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基于公理化设计理论的中性笔设计方法研究

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HONGGUO ZHIBI

中国制笔Z

| CHINA WRITING INSTRUMENTS14 SCIENTIFIC RESEARCH科学研究

基于公理化设计理论的中性笔

设计方法研究

吴瑛戟

（上海制笔技术服务有限公司 上海 201612）

摘要：针对中性笔产品研发设计现状，分析了中性笔产品开发中存在的问题，将公理化设计理论引入到中性笔的

设计中来，旨在提高中性笔创新、设计的水平。文章结合公理化理论，对中性笔进行了功能分析，并运用了功能—

原理—结构的方法，进行了功能分解；对插套型中性笔结合公理化设计理论，进行了中性笔设计公理化分析；运

用公理化的独立性公理，结合模块化设计方法，确定中性笔公理化设计模型；在三维设计软件UG的平台上，通

过确定中性笔设计的公理化设计模块、软件结构及其设计流程，采用面向对象软件系统的设计方法，建立了中性

笔快速设计系统框架。从而为中性笔设计开发提供了新的思路和方法。

关键词：中性笔；中性笔设计；公理化设计；计算机辅助设计

Research on Gel Pen Design Method Based on Axiomatic

Design Theory

Wu Yingji

(Shanghai Pen Technology Services Co., Ltd Shanghai 201612)

Abstract: In view of the current situation of the R & D and design of the gel pen products, this paper analyzes the problems

existing in the development of the gel pen products, and introduces the axiomatic design theory into the design of the gel pen in

order to improve the innovation and design level of the gel pen. Based on the axiomatic theory, this paper analyzes the function

of the gel pen, and decomposes the function with the method of function-principle-structure; analyzes the axiomatic design of the

plug-in type gel pen by combining the axiomatic design theory; determines the axiomatic design model of the gel pen by using the

axiomatic independent axiom and combining with the modular design idea; and designs in three dimensions On the platform of

UG, by determining the axiomatic design module, software structure and design process of gel pen design, and adopting the design

method of object-oriented software system, the rapid design system framework of gel pen is established. It provides a new idea and

method for the design and development of gel pen.

Keywords: Gel Pen; Gel Pen Design; Axiomatic Design; Computer Aided Design

引 言

我们在设计一款中性笔的时候，首先会确定好主

要的性能参数，然后进行其他部分的设计工作，并且

按照每个工程师的经验，会分步骤和分部件地设计，

融合以往的设计标准，直至完成新的设计。对于新的

设计师来说，如何进行设计比较迷茫，不知从何入手。有经验的工程师往往比刚从事这项工作的设计人员更

有条理、更有效率。文章以公理化设计的相关原理为

研究的出发点，结合中性笔产品特点，通过对国内外

公理化设计方法的发展历程、理论研究和实际案例的

比较分析和思考，以期提出有待解决的中性笔设计方

法的相关问题，总结出中性笔公理化设计的方法与步TH QUARTER 2020

ISSUE 1594

CHINA WRITING INSTRUMENTS | 15 SCIENTIFIC RESEARCH科学研究

骤，来提高中性笔设计的效率和成功率。

1. 中性笔的起源和产品介绍

利用球珠滚动带出书写介质（墨水或油墨）的笔

统称为圆珠笔。中性笔是目前国际上流行的一种新颖

书写工具，中性笔是属于圆珠笔一类的书写工具。其

书写介质的黏度介于水性（黏度小于10mPa.s）和油

性（黏度介于10000-20000mPa.s）之间[1]，所谓“中

性”之意也由此而得名。

中性笔起源于日本，日本的SAKURA株式会社于

1984年研制成功称为“Ballsign”的产品并推向市场，

1988年，另一家日本公司 Pentel 株式会社开发的被

称为“Hybrid”的产品上市，中性笔由此而宣告诞生[1]

[2]。

中性笔与传统圆珠笔的最大不同在于圆珠笔笔芯

内灌注的是油性墨水，而中性笔灌注的是水性凝胶状

墨水。按日本工业标准 JIS S 6061：2005《啫哩墨水

圆珠笔和笔芯》中的相关定义，啫哩墨水（中性墨水）

为通过书写时球珠转动使墨水的黏度变低，非书写之

静止状态时墨水黏度变高的墨水，这正是中性墨水典

型的流变特征，即墨水状态书写前、中、后的变化为

凝胶→溶胶→凝胶[3]。中性墨水采用颜料为主要着色

剂，与传统的染料型墨水相比，具有优异的耐光、耐

水与耐温性能和耐化学性能（耐酸、碱、强氧化剂、

漂白剂等），同时还具有墨水流量均匀，脱帽时间长

等特点，可做永久保存。因此中性笔是理想的办公学

习用品，除用于普通的书写外，还适用于重要文档长

久保存。

2. 中性笔市场和开发状况

随着我国制笔工业的发展与壮大，我国制笔工业

展现出了大、高、新、全、优（制笔行业规模大，生

产技术水平达到新高，行业面貌焕然一新，笔类产品

以及花色品种齐全，产品质量优良，综合合格率98%

以上）的态势，引领国际制笔产业新潮流，在国际市场上具有很强的竞争力。中国已经成为世界公认的制

笔生产大国和出口大国。自来水笔、圆珠笔、木杆铅

笔和活动铅笔产量均居世界第一位，令世界同行刮目

相看[4]。

但从整个制笔行业的状况来看，还是比较缺乏新

产品研发和工艺技术的创新能力。主要表现在：一是

产品设计和开发还主要是模仿国外知名品牌；二是缺

乏自有的产品制造核心技术，主要原材料和关键零部

件还严重依赖进口；三是研发投入缺乏。所以国内制

笔行业的竞争主要是拼价格、拼产量的低水平竞争。

但从制笔行业的发展来看，还是形成了较有影响力的

国内圆珠笔品牌，如晨光、真彩、爱好、白雪、金万

年等。这些品牌的竞争主要依靠其新颖的外观、高质

量的书写品质来占据市场。这些品牌每家都有优势的

产品，如晨光的K35揿动中性笔、真彩的009中性

笔、金万年的欧标中性笔等，这些新成长起来的文具

品牌主要以生产中性笔为主，中性笔已成为各大书写

文具品牌竞争的主要战场。目前国内市场上中性笔占

到圆珠笔类产品的70%左右，而圆珠笔类产品占到整

个书写工具的比例为36%左右，仅次于木杆铅笔的

38%。

目前市场上生产圆珠笔类的主要厂商，都以中性

笔作为开发和竞争的重点。同时每年在中性笔开发上

的投入也不断增加，据笔者的统计，晨光等领先企业

每年上市的新款中性笔在200~300款之间，这其中全

新设计的款式大概有1/4（为全新模具），其余的为

重新配色和换印刷的产品。因为市场上使用中性笔的

主流是大中小学生，对中性笔的款式要求不断更新，

所以各大厂家集中开发新的品种投放市场来留住老用

户和吸引新用户。特别值得一提的是，中性笔经过20

多年的发展，各大厂家的笔芯规格已趋于标准化，开

发新产品过程中主要是开发新的外形和结构，笔芯大

多还是保留原有的规格，这样的开发模式已成为中性

笔开发中的主要形式。所以如何加快开发笔款的速度、

增加笔款的种类、降低开发过程的成本成为各大厂商HONGGUO ZHIBI

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重点研究的内容。

3. 研究中性笔设计的实际意义

作为一个生产型企业，质量（Quality）、成本（Cost）

是最重要的管理项目。现代企业面对瞬息万变的市场

环境，既要求生存，更要求长期成长和发展，如何去

提升产品质量，降低产品设计与生产成本已成为企业

一切活动的中心。通过探讨在中性笔设计中运用公理

化设计理论，可对企业起以下几个方面的作用：

3.1 有效缩短产品设计和制造周期

一个中性笔新款式（不包括笔芯的研发）从造型

设计到结构设计、样品制作、模具开发、配色、小试、

中试直到量产，整个过程大约要进行6~8个月的时间。

这样的开发周期，同现阶段的市场要求并不匹配。通

过设计方法的研究，可以总结中性笔设计的规律，减

少设计错误和设计更改，最大限度地利用以往成功的

设计成果，来有效地缩短产品的设计和制造周期。达

到和提升快速适应市场的能力。

3.2 有效提高产品设计质量

设计阶段的质量对最终产品质量的影响是最大

的，产品设计造成的巨大浪费是无形的，它并不直接

表露出来，而是隐含在图纸中，从而不易被人们察觉

和重视。通过中性笔产品设计方法的研究和应用，特

别是公理化等先进设计方法的应用研究，可以最大限

度地借鉴成功的设计，从而提高产品设计的可靠性，

使产品设计具有强健性。

3.3 有利于降低产品开发和生产成本

对于制笔这样的传统行业，随着经济的全球化，

竞争日益加剧。消费者对产品的需求不仅质量要求越

来越高，而且对产品的式样、颜色、功能的要求也明

显地趋于多样化、个性化。每个大公司对产品的开发

投入逐年加大，但由于存在诸多的矛盾，开发新品产

生的效益并不理想，产品的利润也越来越低，普通中

性笔每支笔的利润以分和厘计算，取得的市场效果并

不尽人意。各大公司正在寻求新的产品开发模式和生产模式。合理的产品设计不仅可以最大限度地减少产

品零件数量，减少模具开发的数量和成本，降低生产

管理的复杂性，从而降低产品的开发和生产成本。

4. 公理化设计理论的发展和应用

4.1 公理化设计简介

由于设计通常是与智力活动和创造联系在一起，

以及它的复杂性和不确定性，人们往往认为它是依靠

人的直觉、天赋和经验。但是设计必须发展它的科学

基础，这就是设计理论。在设计学中存在若干如力学

中的牛顿定律一样的公理，它们控制着设计活动的诸

多方面。遵循这些公理和由之而产生的定理与推理，

在设计中就可以理性地分析并导向正确的结果而不必

通过失败后反复修正或在设计中留下不可挽回的后遗

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L485柴油机箱体加工工艺的公理化设计

L485柴油机箱体加工工艺的公理化设计

1 内容摘要:柴油机箱体是汽车五大部件之一，其生产效率和加工质量直接关系到汽车的生产效率和性能。因此，在汽车行业中，如何提高发动机箱体生产效率和加工质量是一项重要的研究课题。采取公理化设计对提高箱体质量和效率有重要意义。公理化设计理论是在独立公理和信息公理为理论基础上建立的设计理论体系，采用“之”字映射方法，耦合问题分析方法以及信息含量计算方法进行分析。它能使设计者在工作中做出正确的决定，提高工作效率，增强产品在市场的竞争力。在此基础上，针对柴油机箱体的特点，加工内容的尺寸和精度要求，将公理化设计的基本理论应用到柴油机箱体加工工艺的设计中，建立工艺设计的公理化设计模型，并进行“之”字形映射求解，得到工艺设计的公理化设计结果，在此基础上，再进行工艺详细计算。正确拟定箱体的加工工艺路线，确定切削用量及时间，保证了孔的位置精度，同时提高了生产效率，降低了工人的劳动强度。

关键词：发动机箱体 公理化设计 独立公理 “之”字形映射 工艺

2 Abstract: The car engine is one of five parts, the production efficiency and

machining quality directly related to the car production efficiency and performance.

Therefore, in the car industry, how to improve the efficiency of the production and

processing engine quality is an important research subject. Take axiomatic design to

improve the quality and efficiency to have the important meaning. Axiomatic design

公理化

公理化

论公理化思想的发展历程、及学习数学史的感受

13数学系625班41号 刘晔

摘要：公理化方法是近代数学公理化方法的一个典范, 它完善了欧氏几何, 使它建立在更加牢靠的基础上。它使几何学的定理命题均按照逻辑演绎关系串联起来, 使用起来十分方便。

关键词：欧几里得几何,公理化，发展历程.

公理化方法是自然科学, 特别是数学的重要逻辑演绎工具。长期以来人们对公理化方法研究不止,存在不同的看法和争议,并由此而不断产生新的科学分支。因此, 公理化方法研究总是充满生机的。

一、公理化思想的发展历史

欧几里德于公元前 300 年写了一本名著《几何原本》, 这是历史上第一次以公理化方法为工具的演绎数学。由于受当时科学水平的限制, 他不可能把作为几何根基的基础整理得完美无缺, 因此在《原本》中的逻辑系统中显示出许多漏洞来。欧几里德以后的许多数学家几乎都为改进欧氏公理体系做过努力。另外,

人们对《原本》中的第五公设产生了如下二方面的怀疑：第五公设是否正确反映了空间性质？第五公设本身会是个定理吗？于是,人们又进行了三方面的探究：（1）用其他公设来推导第五公设（该条途径研究失败）；（2）换一个与第五公设等价而几何意义明显的命题作为公设； （3）换一个与第五公设相反的公设。历史上的许多数学家企图从否定第五公设（包括等价命题）得出矛盾, 从而证明第五公设, 但经过长达二十个世纪的历代几何学家们的努力, 问题并未得到根本的解决,结果却导致了非欧几何的产生。更令人欣喜的是, 十九世纪中叶, 人们在欧氏几何中找到非欧几何的模型, 这就是说, 欧氏几何无矛盾的话, 则非欧几何也无矛盾。后来, 非欧几何被应用到天体物理和广义相对论中, 从而使非欧几何有了坚实的实践基础。

为了研究两种几何平行而不悖，以希尔伯特为代表的数学家们掀起了对几何逻辑基础的研究，希尔伯特在1899年发表了他的名著《几何基础》，第一次提出了简明、完整而严格的形式公理化方法而使《几何基础》成为现代公理化方法的里程碑。从此, 又掀起了对整个数学基础白多研究, 特别是《公理集合论》、《证明论》、《模型论》、《递归函数论》, 把现代公理化方法又推向更新的层次。而数理逻辑的研究, 又促进了电子计算机的出现和发展, 这些都离不开现代公理化方法。公理化方法是不断发展的, 人们对它的研究不会停止。

基于公理设计的捷联导航系统设计方法

基于公理设计的捷联导航系统设计方法

第２４卷第４期　２００７年０８月　江苏船舶　ＪＩＡＮＧＳＵ　ＳＨＩＰ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００７　基于公理设计的捷联导航系统设计方法　王冬生吴峻　摘　要　按照公理化设计原理，设计公理为设计者提供了一种设计指导框架。在此框架的指导下，大大降低了　系统设计的复杂度，由此提高了系统的设计质量，缩短了系统的开发周期。本文应用公理化设计理论，采用结构　模块化设计原则，对捷联式惯性导航系统的设计过程进行分析，给出了捷联式惯性导航系统的功能需求与设计　参数间的映射与分解过程。结果表明，设计的分解过程是合理的，满足独立性公理。　关键词　公理化设计模块化域映射准耦合捷联惯导系统　Ｏ　引言　设计理论在系统设计中起着重要的作用，以往　单纯以设计知识和设计经验为依据的设计方法已不　能满足日益复杂的系统设计要求。公理化设计为描　述各种类型的设计问题及详细的各层设计提供了一　个框架，帮助设计者迅速了解系统内部各层之间相　互关系的设计过程，使设计者能在众多的复杂问题　中作出快速而明确的选择。　目前的捷联惯导系统是一种耦合式的设计，本　文打破了以往的耦合式设计方式，采用公理化设计　思想在满足了系统对精度要求的前提下，大大简化　了系统的设计过程，缩短了系统的设计周期。　１公理化设计　公理化设计理论包含有５个主要概念：域、层次　结构、映射和２个设计公理。　１．１域　公理化设计将整个设计过程分为４个域，分别　为：用户域（ｃｕｓｔｏｍｅｒ　ｄｏｍａｉｎ）、功能域（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｄｏ—　ｍａｉｎ）、结构域（ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｄｏｍａｉｎ）和工艺域（ｐｒｏｃｅｓｓ　ｄｏｍａｉｎ）。域的总数保持４个，但每个域中各自元素　的属性根据实际问题的需要可以有所变化。其结构　如图１所示，左边的域表示想要实现的，而右边的域　表示如何满足左边的域所规定的要求。　（１）用户域：表示用户对产品属性的期望，用　｛ＣＡｓ｝表示。　（２）功能域：表示设计方案所要实现的一系列　作者介绍：王冬生就读于东南大学仪器科学与工程学院，硕士；吴峻　现工作于东南大学仪器科学与工程学院。副教授。　收稿日期：２００７—０６—１３　功能要求最小集，用｛ＦＲｓ｝表示。　ｌ　Ｈ　Ｈ　Ｈ　Ｉ　用户域　功能域　结构域　工艺域　图１公理化设计中的域　（３）结构域：表示设计方案中满足｛ＦＲｓ｝的设计　参数集合，用｛ＤＰｓ｝表示。　（４）工艺域：表示确定相应工艺变量的集合，用　｛Ｐ　｝表示。　１．２层次结构与映射　公理化设计理论认为产品设计是一个自顶向下　的过程，可以从设计抽象概念的高层到详细细节的　低层展开，每一层的各个域（功能域、结构域、工艺　域）中都有一定设计目标，高层次的决策影响到低　层次问题的求解。在ＦＲｓ向低层分解时，低层职　与高层　相适应，这样形成了职　ＤＰ　职的往　复过程，设计就是在各个域中曲折进行设计问题的　求解，直到分解的子问题都已经解决为止。图２为　功能域和结构域的层次结构以及它们之间的“之”　字形映射关系，结构域与工艺域之间存在有同样的　关系。　图２功能域与结构域的层次结构及其映射关系　１．３设计公理　公理化设计为选择一个合适的设计方案提供了　指导框架，设计公理是对设计创新很有帮助的工具。　２条公理分别为：　（１）独立性公理：保持功能需求之问的独立性　功能需求的独立性是指每个功能需求对应一个　设计参数，不受其他设计参数影响。如果２个或２　

基于公理化设计的复杂信息系统开发方法研究

基于公理化设计的复杂信息系统开发方法研究

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用　２００７，４３（２８）　１９９　

基于公理化设计的复杂信息系统开发方法研究　

杨斌　，肖人彬ｔ，蔡政英一　

ＹＡＮＧ　Ｂｉｎ１．２　ＸＩＡＯ　Ｒｅｎ—ｂｉｎ‘，ＣＡＩ　Ｚｈｅｎｇ－ｙｉｎｇ　

１．华中科技大学管理学院，武汉４３００７４　

２．湖北工业大学管理学院，武汉４３００６８　

１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６８，Ｃｈｉｎａ　Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｂ５３　１＠１６３．ＣＯｎｌ　

ＹＡＮＧ　Ｂｉｎ，ＸＩＡＯ　Ｒｅｎ－ｂｉｎ，ＣＡＩ　Ｚｈｅｎｇ—ｙｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ－ｏｎ　ａｘｉｏｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，４３（２８）：１９９－２０２．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅｓ　ｃｈｏｏｓｅｓ　ａｘｉｏｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｓ　ｂａｓｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ，ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ—ｏｎ　ａｘｉｏｍａｔｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｂｊｅｃｔ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ．Ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｙ　ｉｔ’Ｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｉｎ—　

ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｓｏｃｉａｌ　ｉｎｓｕｒａｎｃｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．