基于系统设计理念的数控机床外观研究_张振凯.pdf

-60-2022 年 第 12 期一、绪论数控机床由美国发明家John Parkinson在20世纪50年代末发明，世界机床行业历经了近70年发展后快速进入了产业化进程，在机器制造业的地位越发举足轻重。我国数控机床技术在20世纪80年代开始起步，核心技术并不逊色于世界先进水平。较为可惜的是，虽然国内机床品牌较多，但外观设计十分保守，主要问题是对产品系统性考虑较少。以设计对象陕西诺贝特自动化科技有限公司系列产品为例：其产品外观无法反映企业形象，与品牌的视觉联系较弱；产品外观停留在功能满足上，只有简单的结构包裹，无审美倾向；机床上下、前后比例不协调；色彩感觉差，对于消费者心理因素考虑不足；违反人机工程学要求，不符合操作者的生理结构。而消费者在对产品外观进行评价时往往是综合以上几点而进行的。为此，国内的机床外观需要进行大的改变。学者孔苓燕在文献浅谈系统设计在产品设计中的应用中谈道，设计应是理性与感性相结合，科学和人文相结合，不能孤立地侧重某一方面。1文献基于产品系统设计理论下的儿童相机设计中指出，系统设计对产品设计的意义在于人文和经济两大方面。2文献基于系统设计下的产品识别研究中提到系统设计理论运用到设计中是为了把握设计方向，规范设计流程。3图1针对陕西诺贝特自动化科技股份有限公司的三款数控机床进行外观系统化设计通过这些文献可以发现，国内机床产品的问题皆是因为缺乏系统设计理念。前人所研究的皆从系统之整体出发，对系统的拆解与组合、元素与整体的探讨略显不足，因此，本文决定以此为出发点。在系统设计理论的基础上，考虑元素与整体的关系，设计出三款机床，为我国数控机床的外观设计提供参基于系统设计理念的数控机床外观研究 张振凯梅绍国摘要：本文主要在系统设计理论指导下阐述数控机床的外观设计问题。首先对系统设计理论进行探讨，明确设计产出应以三点核心流程为指导，遵循系统设计理论三大原则；然后对各大品牌机床外观的元素使用、色彩使用进行调研分析，对人机工程学数据进行收集；最后在调查研究的基础上进行形态要素、色彩要素、人因要素和结构要素的分析，把产品的功能性和审美性相结合，以此提升产品的核心竞争力和品牌效应。在整个设计过程中，需要考虑所有与产品外观相关的因素，如工程原理、工艺结构、用户操作、维修运输和制造成本。在以上工作的支撑下，本文研究解决了 企业系列产品外观审美性弱、品牌化弱、无统一视觉形象的问题，以实现该品牌应有的品质。关键词：产品设计；数控机床外观；系统设计2022 年 第 12 期-61-文化发展研究Research on Cultural Development考。二、相关理念研究（一）系统设计方法概述系统是为了构成一个整体或达到一个目标集合若干要素的总和。系统由三个部分组成：元素、结构和功能。1系统设计理论形成于20世纪初，其考虑多个因素，而非简单的工业化制造，讲究每个元素之间进行协调，从而形成稳固的系统结构，元素与结构共同作用实现产品的功能性产出。（二）系统设计三大原则系统设计理论是从整体出发，充分考虑客观因素，使产品具有针对性。在具体操作中应遵循三大原则：整体性原则；开放性原则；目的性原则。3整体性原则要求人、机、环境相统一，寻找平衡与整体的最优解。开放性原则要求设计师不断关注社会外界的革新变化，做到与新技术、新理念、新审美、新体验无缝对接，满足不同层次的需求。目的性原则要求产品的产出具有针对性，在充分调查研究的基础上得出合理的设计。（三）系统设计的核心流程通过对系统设计方法以及系统设计原则的了解与掌握，总结出三点核心流程：1 资料收集；2 系统分析；3 设计定位。1前期的资料收集必须以对行业、人、产品的深入了解为前提，做好充足且系统的准备；分析的过程较为重要，必须把设计对象及其一切有关问题当作一个整体，再对其构成元素进行解析，从而深刻了解整个系统的特点，为下一步设计找到可行的方案；最后根据资料和系统分析的研究结果确定设计方向。以下设计均在此流程指导下完成。三、系统设计理念指导下的数控机床外观设计系统设计理论是一种观念和手段，本研究在此基础上进行了数控机床外观系统设计的具体实践。系统设计理念下的产品有六个重要的设计要素：形态要素；色彩要素；人因要素；功能要素；结构要素；环境要素。1此六要素结合社会、企业、用户、产品等客观条件，最终确定设计方案。（一）形态要素形态是产品设计中最为重要的要素之一，通过或方、或圆、或曲的基本特征，点线面的摆放、分割、组合、交叠等方法，将产品的特征及属性表现出来。在分析形态要素时有两个要点：整体形态要满足企业形象，部件造型要满足基本功能，两者互为呼应。1 整体造型根据系统设计开放性原则要求，设计要随时关注外部条件。此处着重分析国外同类产品的设计情况。如图2所示，将各个部件线性化，会得到较为直观的造型元素：马扎克机床善于运用直线并辅助大圆角进行造型；德玛吉机床曲线运用较多，用直线或倾斜曲线辅助造型；斯图特机床善于运用短线条连接进行造型设计；而哈斯机床多运用垂直直线造型。德玛吉机床给人灵动、活跃之感，而哈斯机床则更加稳重、敦厚。由此判断，运用直线元素造型可以突出机床的工业特性：可靠、精密、稳定及刚硬。曲线的运用可以增加机床科技、律动的属性。图2各机床造型分析在此研究基础上结合企业文化和企业宗旨，为匹配产品形态，以直线、直面为主，方体穿插为辅，倒角辅助造型，塑造稳重、内敛之感。以下列出所有可行的穿插方案进行备选，并综合其他要素选出三款机床最终的整体形态（图3）。图3机床造型整体形态研究2 部件造型构成机床整体造型的元素还包括操作面板、把手、指示灯、视窗、维修窗口、logo等，众多元素相互呼应才能共同构成机床的整体造型。部件造型的设计要做到源于整体又服务于整体，在满足基本功能的同时，在细节上加入共同的设计语言，从而达到设计的系统性。同时要根据企业要求融入相应的造型-62-2022 年 第 12 期特点，如陕西诺贝特自动化科技有限公司企业文化较为庄重，设计时则着重表现稳重、内敛的特点。3 视觉重心分析设计选用体块穿插的造型语言，不可避免会触及视觉重心的问题，体块穿插有诸多变化，重心的位置决定视觉上是否稳定，在众多穿插方案中结合结构要素选取出以下三个方案（图4、图5、图6），重心皆在落脚点之内，视觉观感较为稳定，符合企业形象和整体造型。图4机床型号：NOG350X-CNC图5机床型号：VTC-40D图6 机床型号：NAS520X-CNC（二）色彩要素很多学者都对色彩进行了深入研究，据统计表明，人观察一个产品的顺序为：色彩、形体、质地。4在工业产品中，色彩对观感的影响最为直接有效，观者对产品的印象程度取决于色彩的质量。为此，我们进行了大量调研分析。1 工业类产品色彩调研根据系统设计的整体性原则，在进行色彩设计之前先进行工业类产品的色彩调研，了解色彩现状及趋势，做到整体把握。在小型工业产品中色彩使用比较自由，如音箱、手机、加湿器、鼠标、风扇等产品，可以根据用户喜好大面积使用一种或多种鲜艳色彩，甚至撞色、荧光色、渐变色等皆可使用。但在大型工业产品中色彩使用要谨慎，多选用一到两种较为耐看、偏于理性的低明度冷色，目的是让使用者心情平静，不会产生焦躁情绪，鲜艳的色彩多作为点缀出现，目的是在造型的关键处起到装饰的作用。经调研发现，橙色、绿色、蓝色在工业产品中出现较为普遍，这三种颜色与其他色彩的占比如图7所示。大型工业产品中点缀颜色占比在5%30%之间。由此可知在方案产出时，应遵循两到三种颜色、低饱和度、少量鲜艳色彩的用色规律。图7 机床颜色对比分析2 各大机床品牌色彩研究分析系列产品的色彩使用频率，可以了解到各大品牌的用色规律，如果该品牌已经形成了自己的设计系统，那么其系列产品中的高频使用色彩很有可能已经成为品牌的标志。这也是避免产品落入同质化的一个可行性方法。笔者在大量收集品牌产品并进行分析之后得出下图数据（图8）。公司LOGO为蓝色，产品视觉观感必须与企业相符合，结合图7研究可知，企业主色与各大有影响力的品牌颜色并不冲突。最终点缀色彩确定为蓝色（C：100 M：60 Y：0 K：0）。图 8 各品牌用色规律（三）人因要素1 人机要素人机工程学在产品中的应用非常必要，如果没有按照人体生理构造安排产品各个元素的布局，使用者就不能舒适地进行操作，甚至有可能造成人体损伤，如肌肉劳损、视觉损伤等。机床设计中需要考虑到人机工程学的元素，具体有机床门、把手、操作面板、观察视窗、维修口、底部内凹容脚装置等。机床门的大小需要考虑工作台尺寸、送料机宽度、人体臂展的宽度，如果工作台过大，则需要采用双开门的方式。把手对操作的舒适性有很大影响，根据手握横截面尺度，机床把手横截面直径应在1020mm之间。长度不小于100mm安装位置一般在10001600mm之间。操作面板的安装高度同样考虑到手的舒适度以及2022 年 第 12 期-63-文化发展研究Research on Cultural Development视域，最佳高度为10001700mm之间。观察视窗的高度取决于人的视域。人眼垂直方向上下15，水平方向左右25 为宜。5在以上调研数据的支撑下，做出元素安排，如下图（图9、图10、图11）。图9机床型号：NOG350X-CNC人机要素分析图10机床型号：VTC-40D人机要素分析图11机床型号：NAS520X-CNC人机要素分析2 心理要素照顾到使用者的心理，经常可以看到的A级面，即正面顶面，设计较为感性舒适，不经常看到的B级面，即侧面和后面，设计较为理性。从功能划分上来看（图12），A级面板含操作区和观察区，所以操作面板和视窗加入曲线元素，并丰富其色彩。B级面板含维修区、进出水电区等，所以部分机械结构可以适当外露。图12 三款机床的功能划分布局（四）结构要素数控机床系统设计过程中不可忽视的一点是机床的结构要素。系统设计的目的性原则要求外观设计需要有针对性，每款机床各自的内部结构不同，以图13展示的NOG350X-CNC为例，外观的体块关系安排跟随机床内部结构。面对目标产品，需要综合考虑所有元素，由内而外，由大及小，由浅层到深层。机床在运转过程中，内部部件的位移对外观会产生很大影响。因此在进行外观造型设计时，要熟悉结构的运转方式，为内部部件位移留出足够的空间。如NAS520X-CNC以及NOG350X-CNC两款磨床工作台在运作过程中会有左右方向的位移，在设计外观时预留了空间。每款机床除了核心结构之外，还有操作面板、水箱、液压站、信号灯等部件，这些部件结构特殊，需要结合工程师意见决定是否进行整体化的设计。如液压装置需要大量水和润滑剂作为消耗品，因此适合外接，散热效果会更佳。操作面板为减少系统更新带来的硬件换代，可采用全面屏触屏操控。图13 机床内部结构布局四、结语本研究主要运用系统设计理念对机床外观进行系统设计，主要体现在对企业、人、产品的综合考虑，以及经过分解各个元素的考虑上。将系统设计三大原则运用其中，设计过程着重探讨元素与整体的拆解组合，元素和整体的互相反馈。最后设计产出有效提高了机床的品牌化、系列化和美观性。明确机床设计应遵循设计的三大原则，应协调元素与整体两方面，这对国内机床的发展起到积极的引导作用。（西安美术学院设计艺术学院、陕西省文化馆）参考文献1 孔苓燕，谢庆森 浅谈系统设计在产品设计中的应用J 设计，2013（6）：184-185.2 曾勇，高涵茜 基于产品系统设计理论下的儿童相机设计J科技视界，2019（9）：40-41.3 陈力，慕璐璐 基于系统设计下的产品识别研究J 科技视界，2020（10）：241-242.4 袁雪娇，程鲲，王基生，等 基于构成要素的数控机床造型特征研究J 机械设计，2014（8）：118-121.5 林敬亭，李娇 基于要素分析的机床产品外观设计研究J设计，2013（10）：42-45.