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1、 第 52 卷第 15 期 2016 年 8 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.52 No.15 Aug. 2016 DOI： 10.3901/JME.2016.15.128 基于物-场可供性模型提升产品设计质量的研究*姜少飞 周升铭 李吉泉 卞耀威 (浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室 杭州 310014) 摘要： 现有的产品设计主要是基于功能的设计，着重于结构对功能的实现。但是，产品的功能无法完整反映产品的全部设计要求，不宜用功能表达的设计要求通常用“可供性”来表达。大量设计表现为主要功能保持不变，而
2、通过考虑可供性来实现产品进化。在可供性理论与物 -场分析理论基础上，提出一种面向产品概念设计过程基于“物 -场可供性”模型提升产品设计质量的方法。将“物 -场可供性”模型集成到现有的功能设计流程中，再利用实体交互矩阵分析产品设计方案中积极与消极交互作用，通过对积极作用最大化、消极作用最小化优化产品原理方案，实现产品设计质量的提升。采茶机的设计实例验证了基于“物 -场可供性”模型的设计方法可以有效提升产品设计质量。 关键词： 可供性；物-场可供性模型；概念设计 ； 产品设计质量；采茶机 中图分类号： TH122 Enhancing the Quality of Product Design Ba
3、sed on Substance-field Affordance Model JIANG Shaofei ZHOU Shengming LI Jiquan BIAN Yaowei (Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology of Ministry of Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014) Abstract： The existing product design is mainly
4、based on function, which focuses on the structure to achieve the function. However, the function of the product cant completely reflect all requirements of product design, design requirements which shouldnt be expressed by function usually expressed by “affordance”. A lot of design show that evoluti
5、on of the product is mainly the change of affordance and the main function of it essentially unchanged. Based on the theory of affordance and Substance-field analysis, the method of enhancing the quality of the product design based on “substance-field affordance” model(SFAM) in product conceptual de
6、sign stage is proposed in the article. The SFAM is integrated in the conceptual design of product which is designed currently based on function, in addition, “the entity interaction matrix” be used to analysis the positive and negative interactions of product design solution and the product principl
7、e solution can be optimized after maximizing positive interactions and minimizing negative interactions of product, the quality of product design accordingly can be enhanced. Finally, the tea plucking machine is used as an example to verify the effectiveness of the proposed method. Key words： afford
8、ance； substance-field affordance model； conceptual design； quality of the product design； tea plucking machine 0 前言1一般的产品设计进程分为需求设计、概念设计、技术设计和详细设计四个阶段1。其中，概念设计在很大程度上决定了产品的功能、 质量和成本，因此在产品概念设计阶段，尽早评判产品设计存在的缺陷与不足，提出设计改进方案，是有效提升产品设计质量的内容。 * 国家自然科学基金资助项目 (51375451)。 20150807 收到初稿， 20160607收到修改稿 现有产品设计研究主
9、要是基于功能的设计实现研究1-4， 但是功能只考虑对产品中存在输入输出状态转变部分进行设计，而一些非功能的部分，如环保、经济性、工效美学等无法用功能表达。不宜用功能表达的设计要求可用“可供性”来表达，MAIER 等5将可供性概念引入工程设计，对产品生命周期的影响因素进行设计，而不只局限于功能的实现。 现有的可供性研究主要分为以下六类：第一类是可供性设计方法研究。 MAIER 等5-6提出可供性的分类、基于可供性的产品设计流程、一般可供性月 2016 年 8 月 姜少飞等：基于物 -场可供性模型提升产品设计质量的研究 129 模板、可供性结构矩阵等，构建起系统化的可供性设计方法。第二类是基于技术
10、功能与用户任务交互的设计研究。 GALVAO 等7基于可供性提出技术功能与用户任务交互的设计方法， LIM 等8基于技术功能与用户任务的交互关系以及可供性的结构相关性提出了可供性特征的概念。第三类是可供性理论与其他理论的集成研究。 NGUYEN 等9和宋红等10将可供性理论与遗传算法进行集成研究，刘尚等11集成可供性理论和 TRIZ 理论提出提高产品理想度方法， CIAVOLA 等12综合功能与可供性的优势研究两者集成的设计方法，武春龙等13基于可供性与功能提出改良的功能结构图建模方法。第四类是可供性应用于详细设计研究。 CHEN 等14和 HUANG等15把可供性引入到产品的详细设计阶段，提
11、出零件可供性概念。 第五类是可供性模型的研究。 GERO等16提出表象可供性概念并用于对产品类比与优化设计， HSIAO 等17建立一个在线可供性评估模型测量可供性度来评价产品的可用性， CORMIER 等18提出期望的可供性模型 (Desired affordance model, DAM)试图在设计的早期捕捉用户需求。第六类是可供性的表达形式研究。 GIBSON19提出“ verb+ability”和“ afford+verb”的可供性表达形式；NORMAN20使用“ afford+doing”的表达结构；MAIER 等6提出“ V.+ability， V.+n.”等表达形式；CIAVOL
12、A 等21提出“ afford+n.”表达形式； HU 等22提出 subject+verb phrase+object 的表达结构说明可供性对应动作发生方向； HUANG 等15提出用 结构表达零件的可供性， S 和 O 代表可供性的主、客体， V 描述交互作用发生的动作；CORMIER 等18基于 DAM 提出一种新的可供性表达结构，它能够便捷获取产品具有的一些信息。 与功能相比，可供性含义更广，可以表达产品设计更丰富的信息。由于可供性具有结构相关性，用于改进现有产品原理方案有明显的优势。此外，现有的相关研究还存在可供性不易识别以及难于表达等问题。 基于可供性理论5-6与物 场分析理论23
13、-26，本文提出物 场可供性模型， 并将模型应用于产品原理方案的分析过程，发现并改进设计方案中存在的消极交互作用、需要提升的积极交互作用和有待增加的积极交互作用。 1 物 -场可供性模型 1.1 物与场的定义 物 -场分析理论26是 TRIZ 理论的一个组成部分，它认为最小的技术系统由两种物质和一种场组成。物质指任意实体，可以是简单的零部件，也可以是复杂的系统；场包括物理场、化学场、电磁场等；物质在场的作用下产生效应，实现预期效果。 本文参考 HU等22的可供性分类把产品生命周期中与产品发生作用的实体定义为 “物” ， 分为三类，包括产品实体、用户实体和环境实体，分别用 A、U 和 E 表示。
14、产品实体是指产品生命周期中，参与产品交互作用过程产品的主要作用结构，包括直接与用户或环境发生交互作用的产品本身以及参与产品交互作用的那部分产品零部件；用户实体是指在产品的整个生命周期内与产品发生交互作用的所有用户，包括操作者、维修者等；环境实体则指参与到产品交互作用中的除产品实体外的非有机实体。 本文参考 TRIZ 理论中场的概念26及可供性理论一般可供性模板6提出广义场的概念。 定义 1 广义场：广义场是一种促发作用，可以促使两个不同实体发生交互作用，它包括功能性场与非功能性场，见表 1。通过对传统功能场的扩展，模型可以表达功能和非功能性因素的作用。 表 1 广义场 广义场 场的类型 举例
15、机械场 功能性场 振动、压力、惯性力、离心力 电场 功能性场 静电、电感应、电容、电能 磁场 功能性场 静磁、铁磁 重力场 功能性场 重力、质量 流体场 功能性场 流体静力、流体动力，如空气、液体等声场 功能性场 声音、超声、噪声 热场 功能性场 热传导、热膨胀、热绝缘、热存储 化学场 功能性场 燃烧、氧化、分解 光场 功能性场 反射、折射、照明 辐射场 功能性场 X 射线、不可见电磁波 生物场 功能性场 发酵、腐烂 核能场 功能性场 、 、 射线束、中子、电子 安全可靠 非功能性场系统可靠、运行平稳、工作持久、动力强、效率高、人机安全性 环保持续 非功能性场 无害、环保、低耗、报废可回收利用
16、 经济性 非功能性场设计、制造、使用的经济性，合理的交付时间 工效美观 非功能性场材质适用、结构紧凑、造型艺术性、界面美观、操作宜人 1.2 物 -场可供性模型 本文提出将可供性作为某两个实体在广义场的作用下生成的产物，于是形成一种新的可供性表达形式：某产品在 场 Fi作用下通过 实体 Ai与 实体 Ui交互作用产生 可供性 i，再由这种可供性的表达结构提出物 -场可供性模型。 物 -场可供性模型由发生交互作用的两个不同 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 15 期 期 130 实体 (主体、客体 )、使交互作用发生的作用场和交互作用生成的可供性四个部分组成，通过模型对系统进行抽象方便确定
17、系统存在问题的具体部分，再改进存在问题的实体或场得到理想产品原理方案，从而实现提升现有产品设计质量的目的。 物 -场可供性模型共分为 6 种类型。 (1) 消极交互作用模型：模型的组成部分完整，但产生了有害效应，需要消除或最小化消极作用，见图 1a。 (2) 有效的积极交互作用模型：模型的组成部分完整，产生了需要的积极效应，见图 1b。 (3) 效应不足的交互作用模型：模型的组成部分完整，但产生的效应不足，需要提升积极作用，见图 1c。 (4) 不完整的交互作用模型：模型的组成部分不完整，缺少交互的实体或作用场，需要完善模型才能产生需要的效应，见图 1d。 (5) 正向模型：模型的组成部分完整
18、，产生了积极或消极作用，可用于分析研究设计中的消极交互作用与需要提升的积极交互作用。发生交互作用的实体分为三类：产品实体与产品实体、产品实体与用户实体、产品实体与环境实体，模型见图 1e。 (6) 逆向模型：模型的组成部分完整，产生了积极或消极作用，可用于分析研究设计中需要改进的可供性和需要增加的交互作用，发生交互作用的实体分为三类：产品实体与产品实体、产品实体与用户实体、产品实体与环境实体，模型见图 1f。 为便于可供性形式化表达，提出模型的符号表示系统，如图 1g所示。其中 M 和 m 是改进前后的模型代号， Aff和 aff 是改进前后的可供性代号； I、 J和 K 是不同的交互作用代号
19、，其中 I 表示消极交互作用， J 表示需要提升的积极交互作用， K 表示有待增加的积极交互作用。字母 i 为变量，可以用其他字母或数字替代，表示某个具体的实体、场或可供性，下文中出现相同符号与此处含义一致。 图 1 物 -场可供性模型 2 基于物 -场可供性模型提升产品 设计质量的方法 设计是产品可供性具体化的过程，可供性又可以分为积极可供性与消极可供性5，所以提升产品设计质量可以从可供性的角度进行考虑。不同类型的交互作用可以用相应的物 -场可供性模型表达， 消极交互作用对应消极作用的正向模型，可改进的积极交互作用可用效应不足的正向模型表达，有待增加的积极交互作用可用逆向模型表达。本文基于前
20、述物 -场可供性模型提出了提升产品设计质量的设计流程，如图 2 所示。 步骤 1：分析产品原理方案。先确定需要改进的产品原理方案；再对原理方案进行分析，找出与其发生交互作用的用户实体和环境实体；对原理方案对应的产品结构进行分析，找出参与交互作用的不同产品部件，与产品一起组成产品实体。 月 2016 年 8 月 姜少飞等：基于物 -场可供性模型提升产品设计质量的研究 131 图 2 提升产品设计质量的设计流程 步骤 2：确定需要提升质量的交互作用。根据前一步分析得到的三类实体构建实体交互矩阵。 定义 2 实体交互矩阵： 矩阵内容包含实体信息和待改进交互作用信息，可用于分析确定不同实体间的有待改进
21、的三类交互作用， 包括消极交互作用，需要提升的积极交互作用以及有待增加的积极交互作用。 构建实体交互矩阵的一般过程如下。 (1) 在矩阵左侧列出所有的产品实体、用户实体、环境实体， A1、 U1和 E1分别为其具体的实体代号，矩阵上侧中部列出所有的产品实体，在矩阵右侧统计三类需要提升质量的交互作用数量。 (2) 逐一分析产品实体与其他实体间发生的交互作用。可借助进化定律与设计原则分析确定需要提升质量的交互作用，参考的进化定律与设计原则见图 3。其中消极交互作用可直接分析确定；需要提升的积极交互作用进一步进行分析，考虑产品技术进化26-27与用户体验20,28；对于产品目前缺少的积极交互作用，需
22、要考虑用户需求的进化29以及预测用户新需求26。 (3) 使用不同的符号标记不同交互作用类型，“ ”表示消极交互作用， “ ”表示需要提升的积极交互作用， “ #”表示有待增加的积极交互作用，构建的实体交互矩阵如表 2 所示。 图 3 进化定律与设计原则 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 15 期 期 132 表 2 实体交互矩阵 产品实体 数量统计 A1A2A3提升积极 改进消极 增加 积极 A1 1 A2# 1 产品 实体 A3U1 1 用户 实体 U2 1 E1# 1 环境 实体 E2 1 步骤 3：确定需要改进的产品可供性。首先，由前一步分析得到的三类需要提升质量的实体交互作用构
23、建实体关系模型。 定义 3 实体关系模型： 模型用于反映产品需要提升质量的交互作用对应实体的关系，还可对需要提升质量的交互作用进行分类并确定每个交互作用发生的主体和客体，方便后续建立物 -场可供性 模型。 构建实体关系模型的一般过程如下。 (1) 某个需要提升设计质量的产品列在第 1级，将产品需要改进的交互作用进行分类，分为 AAI、AEI 和 AUI 三类，列在模型第 2 级，其中 AAI 表示发生在不同产品实体间的交互作用， AEI 表示发生在产品实体与环境实体间的交互作用， AUI 表示发生在产品实体与用户实体间的交互作用。 (2) 找出产品需要改进的交互作用对应的所有产品实体、环境实体
24、和用户实体，将其中发生交互作用的客体，即一半数量的产品实体、所有的环境实体和所有的用户实体列在模型的第 3 级。 (3) 根据实体交互矩阵分析得到的三类需要提升质量的交互作用，逐一找出与第 3 级实体发生交互作用的产品实体，即交互作用发生的主体，按顺序列在模型第 4 级。 (4) 在模型第 5 级依次对所有交互作用分类编号，方便后续进行分类研究与建模。构建的实体关系模型如图 4 所示。 图 4 实体关系模型 再根据实体关系模型的分析结果建立对应两实体的物 -场可供性模型。 对应不同种类的待改进交互作用构建不同的物 -场可供性模型。最后，分析物-场可供性模型确定需要改进的产品可供性。 步骤 4：
25、求解产品原理改进方案。首先，逆求解物-场可供性模型的实体或场，通过 TRIZ、专利检索、类比和参考外部资料等方法寻找改进产品可供性需要的实体或场，当改进某个实体存在多个备选实体时构建实体选择矩阵进行选择。 定义 4 实体选择矩阵： 包含产品已有实体信息及备选实体信息，当一个改进实体存在多个备选方案时，矩阵可用来选择改进产品可供性需要的最理想实体。 构建实体选择矩阵的一般过程如下。 (1) 在矩阵的左侧列出产品的所有产品实体、环境实体和用户实体，在矩阵上侧列出所有改进实体对应的备选实体。 (2) 对每个备选实体逐一分析，判断是否与某个产品实体、环境实体和用户实体发生交互作用，消极作用与积极作用分
26、别用“ ”和“ ”标记。 (3) 在矩阵下方分别统计每个备选实体的积极与消极交互作用个数，再算出积极百分数，然后比较百分数大小选择出最优方案 (带下横线的百分数对应最优方案 )，实体选择矩阵如表 3 所示。 表 3 实体选择矩阵 A1备选实体 A3备选实体 A4A5A6A7A8A1 A2 产品实体A3 U1 用户实体U2 E1 环境实体E2 积极作用 3 1 2 1 3 消极作用 1 1 1 2 0 数量统计积极百分数 (%) 75 50 67 33 100 再由改进的产品可供性及其对应交互作用的实体与场构建逆向物 -场可供性模型。最后，分析产品所有逆向物 -场可供性模型， 综合分析改进后的所
27、有实体和场 (见表 4)获得改进的产品原理方案。 表 4 产品设计质量提升情况 模型 序号 改进前的实体或场 模型 序号 改进后的实体或场 设计质量提升情况 M1A1m1A5没有严重振动M2A2、 F1 m2A6、 F2 可靠性提升 M3A3m3A7经济性提升 M4A4m4A8、 F3 可以定时关机月 2016 年 8 月 姜少飞等：基于物 -场可供性模型提升产品设计质量的研究 133 步骤 5：确定理想的产品原理方案。列出改进前后的实体或场，见表 4，对比分析改进前后的产品原理方案得到设计质量提升情况，再根据产品整体设计质量提升情况判断改进后产品原理方案是否理想，如果方案不理想，需要进一步对
28、产品设计进行分析研究。 3 工程实例 以课题组发明的一种采茶机30为例验证第 2部分提升产品设计质量方法的有效性，改进前的采茶机31如图 5 所示。 图 5 一种采茶机 (1) 分析采茶机的产品原理方案。确定采茶机当前原理方案的作用结构，具体包括：直线往复切割机构、直流电动机、偏心轴承传动机构、机箱、手柄、扫叶片、蓄电池和电动机开关。再分析采茶机发生交互作用的三类实体，产品实体包括：采茶机、直线往复切割机构、直流电动机、偏心轴承传动机构、机箱、手柄、扫叶片、蓄电池和电动机开关，用户实体为操作者，环境实体为茶叶。 (2) 确定需要提升质量的交互作用。首先，根据发生交互作用的实体构建采茶机的实体交
29、互矩阵。通过矩阵逐一分析实体间存在的交互作用，确认产品需要提升设计质量的交互作用，消极交互作用可以直接分析获得，而需要提升的积极交互作用和有待增加的积极交互作用要参考进化定律与设计原则确定，矩阵分析思考过程如表 5 所示，再对需改进质量的交互作用分类进行标记，于是得到采茶机的实体交互矩阵，见表 6(Ai表示某个产品实体，如 A1即采茶机 )，填充横线部分为同一实体交互区域，不存在交互作用。 表 5 需要提升设计质量的交互作用 发生交互作用的实体 说明 参考的进化定律 参考的设计原则 直线往复切割、茶叶 易切碎茶叶 扫叶片、茶叶 易带出茶叶 直线往复切割、操作者 摩擦振动严重 偏心轴承、直线往复
30、切割结构 平稳可靠性低 提高技术系统理想化水平、动态化增长建立正确匹配关系采茶机、茶叶 茶叶收集率低 提高技术系统理想化水平、增加可控性简化任务结构 手柄、操作者 舒适度低提高技术系统理想化水平 建立正确匹配关系电动机开关、直流电动机 速度不可调节 需求进化理想化、动态化 采茶机、茶叶 不能挑选茶叶 需求进化理想化、集成化 采茶机、操作者 没有照明需求进化理想化、动态化、集成化 操作者、蓄电池 不能显示电量 需求进化理想化、动态化、集成化 表 6 采茶机的实体交互矩阵 产品实体 数量统计 A1A2A3A4A5A6A7A8A9提升积极 改进消极 增加积极采茶机 A1 直流电动机 A2 # 1 偏
31、心轴承 A3 1 直线往复切割机构 A4 手柄 A5 电动机开关 A6 机箱 A7 扫叶片 A8 产品实体 蓄电池 A9 用户实体 操作者 U1 # # 1 1 2 环境实体 茶叶 E1 # 1 2 1 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 15 期 期 134 (3) 确定需要改进的产品可供性。先根据建立的实体交互矩阵构建采茶机的实体关系模型，见图6。再参照实体关系模型，对应每个交互作用建立采茶机的物-场可供性模型，见表 7，由模型可确定 产品需要改进的可供性，模型改进前后的可供性 见表 8。 图 6 采茶机的实体关系模型 表 7 采茶机的物 -场可供性模型 模型序号 交互作用 待改进物
32、-场可供性模型 可供性编号M1I1茶叶直线往复切割结构易切碎茶叶机械场Aff1 M2I2茶叶扫叶片易带出茶叶机械场Aff2 M3I3操作者直线往复切割结构摩擦振动严重机械场Aff3 M4J1偏心轴承直线往复切割结构平稳可靠性低机械场、安全可靠Aff4 M5J2茶叶采茶机茶叶收集率低机械场、重力场Aff5 M6J3 操作者长的方形手柄缺少舒适度感知、重力场Aff6 M7K1Aff7 M8K2采茶机 茶叶机 械 场 、 感 知可挑选茶叶Aff8 M9K3采茶机 操作者光 场提供照明Aff9 M10K4电 场 、 感 知获取电量情况 操作者蓄电池Aff10 (4) 求解产品原理改进方案。首先，分析采
33、茶机需要改进的每个可供性，逆求解改进可供性对应模型需要的实体或场。对于一个实体存在多个备选方案时构建实体选择矩阵进行选择，见表 9。以链式切割实体为例，它产生了 4 个交互作用：辅助采茶机完成切割茶叶的功能、偏心轴承使其传动不平稳、让操作者使用机器安全可靠、不易切碎茶叶，包括 3 个积极作用和 1 个消极作用，因此积极百分数为 75%，高于其他两个，于是切割结构选择链式切割。同理，选择出镂空的叶片、锥齿轮和调速电 月 2016 年 8 月 姜少飞等：基于物 -场可供性模型提升产品设计质量的研究 135 表 8 模型改进前后的可供性 可供性编号 待改进可供性 可供性编号 改进后可供性 Aff1
34、易切碎茶叶 aff1 整齐切割茶叶 Aff2 易带出茶叶 aff2 不易带出茶叶 Aff3 摩擦振动严重 aff3 减轻摩擦振动 Aff4 平稳可靠性低 aff4 平稳可靠性提升 Aff5 茶叶收集率低 aff5 茶叶收集率提高 Aff6 缺少舒适度 aff6 提高舒适度 Aff7 电动机速度可调 aff7 电动机可调速 Aff8 可挑选茶叶 aff8 可挑选茶叶 Aff9 提供照明 aff9 提供照明 Aff10 获取电量情况 aff10 显示电量 动机。再根据发生交互作用的两实体确定需要的 作用场，根据需要改进的产品可供性及参与交互 作用的实体和场构建完整的采茶机逆向物 -场可 供性模型，
35、见表 10。分析产品所有逆向物 -场可供性模型，综合分析改进后的实体和场 (如表 11 中所示 )获得改进的产品原理方案30，见图 7，具体作用结构包括：链式切割机构、直流调速电动机、锥齿轮传动机构、机箱、短的圆形手柄、镂空收集架、风机、灯具、电量表、选茶板、蓄电池和电动机 开关。 表 9 采茶机的实体选择矩阵 切割结构备选实体 扫叶片备选实体 偏心轴承备选实体 调速机构备选实体链式 切割 转轴 刀片 旋转 刀片 减少 叶片 圆弧 叶片 叶片 镂空 锥齿轮 皮带传动 调速电动机 齿轮组采茶机 直流电动机 偏心轴承 直线往复切割机构 手柄 电动机开关 机箱 扫叶片 产品实体 蓄电池 用户实体 操
36、作者 环境实体 茶叶 积极个数 3 2 1 3 3 4 4 2 3 3 消极个数 1 2 3 1 1 0 0 2 0 2 数量统计 积极百分数 (%) 75 50 25 75 75 100 100 50 100 60 表 10 采茶机的逆向物 -场可供性模型 模型序号 改进后物 -场可供性模型 可供性编号 m1整齐切割茶叶茶叶链式切割结构机械场aff1 m2不易带出茶叶茶叶镂空扫叶片机械场、流体场aff2 m3减少摩擦振动 操作者链式切割结构机械场aff3 m4提升平稳可靠性 锥齿轮链式切割结构机械场、安全可靠aff4 m5提高茶叶收集率 茶叶风机流体场aff5 m6提高舒适度 操作者短的圆柱
37、形手柄感 知 、 重 力 场aff6 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 15 期 期 136 (续 ) 模型序号 改进后物 -场可供性模型 可供性编号 m7调速开关 调速电动机电场、经济性电动机可调速aff7 m8选茶板 茶叶机 械 场 、 感 知可挑选茶叶aff8 m9灯具 操作者光 场提供照明aff9 m10电量表 蓄电池电 场 、 感 知显示电量aff10 图 7 改进的采茶机原理方案 1. 链式切割结构 2. 选茶板 3. 镂空扫叶片 4. 照明灯具 5. 短手柄 6. 电动机开关 7. 电量表 8. 风机 9. 调速电动机 10. 锥齿轮 (5) 确定理想的产品原理方案。分析对
38、比改进前后采茶机的产品原理方案 (见表 11)，设计质量提升的效果说明改进后原理方案已有较大优化，可以作为采茶机的理想原理设计方案。 表 11 采茶机设计质量提升情况 模型序号 实体或场 改进后模型序号 实体或场 设计质量提升情况 M1直线往复切割结构 m1链式切割结构 不易切碎茶叶M2扫叶片 m2镂空扫叶片、流体场 不易带出茶叶M3直线往复切割结构 m3链式切割结构 摩擦振动减少M4直线往复切割结构、偏心轴承 m4链式切割结构、锥齿轮 平稳可靠性提升 M5采茶机 (带扫叶片 )、机械场 m5风机、流体场 茶叶收集率提高 M6长的方形手柄 m6短手柄 舒适度提高 M7直流电动机 m7调速电动机
39、 速度可调节 M8采茶机 (无选茶板 ) m8选茶板 可挑选采摘的茶叶 M9采茶机 (无照明装置 ) m9可扭转方向的灯具 可提供照明 M10蓄电池 (无电量显示 ) m10电量表 可显示电量 4 结论 (1) 提出了物-场可供性模型，结合实体交互矩阵、实体关系模型、实体选择矩阵等分析工具形成了提升产品设计质量的设计方法。 (2) 将物-场可供性模型应用于分析产品原理方案， 发现并改进设计方案中存在的消极交互作用、需要提升的积极交互作用和有待增加的积极交互作用，实现了产品原理方案的优化，提升了产品设计质量。 (3) 采茶机的实例表明物-场可供性模型能够发现与改进消极交互作用，增强积极交互作用，
40、并能弥补现有设计的功能实现过程无法有效考虑非功能性因素的缺陷。 后续研究将着重在物-场可供性模型的标准解、场分类的扩展等方面开展。 参 考 文 献 1 PAHL G， BEITZ W. Engineering design： A systematic approachM. 2nd ed. London： Springer-Verlag， 1996. 2 姜少飞，梁伟，李吉泉 . 基于效应综合的设计历史产品逆求解方法 J. 机械工程学报， 2015， 51(17)： 128-137. JIANG Shaofei， LIANG Wei， LI Jiquan. Method of reverse s
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