一种基于功能冗余分析的产品功能组合设计方法与流程

本发明涉及产品设计领域，具体为一种基于功能冗余分析的产品功能组合设计方法。

背景技术：

当前功能单一的产品越发不能满足顾客的需求，而对产品功能进行组合，将多个产品的功能集成在一个单品上，则是解决该问题的一种行之有效的方法，通过整合现有产品的功能，创建出新的满足多功能需求的产品。

产品功能组合设计指将使用领域相同或不同，功能类似或各异的多种现有产品作为组合对象，通过解析其功能结构并根据它们之间的共用性，将其部分或全部的功能赋于一种新的结构，从而求解出多功能产品的设计方案。该设计方法能够解决顾客对多功能产品的需求，显著减少设计工作、提高设计效率、降低成本和开发风险等，使企业能够在短时间内开发出新的产品，满足顾客需求，占领市场获取利润，对于中小型企业来说，是一种行之有效的方法。

目前对产品功能组合设计方法的研究分为以下三类：第一类是基于产品可重构性的设计理论，通过对两个或多个单一功能的产品结构进行重构设计生成多功能产品方案，侧重于解决产品的可重构性问题，尽可能让母产品的元件能够重利用，未对母产品的功能进行选择性组合，且未研究产品功能载体的充分利用问题。第二类是利用模糊聚类法、TRIZ理论、公理化设计、功能分析系统技术法和矩阵法中的一种或多种结合作为设计辅助方法，用以解决功能组合设计中出现的功能矛盾问题，对于如何发现功能矛盾和处理结构相斥没有详细说明。第三类是采用多模式产品结构设计，建立多模式模块，利用模块中部分结构在不同模式下的结构共享，实现产品的多模式切换工作，未提及产品结构的构型设计，共享的结构同一时间只能在一种模式下起作用。

现有的方法还存在一些问题：（1）功能和载体的冗余去除，（2）功能扩展及载体分配，（3）功能载体的变型设计，（4）一套完整的系统化设计方法。

技术实现要素：

本发明要解决上述方法中的问题，在此提供了一种基于功能冗余分析的产品功能组合设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据给定的设计任务全面地阐明任务书，利用必须达到和期望两种程度方式提出产品的功能要求同时编写在要求表中；

步骤2：通过功能要求在现有的产品中寻找适合的作为功能组合对象的母产品；

步骤3：将母产品拆解为功能载体，并从功能载体抽象出详细的功能元；

步骤4：创建母产品功能结构；

步骤5：产品间功能冗余分析与处理；

步骤6：产品间载体冗余分析与处理；

步骤7：基于设计任务要求表中的期望要求和功能载体的充分利用，通过借用原有功能载体或增加少量新载体，对产品功能进行扩展；

步骤8：建立功能载体矩阵来进行功能和载体的配置，在功能载体矩阵FCM（Function Carrier Matrix）中：“1”表示该载体参与功能元的实现；“0”表示该载体与功能元的实现无关；

步骤9：进行概念模型求解，具体为：

步骤9.1：建立设计结构矩阵DSM（Design Structure Matrix），将载体作为产品设计结构矩阵DSM中的行列元素中，将两个行列元素对应的DSM模型单元格划分为四个子单元，每个子单元分别表示空间、能量、物料、信号之间的联系；

步骤9.2：分析设计结构矩阵DSM中的数据并求解模型：

1）功能载体的空间位置安排

通过DSM中的空间联系数据，可以分析得到所有载体之间存在的位置关系，从而形成新产品初步的概念模型；

2）载体之间的连接

通过DSM中能量、物料和信号联系的数据，可以分析得到载体之间的连接，以满足矩阵中的联系，同时还能得到相应的工艺要求；

通过反复的检验功能载体的空间位置安排和载体之间的连接，将新产品初步的概念模型不断地优化改进，直到生成最终满意的概念模型。

进一步的，步骤3中，功能元采用“动词+名词”的表达方式，动词和名词则使用功能基中标准词汇。

进一步的，步骤4具体为：

步骤4.1：建立功能白箱，用实线表示能量流，用虚线表示物料流，用点画线表示信号流；

步骤4.2：基于能量、物料、信号三大主流对母产品进行功能分解，同时将主流具体化细分，并归纳出对流进行操作的功能元，得到功能分解树，其优势在于生成的功能树能够表现出功能与流的对应关系；

步骤4.3：从功能树出发，考虑从输入到输出中功能对流的各种操作，按照流的流动顺序和功能之间的逻辑关系来排列功能元，建立功能链；

步骤4.4：将多个功能链中相同的功能元和流合在一起生成功能结构；

进一步的，步骤5具体为：

步骤5.1：建立产品之间的功能冗余矩阵FRM（Functional Redundancy Matrix），计算功能元之间冗余度，用FR代表，其大小用（0~1）定量标识，FR=1表示完全冗余状态，FR=0表示无冗余状态，FR=0~1表示部分冗余状态。

步骤5.2：不同母产品功能元之间的冗余度值情况分析及处理方法：

1）当FR=1时，产品功能元完全冗余；处理方法：删除冗余功能元，多个相同的功能元只需留下一个。

2）当FR=0时，产品功能元无冗余；处理方法：功能元均保留，无需其他操作。

3）当0<FR<1时，产品功能元部分冗余；处理方法：考虑将几个处于部分冗余状态的功能元组合成一个新功能元，既满足功能要求又减少功能元的数目，同时相应的载体也将发生改变，若功能元不能组合则按照2）中的方法处理。

进一步的，步骤6具体为：

步骤6.1：建立载体冗余矩阵CRM(Carrier Redundancy Matrix)，载体之间的冗余度用CR代表，其大小用（-1、0、1）定量表示，CR=1表示完全冗余状态，CR=0表示无关状态，CR=-1表示相斥状态；

步骤6.2：不同母产品功能载体之间的冗余度值情况分析及处理方法：

1）当CR=1时，产品功能载体完全冗余；处理方法：删除冗余载体，多个相同的功能载体只需留下一个。

2）当CR=0时，产品功能载体无冗余；处理方法：保留载体，无需其他操作。

3）当CR=-1时，产品功能载体相斥；处理方法：出现载体不同，承载的功能元相同的情况时，依据功能冗余处理法中的删除相同的功能元，同时相应载体也随之删除；出现载体相同，承载的功能元不同的情况时，对载体进行变型，设法将多个功能元整合到一个载体中去，实现载体的充分利用。

通常情况下，载体之间的关系伴随着以上几种情况的联合发生，需要综合进行处理。

步骤6.3：载体变型方法：1）尺寸比例变型法；2）位置移动变型法；3）形态外观变型法；4）载体组合变型法。

通过采用上述设计方案,本发明具有以下优点:1.解析各功能载体（已知母产品），从产品结构抽象出用功能基模型表达的功能元；2.基于能量流、物料流和信号流创建母产品的功能结构；3.构建产品功能冗余矩阵和载体冗余矩阵，去除冗余的功能元和原理结构载体，并对功能进行扩展；4.构建功能载体矩阵，寻求功能相应的原理结构载体；5.建立设计结构矩阵，分析原理结构载体之间的耦合关系，通过重用、变型、去除、增加等运算，获得概念设计方案。

附图说明

图1是母产品解析过程图；

图2是基于三种流的功能分解树图；

图3是功能冗余矩阵FRM图；

图4是载体冗余矩阵CRM图；

图5是功能载体矩阵FCM图；

图6是设计结构矩阵DSM图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的基于功能冗余分析的产品功能组合设计方法，包括如下步骤：

步骤1：根据给定的设计任务全面地阐明任务书，利用必须达到和期望两种程度方式提出产品的功能要求同时编写在要求表中，如表1所示。

表1 产品功能要求表

步骤2：通过功能要求在现有的产品中寻找适合的作为功能组合对象的母产品。

步骤3：将母产品拆解为功能载体，并从功能载体抽象出详细的功能元，功能元采用“动词+名词”的表达方式，动词和名词则使用功能基中标准词汇。

如图1所示母产品从产品层经载体层到功能层的解析过程。

定义1 功能载体：实现产品功能或子功能的物理结构。

步骤4：创建母产品功能结构，具体为：

步骤4.1：建立功能白箱，用实线表示能量流，用虚线表示物料流，用点画线表示信号流。

步骤4.2：基于能量、物料、信号三种流对母产品进行功能分解，同时将主流具体化细分，并归纳出对流进行操作的功能元，得到功能分解树，如图2所示。

步骤4.3：从功能树出发，考虑从输入到输出中功能对流的各种操作，按照流的流动顺序和功能之间的逻辑关系来排列功能元，建立功能链。

步骤4.4：将多个功能链中相同的功能元和流合在一起生成功能结构。

步骤5：母产品间冗余分析与处理，具体为：

步骤5.1：建立母产品间的功能冗余矩阵FRM（Functional Redundancy Matrix），计算行列元素之间冗余度，用FR代表，其大小用（0~1）定量标识，FR=1表示完全冗余状态，FR=0表示无冗余状态，FR=0~1表示部分冗余状态，如图3所示。

从功能元描述D、功能元上的输入流I、功能元上的输出流O和功能元相应的功能载体C四个方面进行功能元之间的冗余度计算，

计算公式：，

是四个方面相应的权重，。

定义2 功能冗余矩阵：不同母产品的功能元作为矩阵的行元素和列元素，用矩阵中的单元格来表示对应的行列元素之间的联系，通过分析行列元素的交互作用，发现不同母产品功能元之间存在的冗余。

步骤5.2：不同母产品功能元之间的冗余度值情况分析及处理方法：

1）当FR=1时，产品功能元完全冗余；处理方法：删除冗余功能元，多个相同的功能元只需留下一个。

2）当FR=0时，产品功能元无冗余；处理方法：功能元均保留，无需其他操作。

3）当0<FR<1时，产品功能元部分冗余；处理方法：设法将几个处于部分冗余状态的功能元组合成一个新功能元，既满足功能要求又减少功能元的数目，同时相应的载体也将发生改变，若功能元无法组合则按照2）中的方法处理。

步骤6：进行载体冗余分析与处理，具体为：

步骤6.1：建立载体冗余矩阵CRM(Carrier Redundancy Matrix)，载体之间的冗余度用CR代表，其大小用（-1、0、1）定量表示，CR=1表示完全冗余状态，CR=0表示无关状态，CR=-1表示相斥状态，如图4所示。

母产品间的功能载体关系具有以下四种情况：

1）载体相同，承载的功能元相同，在矩阵中的对应位置填“1”；

2）载体相同，承载的功能元不同，在矩阵中的对应位置填“-1”；

3）载体不同，承载的功能元相同，在矩阵中的对应位置填“-1”；

4）载体不同，承载的功能元不同，在矩阵中的对应位置填“0”。

定义3 载体冗余矩阵：以不同母产品的功能载体作为矩阵的行元素和列元素，用矩阵中的单元格来表示对应的行列元素之间的联系，通过分析行列元素的交互作用，发现不同母产品载体之间存在的冗。

步骤6.2：不同母产品功能载体之间的冗余度值情况分析及处理方法：

1）当CR=1时，产品功能载体完全冗余；处理方法：删除冗余载体，多个相同的功能载体只需留下一个。

2）当CR=0时，产品功能载体无冗余；处理方法：保留载体，无需其他操作。

3）当CR=-1时，产品功能载体相斥；处理方法：出现载体不同，承载的功能元相同的情况时，依据功能冗余处理法中的删除相同的功能元，同时相应载体也随之删除；出现载体相同，承载的功能元不同的情况时，对载体进行变型，将多个功能元整合在一个载体中去，实现载体的充分利用。

通常情况下，载体之间的关系伴随着以上几种情况的联合发生，需要综合分析处理。

步骤6.3：载体变型方法：

1）尺寸比例变型法

通过对载体的尺寸比例进行放大或者缩小，获得相应合适的结构，从而满足设计要求。

2）位置移动变型法

通过对载体位置进行变动，重新对空间进行规划分配，以消除与其他载体在空间上的相斥，从而满足设计要求。

3）形态外观变型法

在保证功能不变的情况之下，载体的形态可以进行不同的变化，例如不同形状的灯泡，通过形态外观变型法载体可以满足在某些特殊情况的要求。

4）载体组合变型法

采用载体组合变型法，将多个载体有机地组合在一起，由此可以减少功能载体的总数，简化载体的加工和装配工艺。

在工程设计中，有关载体的变型常常是伴随着几种变型方法的组合。

步骤7：基于设计任务要求表中的期望要求和功能载体的充分利用，通过借用原有功能载体或增加少量新载体，对产品功能进行扩展，力求在满足部分期望要求的基础上，尽可能的减少新载体的数量以及降低产品成本，从而实现增加较少的成本，但是功能却大大增加的目的。

步骤8：建立功能载体矩阵来进行功能和载体的配置，在功能载体矩阵FCM（Function Carrier Matrix）中：“1”表示该载体参与功能元的实现；“0”表示该载体与功能元的实现无关，如图5所示。

定义4 功能载体矩阵：以组合设计需要的功能元和载体分别作为矩阵的列元素和行元素，用矩阵中的单元格来表示对应的行列元素之间的联系，通过行列元素之间的交互，分析得到功能元需要的载体，完成功能和载体配置。

步骤9：进行概念模型求解，具体为：

步骤9.1：建立设计结构矩阵DSM（Design Structure Matrix），将功能载体矩阵中的载体作为产品设计结构矩阵DSM中的行列元素中，将两个行列元素对应的DSM模型单元格划分为四个子单元，每个子单元分别表示空间、能量、物料、信号之间的联系。在每个子单元内用（0和1）来描述载体之间联系，用“1”表示存在联系，用“0”表示无联系，若行列元素之间在四类上都没有联系的无需表示，对角线上的单元没有意义，用灰色表示，如图6所示。

定义5 建立设计结构矩阵：由排列顺序相同的行列元素组成的一个方阵，用矩阵的非对角线单元格来表示对应的行列元素之间的联系。

步骤9.2：分析设计结构矩阵DSM中的数据并求解模型：

1）功能载体的空间位置安排

通过DSM中的空间联系数据，可以分析得到所有载体之间存在的位置关系，从而形成新产品初步的概念模型。

2）载体之间的连接

通过DSM中能量、物料和信号联系的数据，可以分析得到载体之间依靠什么连接，如何连接才能满足矩阵中的联系，同时还能得到相应的工艺要求。

通过反复的检验功能载体的空间位置安排和载体之间的连接，将新产品初步的概念模型不断地优化改进，直到生成最终满意的概念模型。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体形式，本发明的保护范围也仅仅于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。