机械产品创新设计方法之绿色设计

机械产品创新设计方法之绿色设计摘要：本文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；介绍了面向产品全生命周期的机械产品设计系统，分析了创新设计、绿色设计的基本理念及方法；阐述了基于绿色原型的创新设计原理、特点和实现过程，并充分运用绿色设计理念和创新智能。

关键词：机械产品；创新设计；创新点；绿色设计；绿色原型

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名列世界前茅，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，其构成要素如图1所示。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—人—环境—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如图2所示的6个阶段来实现。

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刨新，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。机械创新设计系统的原型模块如图3所示。

1．2 绿色设计

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—机器—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。机器外观造型应该比例协调、大方，给人以时代感和美感，色彩要和产品功能相适应。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—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。基于绿色原型的创新设计系统模型如图5所示，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