2.1 概述

在20世紀(jì)80年代以前，設(shè)計(jì)研究主要集中在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、可靠性、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖等領(lǐng)域，而現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的中心已經(jīng)轉(zhuǎn)移，主要是從戰(zhàn)略上研究設(shè)計(jì)進(jìn)程的實(shí)施和各個(gè)階段戰(zhàn)術(shù)的運(yùn)用，是從設(shè)計(jì)頂層開始研究設(shè)計(jì)規(guī)律和設(shè)計(jì)思維方法，以思維科學(xué)、設(shè)計(jì)理論和系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)，以方法論為手段，以計(jì)算機(jī)為工具的一個(gè)集成系統(tǒng)，其目的是運(yùn)用科學(xué)的思維來防止或最大可能地減少設(shè)計(jì)中的失誤，利用大量高質(zhì)量的專家知識(shí)和一種具有表達(dá)充分、便于推理和維護(hù)、易于理解的知識(shí)，來設(shè)計(jì)具有一個(gè)性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)模塊。就目前而言，包裝機(jī)械的概念設(shè)計(jì)主要側(cè)重于機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法學(xué)、設(shè)計(jì)模型與推理問題。

2.1.1 概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

自從Pahl&Beitz于1984年在其《Engineering Design》一書中提出概念設(shè)計(jì)這一名詞以來，人們已經(jīng)對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了多年的研究。將概念設(shè)計(jì)定義為：“在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設(shè)計(jì)工作叫作概念設(shè)計(jì)。”

Frence在其書中也為概念設(shè)計(jì)下了一個(gè)定義：“概念設(shè)計(jì)首先是要弄清設(shè)計(jì)要求和條件，然后生成框架式的廣泛意義上的解……它需要工程科學(xué)、專業(yè)知識(shí)、產(chǎn)品加工方法和商業(yè)運(yùn)作知識(shí)等各方面知識(shí)相互融合在一起，以做出一個(gè)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)最為重要的決策。在這里“框架式的解”是指設(shè)計(jì)問題的一個(gè)輪廓，每個(gè)主要的功能都可以對(duì)應(yīng)于其上，通過原理部件間的空間或結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，使它們有機(jī)地結(jié)合起來。從這個(gè)框架中得到產(chǎn)品大致的成本、重量或總體尺寸，以及在目前的環(huán)境下的可行性等……”

由此看來，包裝機(jī)械的概念設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單地等同于過去理解的方案設(shè)計(jì)，概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵是十分廣泛和深刻的，因此，要想全面了解包裝機(jī)械的概念設(shè)計(jì)，首先必須了解概念設(shè)計(jì)的本質(zhì)。

2.1.2 概念設(shè)計(jì)的本質(zhì)

概念設(shè)計(jì)的本質(zhì)主要有創(chuàng)新性、系統(tǒng)性、多樣性、層次性、智能性和人本性6方面。

2.1.2.1 創(chuàng)新性

創(chuàng)新是概念設(shè)計(jì)的靈魂，只有創(chuàng)新才有可能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、富有競(jìng)爭(zhēng)力的包裝機(jī)械產(chǎn)品。這里的創(chuàng)新可以是多層次的，如從結(jié)構(gòu)修改、結(jié)構(gòu)替換的低層次創(chuàng)新工作到工作原理更換、功能修改和增加等高層次的創(chuàng)新活動(dòng)都屬于概念設(shè)計(jì)的范疇。

在概念設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品各要素處于一種抽象、模糊的離散狀態(tài)，這種狀態(tài)既導(dǎo)致了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)也導(dǎo)致了產(chǎn)品的可塑性，給設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)廣闊的設(shè)計(jì)思維空間，而到設(shè)計(jì)后期或制造階段，則要考慮到各種客觀情形如產(chǎn)品的材料、工藝、成本等，從而大大約束了創(chuàng)意思維的發(fā)揮，使得產(chǎn)品的創(chuàng)新難以得到體現(xiàn)，因而概念設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品創(chuàng)新最為集中的一個(gè)階段。概念設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品創(chuàng)新歸結(jié)為功能修改與增加、原理置換、布局、形狀以及結(jié)構(gòu)修改與更換5個(gè)方面，其中功能創(chuàng)新是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品功能的各種可能方案并進(jìn)行優(yōu)選，其關(guān)鍵是如何進(jìn)行產(chǎn)品的功能分解，并將一定功能的零部件組合來創(chuàng)建新產(chǎn)品。

（1）功能創(chuàng)新。

功能創(chuàng)新主要依賴于市場(chǎng)需求的分析結(jié)果。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要靠人工來完成，隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)庫(kù)、信息管理、人工智能等技術(shù)的深入應(yīng)用，最終必將使計(jì)算機(jī)在輔助產(chǎn)品功能創(chuàng)新中發(fā)揮其巨大的作用。

（2）原理創(chuàng)新。

一般是從產(chǎn)品的功能要求出發(fā)，通過技術(shù)分析，尋求產(chǎn)品創(chuàng)新的過程。這種方法主要是把復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求通過功能關(guān)系的分析抽象為簡(jiǎn)單的模式，以便尋求能滿足設(shè)計(jì)對(duì)象主要功能關(guān)系的原理方案。傳統(tǒng)上，常用簡(jiǎn)圖或示意圖來表示所構(gòu)思的內(nèi)容。而計(jì)算機(jī)輔助的原理創(chuàng)新工具則有形態(tài)學(xué)、協(xié)同學(xué)的求解工具以及基于原型、事例等的聯(lián)想類比求解工具等。這些工具的實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴于網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)、協(xié)同化設(shè)計(jì)以及智能設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的進(jìn)展程度。

（3）布局創(chuàng)新。

布局創(chuàng)新主要是指首先對(duì)整個(gè)產(chǎn)品按功能進(jìn)行分解或組合，劃分成若干個(gè)組件單元，然后通過產(chǎn)品布局的空間排列、配置方式和尺度變化三要素的改變來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的過程。由于布局三要素可用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行形式化描述，因而完全可以通過在數(shù)學(xué)模型的支持下實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助的產(chǎn)品布局創(chuàng)新。

（4）形狀創(chuàng)新。

形狀創(chuàng)新主要是指對(duì)經(jīng)過原理方案實(shí)體化后的初始產(chǎn)品形狀，在遵循基本的形狀法則的基礎(chǔ)上，通過對(duì)形狀變換操作來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的過程。其中變換操作包括了變異、置換、替代、組合等。形狀創(chuàng)新的操作機(jī)制與傳統(tǒng)特征模型中的特征操作以及變量模型中的變量操作存在著一定的相似性。

（5）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

由于在詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，受到各種約束，因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新已難以體現(xiàn)。本處的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新主要是指概念設(shè)計(jì)后期對(duì)方案進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)化時(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新過程。這一過程是從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，對(duì)構(gòu)成產(chǎn)品的各個(gè)部件進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)化，以達(dá)到與后續(xù)設(shè)計(jì)的銜接，力求在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。

2.1.2.2 系統(tǒng)性

將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。

2.1.2.3 多樣性

概念設(shè)計(jì)的多樣性主要體現(xiàn)在其設(shè)計(jì)路徑和設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣化上。不同的功能定義、功能分解和工作原理等會(huì)產(chǎn)生完全不同的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，從而在功能載體的設(shè)計(jì)上產(chǎn)生完全不同的解決方案。

2.1.2.4 層次性

概念設(shè)計(jì)的層次性體現(xiàn)在兩方面。一方面，概念設(shè)計(jì)分別作用于功能層和載體結(jié)構(gòu)層，并完成由功能層向結(jié)構(gòu)層的映射。如功能定義、功能分解作用于功能層，而結(jié)構(gòu)修改、結(jié)構(gòu)變異則作用于結(jié)構(gòu)層，只有通過映射關(guān)系才能將兩層有機(jī)地連接起來。另一方面，在功能層和結(jié)構(gòu)層中也有自身的層次關(guān)系。例如功能分解就是將功能從一個(gè)層次向下一層次推進(jìn)。功能的層次性也就決定了結(jié)構(gòu)的層次性，不同層次的功能對(duì)應(yīng)不同層次的結(jié)構(gòu)。

2.1.2.5 智能性

概念設(shè)計(jì)的最高境界是實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)過程的智能性，它是概念設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能概念設(shè)計(jì)的目的是利用計(jì)算機(jī)全部或部分地替代設(shè)計(jì)人員從事設(shè)計(jì)的分析和綜合過程，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)過程。

2.1.2.6 人本性

“以人為本，為人所用”的理念作為本世紀(jì)包裝機(jī)械設(shè)計(jì)與選用人本論的核心。“以人為本，為人所用”的“人”分為兩個(gè)概念：設(shè)計(jì)師和使用者。

所以，包裝機(jī)械在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段需充分體現(xiàn)其概念設(shè)計(jì)的本質(zhì)，這樣提出的設(shè)計(jì)方案才有適時(shí)性與先進(jìn)性。為更好地表達(dá)概念設(shè)計(jì)過程，下面對(duì)包裝機(jī)械概念設(shè)計(jì)的前后環(huán)節(jié)進(jìn)行表述。