公理化設(shè)計(jì)理論

公理化設(shè)計(jì)理論公理化設(shè)計(jì)方法是指存在著能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程的基本公理，以及由公理指導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法。它是美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)NamPSuh教授于1990在《ThePrinciplesofDesign》一書(shū)中正式提出的。公理化設(shè)計(jì)理論是設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)準(zhǔn)則，通過(guò)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中做出正確的決策，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)或改善已有的設(shè)計(jì)提供良好的思維方法。一、公理化設(shè)計(jì)的四個(gè)“域”域是不同設(shè)計(jì)活動(dòng)的界限線。公理化設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)過(guò)程分為四個(gè)域，即用戶域(Customerdomain)、功能域(Functionaldomain)、結(jié)構(gòu)域(Physicaldomain)、工藝域(Processdomain)o域的結(jié)構(gòu)及域間的關(guān)系如圖1所示。相鄰的兩個(gè)域中，左邊的域是“要達(dá)到的什么目標(biāo)(what)”，而右邊的域是“選擇什么方法來(lái)實(shí)現(xiàn)左邊域的要求(how)”。四個(gè)域中的元素分別為：顧客需求項(xiàng)(customerneeds),表示顧客使用產(chǎn)品的目的；功能需求項(xiàng)(functionalrequirements),表示在功能層次上對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)的說(shuō)明；設(shè)計(jì)參數(shù)(designparameters),表示實(shí)現(xiàn)功能的載體；過(guò)程變量(processvariables)表示制造過(guò)程所涉及的主要因素。圖1域的結(jié)構(gòu)及域間關(guān)系在公理化設(shè)計(jì)中，功能域和結(jié)構(gòu)域之間是直接的“之”字映射關(guān)系，如圖2所示，即把某個(gè)功能與某個(gè)（些）結(jié)構(gòu)直接對(duì)應(yīng)起來(lái)，這種直接映射只是表明了“載體具有的功能”的關(guān)系，而沒(méi)有說(shuō)明“功能被載體實(shí)現(xiàn)”的原因。圖2功能域向結(jié)構(gòu)域映射原理二、公理化設(shè)計(jì)理論的基本公理公理化設(shè)計(jì)是一種結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)方法，其目的是通過(guò)建立評(píng)估潛在的設(shè)計(jì)活動(dòng)的準(zhǔn)則，并提供實(shí)現(xiàn)這些準(zhǔn)則的手段來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)行為。這些準(zhǔn)則便是：獨(dú)立性公理和信息最小公理。獨(dú)立性公理獨(dú)立性公理是指保持FRs的獨(dú)立性，同時(shí)指明了FRs與DPs之間應(yīng)有的關(guān)系。這就是說(shuō)，設(shè)計(jì)方案必須滿足每一個(gè)相互獨(dú)立的功能需求，而不影響其他的功能需求，即DPs不能與其他的FRs存在牽連關(guān)系。公理化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)域間的映射過(guò)程可以用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述，即在層次結(jié)構(gòu)的某一層上，設(shè)計(jì)目標(biāo)域與設(shè)計(jì)方案域中的特性矢量間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如功能域中的功能需求與物理域中的設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系可表示為T(mén)OC\o"1-5"\h\z{FR}二［A］{DP} (1)mxl mxn nxl式中，{FR}為功能需求向量；{DP}為設(shè)計(jì)參數(shù)量；［A］為產(chǎn)mx1 nx1 mxn品設(shè)計(jì)矩陣，式(1)稱為產(chǎn)品設(shè)計(jì)方程式。設(shè)計(jì)矩陣［A］可表示為[A]=AiiA21Ai2A22…Ain…A2n????(2AA…Anin2nn矩陣［A］的元素由下式確定‘ QFRA i-(3)ijdDPj若取功能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)相等(即i=j)，則根據(jù)［A］的不同形式,設(shè)計(jì)可分為三種類型：非耦合設(shè)計(jì)(UncoupledDesign)：當(dāng)A為對(duì)角陣；弱耦合設(shè)計(jì)(DecoupledDesign)：當(dāng)A為上三角陣或下三角陣；耦合設(shè)計(jì)(CoupledDesign):A既非三角陣也非對(duì)角陣。信息最小公理信息公理是指在滿足獨(dú)立性公理的條件下，信息量最小的設(shè)計(jì)是最優(yōu)設(shè)計(jì)。對(duì)于同一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，不同的設(shè)計(jì)者可能得出不同的設(shè)計(jì)方案，也很可能這些方案都滿足獨(dú)立公理，在評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)以具有最少信息含量的設(shè)計(jì)為最好設(shè)計(jì)。三、公理化設(shè)計(jì)過(guò)程公理化設(shè)計(jì)能有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過(guò)程如

圖3所示。符A,1冃戶 判晰準(zhǔn)則 /、、.、.」一藝設(shè)計(jì) 過(guò)棺闕圖3所示。符A,1冃戶 判晰準(zhǔn)則 /、、.、.」一藝設(shè)計(jì) 過(guò)棺闕">—~"、、產(chǎn)品設(shè)計(jì)功施城〔 <4^J^域不符合兩大公理嵌終產(chǎn)品設(shè)讓蔘散不符合圖3公理設(shè)計(jì)過(guò)程框架圖市煬調(diào)杳八、判斷準(zhǔn)則過(guò)和變吐四、公理化設(shè)計(jì)存在的不足1.在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，公理化設(shè)計(jì)只是引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行從功能域到結(jié)構(gòu)域的“之”字形映射，并提供對(duì)映射進(jìn)行評(píng)價(jià)的理論依據(jù)，而公理化設(shè)計(jì)原理并不能提供從功能域到結(jié)構(gòu)域具體的映射實(shí)現(xiàn)手2.公理化設(shè)計(jì)原理提倡進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)過(guò)程是一種以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的活動(dòng)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)利用以前的設(shè)計(jì)案例，而公理化設(shè)計(jì)并不能支持這種經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)行參考文獻(xiàn)羅時(shí)飛，宋慧軍，林志航.XML相關(guān)技術(shù)在基于公理化設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型中的研究.機(jī)床與液壓.2003.朱龍英，朱如鵬，劉正塤.公理化設(shè)計(jì)理論研究及其應(yīng)用進(jìn)展.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究.2004.王平.基于公理化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用研究.南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文.2006.鄒峰.公理化六西格瑪設(shè)計(jì)方法的研究.天津大學(xué)博士學(xué)位論文.2007.宋慧軍，林志航.公理化設(shè)計(jì)支持的概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào).2002.張廣軍，唐敦兵.基于改進(jìn)型功能方法樹(shù)的公理化設(shè)計(jì).工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào).2009.朱龍英，朱如鵬，劉正塤.基于公理化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需求分析研究.機(jī)床與液壓.2004.唐敦兵，錢(qián)曉明，王曉勇，樓佩煌.基于公理化設(shè)計(jì)矩陣與設(shè)計(jì)