吳瑛戟

（上海制筆技術(shù)服務(wù)有限公司 上海 201612）

引言

我們在設(shè)計一款中性筆的時候，首先會確定好主要的性能參數(shù)，然后進行其他部分的設(shè)計工作，并且按照每個工程師的經(jīng)驗，會分步驟和分部件地設(shè)計，融合以往的設(shè)計標準，直至完成新的設(shè)計。對于新的設(shè)計師來說，如何進行設(shè)計比較迷茫，不知從何入手。有經(jīng)驗的工程師往往比剛從事這項工作的設(shè)計人員更有條理、更有效率。文章以公理化設(shè)計的相關(guān)原理為研究的出發(fā)點，結(jié)合中性筆產(chǎn)品特點，通過對國內(nèi)外公理化設(shè)計方法的發(fā)展歷程、理論研究和實際案例的比較分析和思考，以期提出有待解決的中性筆設(shè)計方法的相關(guān)問題，總結(jié)出中性筆公理化設(shè)計的方法與步驟，來提高中性筆設(shè)計的效率和成功率。

1.中性筆的起源和產(chǎn)品介紹

利用球珠滾動帶出書寫介質(zhì)（墨水或油墨）的筆統(tǒng)稱為圓珠筆。中性筆是目前國際上流行的一種新穎書寫工具，中性筆是屬于圓珠筆一類的書寫工具。其書寫介質(zhì)的黏度介于水性（黏度小于10mPa.s）和油性（黏度介于10000-20000mPa.s）之間[1]，所謂“中性”之意也由此而得名。

中性筆起源于日本，日本的SAKURA 株式會社于1984年研制成功稱為“Ballsign”的產(chǎn)品并推向市場，1988年，另一家日本公司 Pentel 株式會社開發(fā)的被稱為“Hybrid”的產(chǎn)品上市，中性筆由此而宣告誕生[1][2]。

中性筆與傳統(tǒng)圓珠筆的最大不同在于圓珠筆筆芯內(nèi)灌注的是油性墨水，而中性筆灌注的是水性凝膠狀墨水。按日本工業(yè)標準 JIS S 6061：2005《啫哩墨水圓珠筆和筆芯》中的相關(guān)定義，啫哩墨水（中性墨水）為通過書寫時球珠轉(zhuǎn)動使墨水的黏度變低，非書寫之靜止狀態(tài)時墨水黏度變高的墨水，這正是中性墨水典型的流變特征，即墨水狀態(tài)書寫前、中、后的變化為凝膠→溶膠→凝膠[3]。中性墨水采用顏料為主要著色劑，與傳統(tǒng)的染料型墨水相比，具有優(yōu)異的耐光、耐水與耐溫性能和耐化學(xué)性能（耐酸、堿、強氧化劑、漂白劑等），同時還具有墨水流量均勻，脫帽時間長等特點，可做永久保存。因此中性筆是理想的辦公學(xué)習(xí)用品，除用于普通的書寫外，還適用于重要文檔長久保存。

2.中性筆市場和開發(fā)狀況

隨著我國制筆工業(yè)的發(fā)展與壯大，我國制筆工業(yè)展現(xiàn)出了大、高、新、全、優(yōu)（制筆行業(yè)規(guī)模大，生產(chǎn)技術(shù)水平達到新高，行業(yè)面貌煥然一新，筆類產(chǎn)品以及花色品種齊全，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，綜合合格率98%以上）的態(tài)勢，引領(lǐng)國際制筆產(chǎn)業(yè)新潮流，在國際市場上具有很強的競爭力。中國已經(jīng)成為世界公認的制筆生產(chǎn)大國和出口大國。自來水筆、圓珠筆、木桿鉛筆和活動鉛筆產(chǎn)量均居世界第一位，令世界同行刮目相看[4]。

但從整個制筆行業(yè)的狀況來看，還是比較缺乏新產(chǎn)品研發(fā)和工藝技術(shù)的創(chuàng)新能力。主要表現(xiàn)在：一是產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)還主要是模仿國外知名品牌；二是缺乏自有的產(chǎn)品制造核心技術(shù)，主要原材料和關(guān)鍵零部件還嚴重依賴進口；三是研發(fā)投入缺乏。所以國內(nèi)制筆行業(yè)的競爭主要是拼價格、拼產(chǎn)量的低水平競爭。但從制筆行業(yè)的發(fā)展來看，還是形成了較有影響力的國內(nèi)圓珠筆品牌，如晨光、真彩、愛好、白雪、金萬年等。這些品牌的競爭主要依靠其新穎的外觀、高質(zhì)量的書寫品質(zhì)來占據(jù)市場。這些品牌每家都有優(yōu)勢的產(chǎn)品，如晨光的K35 撳動中性筆、真彩的009 中性筆、金萬年的歐標中性筆等，這些新成長起來的文具品牌主要以生產(chǎn)中性筆為主，中性筆已成為各大書寫文具品牌競爭的主要戰(zhàn)場。目前國內(nèi)市場上中性筆占到圓珠筆類產(chǎn)品的70%左右，而圓珠筆類產(chǎn)品占到整個書寫工具的比例為36%左右，僅次于木桿鉛筆的38%。

目前市場上生產(chǎn)圓珠筆類的主要廠商，都以中性筆作為開發(fā)和競爭的重點。同時每年在中性筆開發(fā)上的投入也不斷增加，據(jù)筆者的統(tǒng)計，晨光等領(lǐng)先企業(yè)每年上市的新款中性筆在200～300 款之間，這其中全新設(shè)計的款式大概有1/4（為全新模具），其余的為重新配色和換印刷的產(chǎn)品。因為市場上使用中性筆的主流是大中小學(xué)生，對中性筆的款式要求不斷更新，所以各大廠家集中開發(fā)新的品種投放市場來留住老用戶和吸引新用戶。特別值得一提的是，中性筆經(jīng)過20多年的發(fā)展，各大廠家的筆芯規(guī)格已趨于標準化，開發(fā)新產(chǎn)品過程中主要是開發(fā)新的外形和結(jié)構(gòu)，筆芯大多還是保留原有的規(guī)格，這樣的開發(fā)模式已成為中性筆開發(fā)中的主要形式。所以如何加快開發(fā)筆款的速度、增加筆款的種類、降低開發(fā)過程的成本成為各大廠商重點研究的內(nèi)容。

3.研究中性筆設(shè)計的實際意義

作為一個生產(chǎn)型企業(yè)，質(zhì)量（Quality）、成本（Cost）是最重要的管理項目?，F(xiàn)代企業(yè)面對瞬息萬變的市場環(huán)境，既要求生存，更要求長期成長和發(fā)展，如何去提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)成本已成為企業(yè)一切活動的中心。通過探討在中性筆設(shè)計中運用公理化設(shè)計理論，可對企業(yè)起以下幾個方面的作用：

3.1 有效縮短產(chǎn)品設(shè)計和制造周期

一個中性筆新款式（不包括筆芯的研發(fā)）從造型設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計、樣品制作、模具開發(fā)、配色、小試、中試直到量產(chǎn)，整個過程大約要進行6～8 個月的時間。這樣的開發(fā)周期，同現(xiàn)階段的市場要求并不匹配。通過設(shè)計方法的研究，可以總結(jié)中性筆設(shè)計的規(guī)律，減少設(shè)計錯誤和設(shè)計更改，最大限度地利用以往成功的設(shè)計成果，來有效地縮短產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期。達到和提升快速適應(yīng)市場的能力。

3.2 有效提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量

設(shè)計階段的質(zhì)量對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響是最大的，產(chǎn)品設(shè)計造成的巨大浪費是無形的，它并不直接表露出來，而是隱含在圖紙中，從而不易被人們察覺和重視。通過中性筆產(chǎn)品設(shè)計方法的研究和應(yīng)用，特別是公理化等先進設(shè)計方法的應(yīng)用研究，可以最大限度地借鑒成功的設(shè)計，從而提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性，使產(chǎn)品設(shè)計具有強健性。

3.3 有利于降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本

對于制筆這樣的傳統(tǒng)行業(yè)，隨著經(jīng)濟的全球化，競爭日益加劇。消費者對產(chǎn)品的需求不僅質(zhì)量要求越來越高，而且對產(chǎn)品的式樣、顏色、功能的要求也明顯地趨于多樣化、個性化。每個大公司對產(chǎn)品的開發(fā)投入逐年加大，但由于存在諸多的矛盾，開發(fā)新品產(chǎn)生的效益并不理想，產(chǎn)品的利潤也越來越低，普通中性筆每支筆的利潤以分和厘計算，取得的市場效果并不盡人意。各大公司正在尋求新的產(chǎn)品開發(fā)模式和生產(chǎn)模式。合理的產(chǎn)品設(shè)計不僅可以最大限度地減少產(chǎn)品零件數(shù)量，減少模具開發(fā)的數(shù)量和成本，降低生產(chǎn)管理的復(fù)雜性，從而降低產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本。

4.公理化設(shè)計理論的發(fā)展和應(yīng)用

4.1 公理化設(shè)計簡介

由于設(shè)計通常是與智力活動和創(chuàng)造聯(lián)系在一起，以及它的復(fù)雜性和不確定性，人們往往認為它是依靠人的直覺、天賦和經(jīng)驗。但是設(shè)計必須發(fā)展它的科學(xué)基礎(chǔ)，這就是設(shè)計理論。在設(shè)計學(xué)中存在若干如力學(xué)中的牛頓定律一樣的公理，它們控制著設(shè)計活動的諸多方面。遵循這些公理和由之而產(chǎn)生的定理與推理，在設(shè)計中就可以理性地分析并導(dǎo)向正確的結(jié)果而不必通過失敗后反復(fù)修正或在設(shè)計中留下不可挽回的后遺癥。較之已有理論僅僅停留在物理的和技術(shù)的層面，公理化設(shè)計觸及設(shè)計活動更深層次的規(guī)律，即功能域和信息含量，從而可以控制更大范圍的設(shè)計過程[5]。

從上個世紀70年代開始，以美國麻省理工學(xué)院Nam Pyo Suh 教授為首的研究小組，經(jīng)過多年的研究與實踐，總結(jié)、歸納出一系列設(shè)計的基本公理和原則，并于1990年出版了《The principles of Design》[6]一書，正式提出公理化設(shè)計（Axiomatic Design，AD）的概念。Nam Pyo Suh 教授提出的公理化理論的基本思想，是將傳統(tǒng)的以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的設(shè)計活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥茖W(xué)公理、法則為基礎(chǔ)的設(shè)計公理體系的設(shè)計活動，其目的是為設(shè)計過程提供一種科學(xué)的思維方法，對設(shè)計行為起著由始至終的指導(dǎo)作用。公理化設(shè)計旨在為設(shè)計建立一個科學(xué)依據(jù)，為設(shè)計師提供一個基于邏輯和理性思維過程及工具的設(shè)計理論，改進設(shè)計師傳統(tǒng)的感性思維習(xí)慣和行為習(xí)慣。通過為設(shè)計領(lǐng)域創(chuàng)造一個科學(xué)的基礎(chǔ)，使人類設(shè)計師更有創(chuàng)造性，使迭代試錯過程減少，使迭代試錯過程最短，在提交的諸多設(shè)計中，確定最佳設(shè)計方案[7]。

4.2 公理化設(shè)計基本概念

域是公理化設(shè)計的基本概念，根據(jù)不同的設(shè)計活動，可分為四種不同類型的域。

用戶域：用戶需求的集合。

功能域：滿足用戶需求的一系列的功能需求的集合。

物理域：滿足功能需求的產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)的集合，設(shè)計參數(shù)是物理域中的關(guān)鍵物理變量，它們表征設(shè)計并滿足規(guī)定的功能需求。

過程域：滿足結(jié)構(gòu)需求的結(jié)構(gòu)生成過程的集合，過程變量是過程域中的關(guān)鍵變量，它們表征能夠產(chǎn)生規(guī)定的設(shè)計參數(shù)的過程[5][6]。

圖1 公理化設(shè)計中的域

整個設(shè)計過程實際就是四個域之間的映射過程（見圖1）。相鄰兩域之間通過“之”字映射完成產(chǎn)品設(shè)計，如圖2所示。“之”字映射可分為映射和分解兩個過程。例如從功能域到物理域的“之”字映射首先使高層的功能需求FR 映射到物理域的DP，在DP 的指導(dǎo)下FR 分解為FR1和FR2，F(xiàn)R1與FR2在物理域中尋求滿足它們需求的DP1和DP2，以此類推，直到獲得滿足需求的結(jié)果。

圖2 “之”字映射模型

公理化設(shè)計提出了兩個重要的設(shè)計公理：

1）獨立性公理：保持功能要求的獨立性。

2）信息公理：使設(shè)計的信息量最少。

獨立性公理說明功能需求（FRs）必須保持獨立，此處的功能需求被定義為設(shè)計所必須滿足的獨立需求的最小集合。一組功能需求是設(shè)計目的的描述。獨立性公理要求，當有兩個或更多功能需求時，設(shè)計結(jié)果必須是能夠滿足功能需求中的每一個而不影響到其他的功能需求。

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，獨立性公理要求設(shè)計參數(shù)在滿足功能需求的同時必須保證其他功能需求的獨立性[5]，即獨立性公理體現(xiàn)功能域中的功能需求與物理域中設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系。Suh 教授給出了功能域中功能需求向量{FRs}和物理域中設(shè)計參數(shù)向量{DPs}之間的映射關(guān)系，如式（1）所示。

對式（1）描述的產(chǎn)品設(shè)計方程說明：{FR}m×1表示功能域中的功能需求向量；{DP}n×1表示為結(jié)構(gòu)域中的設(shè)計參數(shù)向量；[A]m×n稱為公理化設(shè)計矩陣（DM），它表征產(chǎn)品設(shè)計。對有三個FRs 和 DPs 的產(chǎn)品設(shè)計情況，其設(shè)計方程可表示為式（2）所示。

式（2）的方程組形式可表示為式（3）；FRi的一般表示形式為：

對于一個線性設(shè)計來說，Aij為常數(shù)；對于非線性設(shè)計來說，Aij是 DPs的函數(shù)。為了滿足獨立性公理的要求，設(shè)計矩陣必須滿足特定的形式。從數(shù)學(xué)角度看，設(shè)計矩陣有三種：對角矩陣、三角矩陣和滿矩陣。對于一個線性設(shè)計來說，按照設(shè)計矩陣不同形式，Suh教授將設(shè)計分為三種類型：非耦合設(shè)計、準耦合設(shè)計和耦合設(shè)計，即當設(shè)計矩陣是對角矩陣（圖3（a））時，每一個功能需求可以用一個設(shè)計參數(shù)來滿足，該設(shè)計為無耦合設(shè)計；當設(shè)計矩陣為三角矩陣（圖3（b））時，設(shè)計參數(shù)必須按照一定的序列來確定才能保證功能需求的獨立性，該設(shè)計為準耦合設(shè)計；如果設(shè)計矩陣為一般陣（圖3（c）），設(shè)計為耦合設(shè)計，耦合設(shè)計不滿足獨立性公理，通常也不能保證設(shè)計系統(tǒng)符合規(guī)定要求，這不是理想設(shè)計。

圖3 設(shè)計矩陣的類型

信息公理說明，在那些滿足獨立性公理的設(shè)計中，具有最小信息量的設(shè)計就是最好的設(shè)計。因為信息含量是由概率確定的，所以第二公理同時也說明了具有最高成功概率的設(shè)計是最佳設(shè)計。一個給定功能需求FRi 的信息含量Ii是由滿足功能需求FRi的概率Pi定義的。

公理化設(shè)計除以上 2 個公理外，還有推理 8 個和定理 40 個。公理化設(shè)計的兩個設(shè)計公理可以在設(shè)計過程中幫助設(shè)計者判斷設(shè)計的合理性。公理化設(shè)計的應(yīng)用會提高創(chuàng)造力，它要求通過建立功能需求和約束來清楚地形成設(shè)計目標。它提供好和壞的設(shè)計的判別準則，幫助盡可能地消滅壞的想法。使設(shè)計師集中精力于有指望的設(shè)計，同時公理化設(shè)計形成分解過程，使得從概念到設(shè)計形成一個系統(tǒng)的流程[7]。

4.3 國內(nèi)外公理化設(shè)計研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

自公理化設(shè)計理論提出以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者在該領(lǐng)域進行了一系列的研究，在理論及應(yīng)用方面得到了長足的發(fā)展。迄今，國內(nèi)外學(xué)者圍繞公理化設(shè)計理論開展了許多研究，并取得了一些成果。

在國外，1995年，Nam Pyo Suh 對機械設(shè)計系統(tǒng)和大型制造系統(tǒng)的公理化設(shè)計及實現(xiàn)技術(shù)進行了系統(tǒng)地論述[8][9]；2001年，Nam Pyo Suh 出版了專著《Axiomatic Design:Advances and Application》，系統(tǒng)地論述了公理化設(shè)計基本理論及在系統(tǒng)設(shè)計、軟件設(shè)計、制造系統(tǒng)設(shè)計、材料及其加工工藝設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計等的應(yīng)用[5]；Vigain H 等研究了基于公理化設(shè)計理論的產(chǎn)品設(shè)計決策支持系統(tǒng)，并給出了用于開發(fā)輔助公理化設(shè)計軟件的方法[10]；Byungkeun M 等將公理化設(shè)計方法應(yīng)用于技術(shù)傳遞系統(tǒng)設(shè)計中，詳細描述了系統(tǒng)設(shè)計方法[11]；Guenov M D 等將信息公理和設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣相結(jié)合，建立了復(fù)雜產(chǎn)品的分解模型，該矩陣能識別系統(tǒng)設(shè)計中潛在的設(shè)計沖突，使系統(tǒng)構(gòu)架能判別各種被選方案的相容性[12]；Gabrele Arcidiacono 等以FIAT 汽車車門為對象，研究了公理化設(shè)計方法在產(chǎn)品可靠性設(shè)計中的應(yīng)用[13]等等。

在國內(nèi)，近些年來許多學(xué)者圍繞公理化設(shè)計理論及應(yīng)用也做了不少研究。陳曉川等運用公理化設(shè)計理論對優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、魯棒設(shè)計和DFX 方法進行了集成研究，提出利用公理化設(shè)計所提供的框架集成設(shè)計方法[14]；朱龍英等在公理化設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，建立了產(chǎn)品功能-結(jié)構(gòu)層次模型和面向裝配設(shè)計的產(chǎn)品信息模型[15]；王平等著重研究了公理化設(shè)計中信息公理及信息計算方法，建立了信息計算模型[16]；王冬生等應(yīng)用公理化設(shè)計理論，給出了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的功能需求與設(shè)計參數(shù)間的映射與分解過程[17]；朱春燕等提出了基于公理化設(shè)計的產(chǎn)品模塊劃分方法，強調(diào)了對模塊功能獨立性的判斷[18]；王琦等分析了公理化和模塊化理論的原則、特征、作用及優(yōu)點，得出二者結(jié)合指導(dǎo)下的設(shè)計流程，應(yīng)用到服裝面料實樣庫自動尋樣系統(tǒng)設(shè)計中[19]；韓軍等基于公理化設(shè)計理論對無人式微耕機造型進行創(chuàng)新設(shè)計和功能模塊分區(qū)，通過信息公理對設(shè)計信息量進行篩選，簡化設(shè)計內(nèi)容，得到改進設(shè)計方案[20]；馬麗娜等將經(jīng)驗性、概括性車架設(shè)計知識運用數(shù)學(xué)語言進行了描述，形成了一套完整的玉米收獲機車架設(shè)計流程，為車架設(shè)計提供理論依據(jù)和方法支撐[21]等等。

盡管國內(nèi)外學(xué)者在公理化設(shè)計理論及應(yīng)用方面進行了大量的研究，但作為一種提出才二十多年的新型設(shè)計方法，人們對其理論及應(yīng)用研究不可能一步到位。目前，國內(nèi)外對公理化理論及應(yīng)用在不少方面尚處于初步探索階段。

5.中性筆產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

5.1 中性筆結(jié)構(gòu)分析

5.1.1 中性筆的結(jié)構(gòu)分類和主要零部件

中性筆適用的結(jié)構(gòu)類型為插套式和撳動式。插套式是中性筆最常見的結(jié)構(gòu)型式；另一種常見的中性筆結(jié)構(gòu)型式為撳動式。

插套式按筆芯的固定方式可分為前定位插套式和后定位插套式。分別如圖4、圖5所示。前定位指的是，筆芯的固定在筆芯的前端（有筆頭的那一端），一般是由尖套內(nèi)孔的筋將筆芯的連接件（連接件最大外徑處）壓在筆桿前端螺紋的端面上。后定位指的是，筆芯的固定在筆芯的后端（沒有筆頭的那一端），一般是由筆桿或尾塞內(nèi)孔的筋（或內(nèi)孔的多角形）與油管外徑過盈配合，夾住油管從而將筆芯固定。

圖4 筆芯前定位插套式中性筆典型結(jié)構(gòu)及零件

圖5 筆芯后定位插套式中性筆典型結(jié)構(gòu)及零件

同油墨圓珠筆相比，中性筆要求出墨量大，筆頭間隙大，而且中性筆墨水為水性墨水，一般較油墨（油性墨水）的耐干性要差。在常溫狀況下，兩種圓珠筆的脫帽時間比較，油墨圓珠筆的脫帽時間可以保持在兩年左右，與整筆的保質(zhì)期相當，而中性筆的脫帽時間一般在數(shù)天至3 個月之間不等。還有中性墨水黏度較油墨黏度低，且油管內(nèi)孔較大，墨水較易產(chǎn)生倒流現(xiàn)象。所以插套式中性筆筆套內(nèi)都裝有橡膠的密封圈，蓋上筆套后，密封圈將筆頭密封住，防止筆頭內(nèi)墨水干枯，并防止空氣從筆頭進入筆芯內(nèi)，進而產(chǎn)生倒流現(xiàn)象。筆頭進入密封圈的深度具有一定的尺寸要求。而一般的油墨圓珠筆由于油墨黏度高，筆頭間隙小而不需要密封圈。

另外，對于撳動式中性筆，如圖6所示。為了防止筆頭內(nèi)墨水干枯和筆芯內(nèi)墨水倒流，一般都采用彈簧筆頭，且新的未使用的筆芯的筆頭前端進行封蠟處理。彈簧筆頭（如圖7）指的是在筆頭內(nèi)部裝有一根細小的彈簧，頂住球珠。書寫時，由于書寫力的作用，球珠同碗口分離形成墨水出墨間隙，書寫力消除時，彈簧頂住球珠，并同碗口貼合，形成較好的密封。這樣可以較長時間保持筆頭內(nèi)墨水不干，并可防止墨水倒流。

圖6 撳動式中性筆典型結(jié)構(gòu)及零件

圖7 撳動式彈簧筆頭結(jié)構(gòu)圖

中性筆芯的結(jié)構(gòu)如圖8、9所示。筆芯的零件特點及功能說明如表1。

圖8 插套類中性筆芯

圖9 撳動類中性筆芯

表1 中性筆芯零件特點及功能說明

圖10 660 仿針管筆頭

圖11 670 子彈型筆頭

圖12 680 半針管筆頭

圖13 640 針管筆頭

圖14 651 仿針管筆頭

5.1.2 中性筆功能結(jié)構(gòu)分析

功能是設(shè)計過程中設(shè)計所要滿足的最為重要的特性，功能分主要功能和次要功能：主要功能是實現(xiàn)產(chǎn)品使用價值必不可少的功能，必須無條件地滿足，而次要功能與設(shè)計約束之間是可以協(xié)調(diào)的，即在滿足約束條件的前提下，盡量滿足要求[22]。

所謂產(chǎn)品的功能分析是在明確設(shè)計任務(wù)和主參數(shù)的基礎(chǔ)上進行總功能分析，并進行功能分解?？偣δ荏w現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的總目標，而功能分解是指將產(chǎn)品的總功能分解成較為簡單的分功能或功能元（最基本的不宜再分的功能單元），從而使問題的復(fù)雜度降低，以利于產(chǎn)品功能的結(jié)構(gòu)求解。

傳統(tǒng)的功能分解方法只是在功能域里進行，由于功能是抽象事物，必須與具體的滿足功能的原理和結(jié)構(gòu)相結(jié)合，才能得到合理和定義完備的功能集合。因此，按照公理化設(shè)計的理論，應(yīng)用了功能域—原理域—結(jié)構(gòu)域的功能分解方法[23]。此方法以人的認識模型為基礎(chǔ)，將功能分解轉(zhuǎn)換為原理和結(jié)構(gòu)的分解，符合人的思維活動。

圖15 表示了域內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及域之間的關(guān)系，在功能域中，功能表示為功能樹結(jié)構(gòu)，葉節(jié)點表示不可再分的子功能，而原理域和結(jié)構(gòu)域中存在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)樹，不同域的節(jié)點之間是多對多的關(guān)系。

圖15 功能域 —原理域 —結(jié)構(gòu)域關(guān)系圖

原理域連接了功能域和結(jié)構(gòu)域。進行功能分解時，同功能求解是密切聯(lián)系的，需交錯進行，而不是一次性完成映射。

對于筆來說，其最基本的功能是書寫功能。但是要實現(xiàn)書寫功能可以有多種方法，可以利用毛細原理帶出書寫介質(zhì)（自來水筆等）、可以由固體物直接產(chǎn)生線跡（鉛筆等），也可以運用球珠滾動帶出書寫介質(zhì)（圓珠筆）等等。不同的原理要采取的下一步工作是不同的，即總功能分解的結(jié)果是不同的。隨著功能的分解，設(shè)計人員在功能域、原理域和結(jié)構(gòu)域之間不斷來回切換，通常一個功能層次結(jié)構(gòu)對應(yīng)了多個原理層次結(jié)構(gòu)和多個結(jié)構(gòu)層次，最后形成功能與結(jié)構(gòu)的映射。圖16 是運用以上方法建立的中性筆功能原理結(jié)構(gòu)樹。對于中性筆是運用球珠滾動帶出書寫介質(zhì)而形成書寫線跡，是書寫工具的一種。我們以插套式中性筆為例進行了功能原理結(jié)構(gòu)分析。再根據(jù)功能原理結(jié)構(gòu)樹，分離出插套式中性筆的功能結(jié)構(gòu)樹（圖17），并運用聚類分析的方法形成了后定位插套式中性筆的功能結(jié)構(gòu)模塊（圖18）。

圖18 后定位插套式中性筆的功能結(jié)構(gòu)模塊

5.2 中性筆公理化設(shè)計分析

5.2.1 中性筆公理化設(shè)計的必要性

1）公理化設(shè)計既可以用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，也可以對現(xiàn)有產(chǎn)品進行分析改進。在進行現(xiàn)有產(chǎn)品分析改進時，設(shè)計者根據(jù)用戶需求、設(shè)計約束和現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計，進行設(shè)計目標分析，確定產(chǎn)品的組成部分來實現(xiàn)分解后不同的功能要求。中性筆是現(xiàn)有市場上的主流產(chǎn)品，但從市場的反應(yīng)和技術(shù)上分析，還有許多需要改進的地方，利用公理化的理論和方法進行中性筆設(shè)計分析是十分有益的做法。

2）以往模塊化設(shè)計呈現(xiàn)為橫向系列的設(shè)計，對于系統(tǒng)高層功能要求的設(shè)計實現(xiàn)主要憑經(jīng)驗指導(dǎo)，其主要作用為針對底層設(shè)計參數(shù)而得出適用性強的各種模塊。而公理化設(shè)計理論則更適用于縱向整體系統(tǒng)設(shè)計，使整個系統(tǒng)由上至下，由整體到局部都有據(jù)可依，從而指導(dǎo)設(shè)計者做出肯定且正確的決策，不再盲目地憑借個人經(jīng)驗進行設(shè)計。因此綜合兩種方法，進行取長補短。

3）運用公理化設(shè)計中的設(shè)計矩陣，便于確定各功能結(jié)構(gòu)模塊之間的相互關(guān)系，便于確定各模塊設(shè)計的順序和模塊內(nèi)部設(shè)計的先后相關(guān)性。

5.2.2 中性筆公理化設(shè)計功能結(jié)構(gòu)分析

在5.1.2 節(jié)我們使用了公理化的原理，運用功能、原理、結(jié)構(gòu)樹的方法，對插套型中性筆進行了功能、結(jié)構(gòu)分析。下面以后定位插套型中性筆為例，結(jié)合圖18 模塊化劃分的結(jié)果，對整個功能、結(jié)構(gòu)分解的過程進行分析。

1.第一級分解。對于中性筆來說，其總功能FR0為書寫功能。對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)DP0為能執(zhí)行書寫功能的中性筆。為了進一步分解，將總功能FR0分解為：

FR1—形成書寫線跡

FR2—便于手握書寫

FR3—防護功能

對應(yīng)的DPs 為：

DP1—中性筆芯

DP2—筆桿組件

DP3—筆套組件

設(shè)計矩陣：

成為解耦設(shè)計，可以滿足獨立公理的要求。

從中性筆的設(shè)計來分析，首先要滿足書寫性能要求的需要，包括書寫的長度、出墨量、書寫線跡的寬度、書寫的流利性能等，所以中性筆設(shè)計首要的是進行筆芯的設(shè)計，這些設(shè)計要求來自于客戶的需求和設(shè)計任務(wù)書，這些要求也決定了筆芯的規(guī)格，所以筆芯的設(shè)計是第一位的，是獨立進行的。

其次是要進行中性筆便于手握書寫功能的設(shè)計，要便于書寫，包括了書寫部件的可靠固定和使用時手握舒適，這一部分的設(shè)計主要是固定方式和手握部位的尺寸、形狀和材質(zhì)等，部分依賴于筆芯的結(jié)構(gòu)和尺寸，同筆芯設(shè)計相關(guān)。

第三，對于中性筆來說，在未書寫時筆頭部位必須進行保護，一是防止筆頭和球珠碰傷而使書寫功能失效，二是防止筆頭傷人，考慮人身安全，三是要將筆頭密封，防止墨水干燥而堵塞筆頭，以及防止空氣從筆頭前端進入筆芯而造成墨水倒流。這部分的設(shè)計依賴于筆芯的結(jié)構(gòu)和筆桿組件的尺寸。

2.第二級分解。

（1）FR1形成書寫線跡分解為：FR11儲墨；FR12出墨；FR13連接。相對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)為：DP11儲墨管；DP12筆頭；DP13接頭。

設(shè)計矩陣：

從設(shè)計矩陣可以發(fā)現(xiàn)，這樣的設(shè)計并不能滿足獨立公理的要求，因為儲墨量的設(shè)計，必須在選定一定出墨量筆頭的規(guī)格前提下才能確定，所以需要解耦。經(jīng)過分析，將FR11和FR12調(diào)整功能的次序可以滿足獨立公理的要求，調(diào)整后的功能分解為：FR11出墨；FR12儲墨；FR13連接。相對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)為：DP11筆頭；DP12儲墨管；DP13接頭。

設(shè)計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

（2）FR2便于手握書寫分解為：FR21手握功能；FR22書寫部件固定相對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)為：DP21手握部件；DP22筆芯前后固定部件。

設(shè)計矩陣：

（3）FR3防護功能分解為：FR31保護；FR32防滾、便攜；FR33密封。相對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)為：DP31筆套；DP32筆夾；DP33密封圈。

設(shè)計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

3.第三級需要分解的是FR21和FR22。FR21手握功能分解為：FR211握持；FR212防滑。相對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)為：DP211筆桿；DP212防滑套。

設(shè)計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

FR22書寫部件固定分解為：FR221導(dǎo)向；FR222夾緊。相對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)為：DP221尖套；DP222尾塞。

設(shè)計矩陣：

滿足獨立公理的要求。

5.2.3 中性筆公理化設(shè)計順序

從以上插套型中性筆的公理化設(shè)計分析可以發(fā)現(xiàn)，公理化分析的結(jié)果同模塊劃分的結(jié)果是一致的，整個插套型中性筆設(shè)計分為三大模塊：筆芯模塊、筆桿組件模塊和筆套組件模塊。公理化的分析進一步理清了產(chǎn)品設(shè)計的思路，明確了插套型中性筆的設(shè)計順序，從5.2.2 級的層級分析，可以總結(jié)出插套型中性筆的設(shè)計順序如圖19所示。

圖19 插套型中性筆設(shè)計順序

通過對插套型中性筆功能和結(jié)構(gòu)分析，運用了相關(guān)性理論進行了中性筆各功能部件的相關(guān)度分析，明確了插套型中性筆設(shè)計模塊分為筆芯、筆桿組件、筆套組件模塊，并應(yīng)用公理化的設(shè)計矩陣對插套型中性筆進行了功能獨立性分析，明確了中性筆公理化設(shè)計順序。

6.中性筆公理化計算機輔助設(shè)計

6.1 中性筆公理化設(shè)計程序

按照公理化設(shè)計分析，中性筆的設(shè)計分為以下幾個步驟進行：

6.1.1 筆芯設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求（來自于客戶、標準和通用設(shè)計要求等），轉(zhuǎn)化為筆芯設(shè)計參數(shù)。如客戶要求書寫長度400m 以上，為0.5mm 球珠的筆頭，要求為插套型中性筆，筆頭型號為670 型，出墨量為百米平均120mg等等。按照百米出墨量和書寫長度的要求，可以確定油管的內(nèi)孔和外徑、長度等參數(shù)，這樣就可以進行筆芯組件的設(shè)計。對于筆芯我們首先是進行型號、規(guī)格的選定（按一定的參數(shù)），如果現(xiàn)有的筆芯庫中沒有滿足要求的筆芯，則要進行筆芯的設(shè)計，其先后順序如圖19所示。先為筆頭型號的確定，再是油管設(shè)計，最后是接頭設(shè)計，這樣遵循我們對中性筆芯的公理化設(shè)計的分析結(jié)果。在零件設(shè)計中，按零件設(shè)計參數(shù)查詢各零件庫，可以找出相似零件進行參考和修改來完成新零件的設(shè)計，提高了設(shè)計速度和設(shè)計的可靠性。

6.1.2 筆桿組件設(shè)計

筆芯設(shè)計完成后，進入筆桿組件的設(shè)計。根據(jù)任務(wù)書對設(shè)計的要求，確定筆桿組件的設(shè)計參數(shù)和接口參數(shù)。如要求是前定位還是后定位，筆桿最大外徑、裝配和固定筆芯的相應(yīng)尺寸、是否需要防滑套等信息，從現(xiàn)有的筆桿組件模塊庫進行搜索選用。如沒有符合要求的模塊可以使用，則可以按筆桿模塊的設(shè)計順序進行筆桿模塊的新設(shè)計。先筆桿，后尖套、尾塞，最后進行防滑套的設(shè)計（如圖19）。并可以按零件的設(shè)計參數(shù)進行零件庫的查詢，用現(xiàn)有零件進行設(shè)計更改。

6.1.3 筆套組件設(shè)計

完成筆芯和筆桿組件的設(shè)計后，按同樣的程序進行筆套組件的選用和設(shè)計。先按照筆套組件的設(shè)計參數(shù)和接口參數(shù)，從現(xiàn)有的筆套組件模塊庫進行搜索選用。如沒有符合要求的模塊可以使用，則可以按筆套模塊的設(shè)計順序進行筆套模塊的新設(shè)計。先筆套，后筆夾、密封圈（如圖19）。并可以按零件的設(shè)計參數(shù)進行零件庫的查詢，使用現(xiàn)有的零件或用現(xiàn)有零件進行設(shè)計更改。

6.1.4 成品裝配和分析

各個部件設(shè)計完成后，最后進入成品的裝配和分析。按照先部件、后成品的次序，先將各個組件模塊裝配完成，后將各組件模塊裝配成成品。裝配完成后要進行成品設(shè)計要求的校核，例如筆頭密封深度、筆頭外露尖套的長度、扣位的配合、筆套反插等。還要進行裝配后是否干涉的校核等，如有問題，有必要進行設(shè)計修改和改善。

6.2 中性筆公理化計算機輔助設(shè)計的必要性

對于一個有經(jīng)驗的產(chǎn)品設(shè)計師，在多年的工作中會找到適合自己的一套設(shè)計方法，會使設(shè)計過程盡量科學(xué)和有效率。但公司內(nèi)往往設(shè)計師較多，每個設(shè)計師的思路和方法不盡一致，而且形成的設(shè)計經(jīng)驗和資源也難以實現(xiàn)共享。所以有必要總結(jié)中性筆產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，形成統(tǒng)一的、科學(xué)的設(shè)計方法，形成零部件設(shè)計零件庫和模塊庫，并進行不斷的更新和完善，實現(xiàn)設(shè)計資源的共享和零部件的共用，提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。所以中性筆公理化計算機輔助設(shè)計主要解決：

1）遵循公理化設(shè)計要求，明確和規(guī)范設(shè)計順序。部件設(shè)計要有一定的獨立性，減少設(shè)計耦合，降低設(shè)計更改的頻率。

2）推行模塊化設(shè)計思想，提高模塊、零部件的設(shè)計重用性，降低新產(chǎn)品的制造成本。

3）提高設(shè)計質(zhì)量，提高設(shè)計可靠性和設(shè)計效率。

6.3 中性筆公理化計算機輔助設(shè)計平臺

中性筆公理化計算機輔助設(shè)計總體設(shè)計思路是，體現(xiàn)公理化設(shè)計程序，以模塊設(shè)計為主線，可以自定義查詢和調(diào)用零部件庫，實現(xiàn)中性筆的高效設(shè)計。輔助設(shè)計系統(tǒng)是在UG 二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用VC++和數(shù)據(jù)庫軟件實現(xiàn)UG 和數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)訪問。使用VC++，用戶可以利用其開發(fā)環(huán)境封裝的類，并通過建立實例或繼承來使用這些程序代碼，從而大大減少程序開發(fā)的時間。設(shè)計的對話框界面更為容易，修改和調(diào)試更為方便。

UG 運行后菜單中設(shè)計了“中性筆設(shè)計”的下拉式菜單，按要求選擇子菜單進入設(shè)計，如圖20。

圖20 中性筆設(shè)計菜單

設(shè)計實例部分設(shè)計界面如圖21：

圖21 中性筆設(shè)計部分界面

7.總結(jié)與展望

7.1 總結(jié)

中性筆產(chǎn)品是當前及今后較長一段時間市場上書寫工具的主流產(chǎn)品，隨著市場競爭的加劇，中性筆產(chǎn)品的品種不斷更新，開發(fā)速度不斷加快。為此，各個公司都運用現(xiàn)有的造型、平面設(shè)計軟件進行中性筆的外形、表面處理設(shè)計，加強中性筆的開發(fā)。但從總體來看，缺乏有序和科學(xué)的研究。文章對中性筆產(chǎn)品進行深入研究的基礎(chǔ)上，運用公理化設(shè)計理論，從中性筆的功能分析、結(jié)構(gòu)類型、模塊劃分、設(shè)計程序等各方面進行了探討，取得了以下成果：

1、結(jié)合公理化理論和模塊化思想，對中性筆進行了功能分析，并運用了功能—原理—結(jié)構(gòu)的方法，進行了功能分解，更加符合人們的邏輯思維過程，不同于一般的功能—結(jié)構(gòu)分解方法。

2、對插套型中性筆進行了各功能部件的功能、結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析，進行了模塊劃分，提出了筆芯、筆桿、筆套各模塊的分類方法，為中性筆模塊化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

3、運用公理化設(shè)計理論，進行中性筆各模塊設(shè)計的獨立性分析，確定了插套型中性筆的設(shè)計程序，為中性筆科學(xué)快速設(shè)計確立了科學(xué)基礎(chǔ)。

4、運用三維設(shè)計、面向?qū)ο蠛蛿?shù)據(jù)庫軟件進行了中性筆公理化設(shè)計平臺的開發(fā)。

7.2 展望

雖然研究取得了一定成果，但是由于時間和水平的限制，本課題今后還有許多有待完善和改進之處：

1、中性筆產(chǎn)品的公理化設(shè)計是一個需要深入研究的課題，對產(chǎn)品的模塊化改造需要進一步的細化、補充，特別是撳動型中性筆的公理化設(shè)計研究需進一步探討。

2、中性筆設(shè)計中需要市場人員和造型、結(jié)構(gòu)、平面設(shè)計師的通力合作，如何將公理化設(shè)計推廣到產(chǎn)品的整個設(shè)計過程，進而推廣到制造過程，是我們需要進一步研究的課題。

3、關(guān)于中性筆設(shè)計平臺的開發(fā)，需要進一步研究，理想的狀況是多設(shè)計軟件共享、協(xié)作的平臺，才能發(fā)揮更好的作用。