以绿色为原型的机械产品创新设计方法
以绿色为原型的机械产品创新设计方法
机械制造业的信息化和经济全球化使机械产品的全球市场竞争加剧，人们对产品设计的要求越来越高。如何尽快地推出性价比高的新产品，不断满足消费者个性化和多样化需求，已经成为企业吸引消费者，进而占有更大市场份额的关键要素。这就要求加快产品的开发速度，迅速提高产品的设计水平，实现产品的创新与绿色设计，从而满足用户的需求。全球性的环境和资源制约强有力地呼唤市场上有更多环保、资源节约、可持续发展的机械产品、产业涌现。
我国制造业的工业增加值已经进入世界前四位，成了制造大国，但远远不是制造强国。与发达国家的差距还很大，主要表现在产品的性能和品质上，但更为关键的是缺乏自主知识产权，缺乏自主创新产品。这就要求我们加快机械产品的现代设计理论与方法学研究，走可持续发展的道路。
1、机械产品现代设计理论与方法
现代机械产品通过增加传感器，已经具有某些感知能力，计算机的应用又使产品具有智能性。机械产品设计可以是应用新的原理或新的概念，开发制造出新的机器，也可以是在已有机器上的重新设计或改进。现代产品设计，设计者不仅只是考虑自然科学技术，还要求面向产品的全生命周期进行设计，将“产品一人一环境一社会”看成是设计中完整的一个系统。既要考虑产品本身，又要考虑产品对环境的影响；既要考虑技术层面，又要考虑经济社会层面；既要看当前发展，又要看长远发展。面向产品全生命周期的机械产品设计系统通常可分为6个阶段来实现：市场调查研究、产品设计目标、产品详细设计、使之与批量生产、产品销售与使用。
1.1 创新设计
就创新设计本身，是要求设计者充分发挥创造性思维，吸收最新科技成果，运用现代设计理论和方法，设计出更具竞争力的新颖产品。“Creative leap”概念认为：创新是经过一系列思维飞跃而最终获得的，每一次飞跃中都蕴藏着潜在的方法，而这些方法是可供借鉴和遵循的。机械产品创新设计类型可分为3种：原创设计、变异设计和反求设计。现代公司必须致力于开发新产品，必须学习如何有效的创新，从产品概念到投放市场，都必须融合新的“设计’“。从另外一方面上说，产品设计可以看成是一种以解决问题为直接目标的活动，需要一系列复杂而系统的努力，包括：提出设计概念，拓展设计概念，修改细节，评价合理的解决方案等。Ljungberg和Edwards认为产品开发可分为两个重要的领域：物理开发和思维开发。前者更多考虑物质性和运用传统方法，而后者更多专注于心理思维。
1.2 绿色设计创新设计理念
绿色设计指在产品整个周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、品质等。机械产品的绿色设计原则有：
1) 生态效益最好原则：绿色设计强调不论是在产品制造过程中，还是在产品使用过程中，都要求产品对周围环境“零污染”。这就要求在设计过程中尽量选择低污染的材料及零部件，避免选用有毒、有害和有辐射性的材料；设计能源消耗少的产品，减少对材料和资源的需求，保护地球的矿物资源。噪声也是一种环境污染，影响到人体健康。随着环保意识的增强，人们对环境要求越来越苛刻，低噪声设计日趋重要。从设计上就考虑产品的生态平衡性，应用绿色设计理念，是一种从源头上控制污染的有效策略。
2) 经济效益最好原则：设计的机械零件既要功能满足客户要求，又要成本低廉。考虑经济最佳性必须从设计和制造两个方面上入手。设计上保证合理的原理方案，选用正确的材料；制造上考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。
3) 安全可靠原则：安全可靠是机械产品品质的保证，必须确定零件在强度、刚度、耐磨性、稳定性及热平衡性上满足设计要求。对于重型机械，一般要求有自锁装置和保险装置，以确保操作员人身安全。
4) 人机工程学原则：绿色设计倡导“以人为本”，进行人性化设计，实现对人体的良好保护。通过研究组成人机系统的人和机器的相互关系，以提高整个系统的工作效率，并使“人一机器一环境”相互协调，以求达到人的能力与作业活动要求相适应，创造高效、舒适、安全的劳动条件。机器外观造型应比例协调、大方，给人以时代感和美感，色彩要和产品功能相适应。如医疗器械要用浅色，给人以卫生、安静感；冰箱、制冷器要用冷色，给人以清凉感。绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要考虑产品的整个生命周期，从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响，希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环。绿色设计综合考虑环境因素和资源利用率等。
2、基于绿色原型的创新设计
2．1 基于绿色原型的创新设计原理
传统的产品设计遵循“结构形式满足功能”的原则，在重视功能的条件下，设计者过分强调技术层面的满足，忽视面向环境设计对于产品全生命周期设计的重要性。此外，多数传统设计只考虑产品使用过程中所表现的特性，缺乏对制造过程中产品的绿色指标的考察，也不会考虑产品的使用报废与回收再利用。
人类在自然环境中生存，形成了最初的人一环境系统。随着人的不断进化，人的需求也日益扩大，在需求的发展膨胀过程中，人过分的依赖对资源的消耗，已经面临着社会发展与环境资源之间深刻的矛盾。据统计，造成全球环境污染的70％以上的排放物来自制造业，每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。由此，绿色设计理论的提出使此类问题的解决成为可能。这样，如果从产品、人、自然环境和社会整个系统去研究产品的设计、制造、使用和回收过程，以绿色原型为基础进行产品的创新设计，就为产品的设计提出了一种新型的设计原理——基于绿色原型的创新设计。
基于绿色原型的创新设计是面向产品整个生命周期进行设计，需要考虑产品的设计、制造、使用及回收等过程。设计人员在设计理论、设计技术支持平台和设计实施技术方法群的基础上，应用设计工具进行产品设计或创新，最终输出产品工程图、产品数据与技术说明等。
2．2 基于绿色原型的创新设计的实现
基于绿色原型的机械产品创新设计的具体实现过程其步骤如下：
1) 产品问题空间的提出。应用列举法，分析产品对自然资源的消耗和可能对周围环境、人产生的影响及造成的危害。分析产品环境属性就是在产品设计时着重考虑材料的选择、零部件的再使用、产品的拆卸及面向生命周期的评价等。材料的选择应注意如下要点：尽量减少使用稀有昂贵原材料及有毒、有害材料；寻找稀有昂贵材料的替代材料，多应用回收材料、废料及余料；减少所用材料的种类，采用相容性好的材料，以利于产品报废后的回收与处理；选用再生材料，形成一个有效使用资源的良性循环。采用系列化、模块化的设计能够有效地保证零部件的再使用。产品的拆卸应可能不损坏原有零部件的功能，并使拆卸过程方便。其是产品回收再利用的前提，已在汽车、机床和计算机等产品中得到广泛应用。面向生命周期的评价是分析产品对人和周围环境的影响，着重考虑环境污染和资源消耗方面。分析产品环境资源属性集中在控制能源消耗和无效排放，从而达到节约能源和保护环境的目的。
2) 寻找基于绿色的创新点。从用户期望出发，分析设计产品的技术功能属性，寻找新颖的创新点是基于绿色原型的创新设计的核心内容。寻找创新点需要设计者掌握很强的创造原理，充分发挥创新性思维，应用工程数据库和工程知识库等技术支持平台，完成产品创新概念设计。通过设计者的直观感觉和他人的启发，产生自由联想，能够寻找出新颖的设计方案。通过前一阶段产品环境资源属性的深入分析，将初始系统解构，以新的方式重组，在其中加入创造性资源，以此来获得有价值的创新点。
3) 建立设计方案形态学矩阵。在这一阶段，以建立形态学矩阵为基础，对创造对象进行因素分解，找出因素可能的全部形态，并进行方案综合，以得到方案的多种解。通过建立形态学矩阵，把创新变成一种系统搜索和程序化的思考过程，能够避免仅凭创新性思维而导致的容易丢掉或忽略某些很有价值的设计方案的出现，以实现系统的创新设计。
4) 分析、求解和组合方案。在分析、整理和求解方案中，根据绿色设计方法与理念，设计者预先制订出一套选优标准，将形态学矩阵中的所有方案进行组合，去除不符合要求的组合方案，最后得到满足要求的方案可能有多个。组合方案的目的是寻找其中可能的合理的设计方案，为设计者提供了评选最优方案的基础。
5) 形成产品最终设计方案。这里最终方案指的是进行一次设计所实现的“最终”，任何成熟产品的设计都是经过反复多次修改而完成，是一个不断改进、循环的设计过程，同时也是一个面向产品全寿命周期的设计过程。除分析产品使用过程中的影响外，产品生产过程中对周围环境和人的影响也是考虑的重点。此阶段需在产品制造工艺性的基础上，分析满足要求方案的产品的生产工艺性，应用绿色设计的评价指标体系作参考，由此筛选出符合要求的、合理的产品设计方案。
6) 分析产品的技术和功能属性，实现基于绿色原型的创新设计。绿色设计的核心是要实现“产品—人一环境一社会”的生态平衡，避免对环境的污染和资源的过多消耗。虽然在整个设计过程中，始终贯穿着绿色设计理念，并由此提出很多的可能设想和解决方案，但缺乏系统整体的考量，分析样品的各种技术和功能属性，得出产品设计的评价结论。
2.3 基于绿色原型的创新设计的特点
基于绿色原型的创新设计与传统设计方法的对比其特点如下：
1) 体现绿色设计理念。基于绿色原型的创新设计所依赖的设计实施技术方法群是建立在绿色设计的理论基础上，设计者充分利用创造原理，发挥创新性思维，以寻找产品设计的创新点。其重点表达产品在制造、使用和回收利用的过程中可能造成的对环境的污染及资源的过分消耗。
2) 面向产品全生命周期进行设计。传统设计方法局限于考虑产品在使用过程中具有的功能属性(使用功能)，设计者缺乏环境保护意识。在基于绿色原型的创新设计中，强度方案设计是基于产品全寿命周期，通过分析产品在设计、生产、使用和再利用整个过程可能造成的对人和周围环境的影响。
3) 强调创造原理与程序化思考。创造性活动的开展和完成，不仅依赖于创新性思维，更需要应用创造原理。当逻辑思维、直觉思维、抽象思维等创新思维不能满足产品设计要求时，通过建立设计方案形态学矩阵，进行系统的搜索，把创新变成程序化的思考过程，能够克服经验总结设计的不足，促使创造性成果的生成。
3、结论
基于绿色原型的创新设计方法，把绿色设计理念和创新智能充分利用到产品设计中，考虑产品的全生命周期，从而提出了以绿色为原型的创新设计原理，对于以往的经验型设计提供了新的理论思维工具，显示了基于绿色原型的创新设计方法在设计自动化理论和实践方面的重要作用。总之，绿色制造作为实现生态工业的关键技术，也是实现社会可持续发展的重要手段，正如绿色产品正在得到越来越多消费者的认同一样，作为其实施手段的绿色制造也正在日益被制造业所重视。绿色制造正在不断深入制造管理者的生活。然而，作为一相对较新的概念，它还存在着很多混淆和难以理解的地方。绿色制造研究的多目标性、跨学科性需要国际国内的合作，更需要政府、企业、科研院校及其多学科门类密切的合作，才能实现理论和技术上的突破。
参考文献：
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3）诸大建，中国循环经济与可持续发展，科学出版社，2007年
4）胡海浪，浅谈机械行业中的绿色制造，科技资讯，2007
3）丛小霞.机械创新设计【M】.北京：北京大学出版社，2008
