一般性边界条件的基础上，系统地寻求和选择产品的设想，这些设想的实现可保证企业在未来的生存和发展。

为了系统地寻求新的任务和新的产品，需要范围广泛的内外情报信息，并对此进行整理和分析。

外部的情报包括市场观察和分析的结果；用户的提议；已有同类产品的广告和说明书；参观有关展览会得到的印象；一般性技术发展的趋势，如专利情况；其他行业的技术进步对本行业的影响，如新材料、新能源的应用等；社会环境如政府有关产业政策、环保政策的要求、税收政策的变动等等。

内部情报包括企业拥有的研究人员、设计人员、制造人员的水平和工作情况；企业拥有的试验手段和场地；企业知识产权占用情况；企业资金运作情况；企业拥有的制造能力等等。

还可以用TRIZ法介绍的S曲线分析预测目前该产品所处的寿命周期的地位。特别要注意该产品中的关键技术及其水平。一项新的关键技术的应用是产品升级换代和新产品诞生的重要标志。

通过对内外情报的综合分析，可产生带有指导意义的下列若干等级水平的开发产品：

①改进企业现有的产品；

②替代某种市场已有而本企业没有的产品；

③根据新的功能要求，采用新的原理和关键技术，生产一种新产品。

由于客观提供的产品范围十分广泛，而主观具备的能力又十分有限，在确定新产品计划时必须考虑两个原则。首先，一般说来新产品是企业现有产品的发展和延伸，而不是一种突变和跳跃，比如说一家钢铁企业绝没有必要去寻求一种新的食品作为新产品计划。这种新产品与已有产品间的发展和延伸关系到可减少计划产生的风险。二是新产品是一种逐步进步的产物，不可能一步登天。例如：对一种车床而言，前进的第一步可以是形成一种车铣结合的新车床，实现新的功能，而前进的第二步是在机床上采用新的电子器件、新的材料。每次产品升级只采用一项新的关键技术，这样，不仅容易实现产品的不断更新，还可极大地延长产品存在的寿命，以使企业获得最大经济效益，并得以长期生存。

以上阶段的最终结果是为了提出一份开发建议书。开发建议书应包含有下列内容：

·对拟开发产品的描述，技术要求，经济要求。

·同类产品的当前市场情况，包含生产和销售两个方面。

·产品开发的时间和经费消耗。

开发建议书经企业高层领导决策确定后，方可成为方案设计的依据。

2．方案设计

方案设计是整个设计过程中工作量较大、最重要的一步。按照VDI 2222号文件的表述，一个新产品完整的方案设计应包含以下步骤：对计划阶段的产品开发任务书进行分析，制订相应的要求明细目录；把产品的总功能分解成各子功能，寻找针对各子功能的解的原理及相应的结构单元；组合各子功能的解的原理，以优化的方式实现总功能，对各子功能的解的原理和结构单元进行相互间的协调、调整，最终形成若干个可行方案；对各个方案进行技术、经济评判，再根据主客观因素决策选定某个拟用方案。确定了方案方可进入下一步即总体设计阶段。

已通过的开发建议书以开发任务书的方式下达。首先，提交开发建议书的部门与负责执行部门应进行进一步的接触，以使已由开发建议书变成的开发任务书进一步具体化。按照以下五个方面进行深化：

·进一步分析用户意见，用户意见应该具体化，尤其要着重了解最终未能签约合同的用户的意见。

·明确内部的不足之处，如企业当前在市场中所处地位，分析当前用户在使用中造成的事故和索赔情况。

·了解可能存在的竞争对手的水平情况，细分出可能超越对方的地方，从技术和经济两方面着手。

·求取必要的数据，有产品功能的定量数据，有国际标准和国内标准的数据。

·估计未来的发展，确定分几步来实现开发任务书中最终目标，有没有可能在实现开发任务书的目标后作进一步的发展。

在汇总上述全部情报后，方可开始编制要求明细表。为了便于以后可靠地评价方案并作出决定，要求明细表可分成以下几个方面的内容：

基本要求：产品特征应定量表述，必要时可带有偏差，并可附以文字说明，如车床加工零件的直径、长度等。

最低要求：一些不利因素的最大量，如噪音、振动；一些有利因素的最小量，如效率。

希望：在可能条件下的改进，如希望外观大方、简洁；希望操作空间足够大等。

对要求按三类进行区分是为了以后正确评价。基本要求必须满足，在比较技术方案时应把它单列出来，而不必计分。对于最低要求和希望，可进一步分成制造类和使用类，对这些指标采取赋等级数值的方式计算得分，以便对不同技术方案进行量化比较。

要求明细表可由各企业根据自身的情况设计制订，这里在表4－5中给出一个范例。要求明细表一旦确立获批准，以后的修改和调整都要经过相应的批准手续，也就是说，一切都不得随意进行，以形成一种认真严肃的工作作风。表4－5中列出的项目不是针对某一种产品，而是具有普适意义。当然，还可以针对不同产品增加一些个别的要求。也可对整机的功能部件或结构部件设置个别的要求明细表，如汽车，可按发动机、底盘、变速箱等几个总成分分别列出要求明细表。根据产品对象不同，还可以拓展或减少表4－5的内容。

表4－5　特征项目表

要求明细表确定后，一个有经验的工程师可以列举出若干个满足同一任务的方案。以往的做法是将若干个方案画出总体方案图，从经验和直觉出发选定一个方案，然后画出具体的施工图。传统的做法至少有两个缺点，首先是凭经验和直觉的选定不能保证选定的方案最优，其次是各种方案中，无法萃取局部之优汇成真正意义上的最优方案。

如果能分析要求明细表中的内容，舍去次要的、枝节的，突出一般的、必要的，并予以较抽象的形式表达，就能为优化方案迈进一大步。例如：要设计一台流量为V＝20升／秒和压力提升P＝1．5巴的液压泵，所谓抽象，可把该任务描述为研制一种“液体物料运送”的装置。完成这个抽象任务不仅包括已熟知和未知的泵，也包括汲水轮等，使得解的范围扩大。抽象也不宜过分，因为抽象化过程本身需要操作时间，再有过分抽象会使解的范围无意义地扩大，使人们最终失去找到最佳方案的信心。刚才叙及的生产和设计一种“液体物料运送”的装置就不宜进一步抽象为“物料运送”的装置，因为物料有固体、液体、气体之分，运送固体与运送液体的装置有完全不同的要求，而运送气体又是完全不同的另一类装置。

抽象的目的是正确提取该产品要求明细的功能。德国学者Pahl和Pilitz把功能作如下定义：“一种功能是为实现某任务要求的系统的输入、输出和状态值之间的抽象描述的一般性作用关系。”一般说，功能表述采用名词和动词的组合为佳，如“能量转换”、“物料提升”、“运动传递”等。在功能表述确定后，一般应再配以与本课题有关的边界条件，如“物料提升”功能，可附加固体形状、提升行程、提升速度、操作环境（室内、外）等条件。

功能确定后，建立黑箱。对工程系统的黑箱，输入和输出量只涉及到物质、能量和信息流。物质流始终与能量结合在一起，物质可以用不同的物态和运动形态（连续或间断）来表达，能量也可以是不同的物理状态且相互发生转化，如电能、机械能、热能、光能等。物流中的能量是随传送距离长度而下降的，因此有时要不断输入能量。信息量与物流相似，也得与能量流相结合，并随传送距离长度而补充能量。这三个流相互结合，形成了整个功能系统。图4－13为液体物料运送的黑箱图。

图4－13　泵的黑箱图

为了合理探索出求解方案，应为总功能提供一些求解的原理性设想。可将总功能分解为复杂程度较低的分功能，并找出各分功能的解决办法，图4－14表示把洗衣机洗衣服分解成“储存衣服”、“注入水”、“洗涤剂与水混合”等等分功能。倘若某分功能还较复杂，可再进一步分解，直至该分功能已具有可处理的适当复杂程度。在图4－14中，“漂洗衣服”这个分功能又进一步分解为“注入水”、“在水中搅动衣服”等四个更低级的功能。

图4－14

在编制功能分解图时，可先不考虑物质、能量和信息流的结合，以简化问题。

下一步骤是要寻求实现分功能。