基于感性工學(xué)的機床外防護造型設(shè)計研究
2016-10-25 來源：天津科技大學(xué)機械工程學(xué) 作者：賀鵬 薛強 薛偉國 劉建明 張焱 樊曦
摘 要：為使得機床外防護造型能滿足使用者的感性需求，通過均值分析法對機床的典型感性詞進行提取，通過判斷矩陣對各造型因素的權(quán)重進行比較，通過語義差分法和正交試驗法對典型感性詞與造型因素關(guān)系進行確定，獲得典型感性詞、典型感性詞與造型因素關(guān)系表；并使用這些研究的成果指導(dǎo)YK5115 型數(shù)控插齒機的外防護造型設(shè)計，從而提升數(shù)控機床的外防護造型設(shè)計水平．采用層次分析評價法對方案進行評價，確定了最終設(shè)計方案，并進行實際生產(chǎn)，由此驗證了方案的可行性．
關(guān)鍵詞：機床外防護造型；感性工學(xué)；語義差分法；正交試驗法；層次分析評價法
裝備制造業(yè)為國民經(jīng)濟和國防提供生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備，是制造業(yè)的核心組成部分，是國民經(jīng)濟發(fā)展特別是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]．?dāng)?shù)控機床作為裝備制造業(yè)的核心產(chǎn)品，它的研發(fā)水平一定程度上影響到整個制造業(yè)，其中機床外防護造型的感性需求已經(jīng)影響到機床的市場競爭力，對機床外防護造型的感性設(shè)計研究已經(jīng)必不可少。
感性工學(xué)是一種“將消費者的感性需求轉(zhuǎn)譯為產(chǎn)品設(shè)計要素的技術(shù)”[2]．目前，感性工學(xué)理論在機床外防護造型設(shè)計中還很少涉及，行業(yè)應(yīng)用較少，缺乏完整性．本文基于天津第一機床總廠的實際項目，通過感性研究得到典型感性詞、典型機床樣本以及感性詞與造型因素之間的關(guān)系表；同時，利用本文成果對YK5115 型數(shù)控插齒機進行應(yīng)用性設(shè)計，通過設(shè)計評價獲得最優(yōu)方案，從而驗證了方案的可行性。
1. 感性工學(xué)研究方法及數(shù)據(jù)分析
1.1 典型感性詞的提取
提取典型感性詞是進行感性工學(xué)研究的基礎(chǔ)，需要系統(tǒng)合理的提取過程才能在機床產(chǎn)品的感性認(rèn)識中找到這些典型感性詞．本文感性詞的提取包括感性詞的搜集和感性詞的分析篩選。
1.1.1 感性詞的搜集
主要利用網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)品樣本、口語分析法、頭腦風(fēng)暴法和相關(guān)論文進行感性詞的初步搜集，得到了200個相關(guān)感性詞。
1.1.2 感性詞的分析篩選
對200 個感性詞進行整合分析，分析過程分為2步：第1 步為聚類分析，首先把相似和相反語義的感性詞組成一組，并成對表示，然后對每組進行逐層分析，提煉成一對濃縮詞，最終得到42 對感性詞。第2步為問卷調(diào)查和統(tǒng)計分析，問卷調(diào)查邀請40 人參加，涉及機床有關(guān)的各個方面，考慮到機械性感性和美學(xué)性感性在機床行業(yè)區(qū)分明顯，采用二分法對42對感性詞進行劃分，然后進行問卷調(diào)查并對所得數(shù)據(jù)進行頻率統(tǒng)計，最終選取機械性感性詞為精確的–粗糙的、尖銳的–圓滑的、實用的–無用的；選定美學(xué)性感性詞為趣味的–寂寥的、大氣的–小氣的和簡潔的–復(fù)雜的。
1.2 典型機床樣本的選取
典型機床樣本的選取是依據(jù)造型因素的分類進行的．在充分考慮機床外防護功能的基礎(chǔ)上，對各部分結(jié)構(gòu)進行分析，定性地提取影響機床外防護造型的13 個結(jié)構(gòu)部件(造型因素)：數(shù)控面板、大防護罩體、料門、觀察窗、把手、調(diào)整門/隔板、維修門/隔板、排屑器罩、電柜罩、散熱孔、標(biāo)識造型、刀庫門和起重孔．然而，根據(jù)這些造型因素選取的機床樣本數(shù)目眾多；為減少樣本數(shù)目，有效地提取典型樣本，通過以下3個步驟進行處理，最終獲得典型機床樣本。
1.2.1 對初始樣本進行統(tǒng)一化處理
利用網(wǎng)絡(luò)、機床文件、機床展會和相關(guān)論文對機床樣本進行初步搜集，得到64 個國外機床樣本和32個國內(nèi)機床樣本，共96 個機床樣本．對符合條件的機床樣本進行一定的統(tǒng)一化處理：機床角度盡量選用相同的斜右側(cè)，并盡可能多地展示機床的造型細節(jié)；由于配色一定程度上會影響產(chǎn)品造型的視覺效果，故使用Photoshop 對所有機床樣本圖像進行去色處理，僅用不同的灰度表示機床配色差異。
1.2.2 提取權(quán)重值較高的造型因素并分類
為進一步了解13 個造型因素對于整體機床外防護造型的影響，本文采取李克特量表法[3]確定各造型因素的重要性，其可視化圖見圖1，其中A 和B 為任意梁造型因素．評分采用判斷矩陣方法[4]，任意兩造型因素的重要性比值數(shù)據(jù)見表1。
圖1 李克特量表法的可視化圖
表1 任意兩造型因素的重要性比值
根據(jù)判斷矩陣的特點，計算矩陣權(quán)向量并通過一致性檢測方法計算出各造型因素的權(quán)重值．計算矩陣權(quán)向量的方法有特征根法、和法、根法和冪法等方法[4]，這里選擇和法進行計算，得到各造型因素的權(quán)重值見表2．
表2 各造型因素的權(quán)重值
對于判斷矩陣進行一致性檢驗：階數(shù)為13 的隨機一致性指標(biāo)(RI)為1.56[4]，據(jù)此可計算得到一致性指標(biāo)(CI) 為0.110,661 ，一致性比例(CR) 為0.070,936．因一致性比例(CR)＜0.1，判斷矩陣的一致性可以接受，計算結(jié)果合理．最終選出權(quán)重值靠前的4 個關(guān)鍵造型因素：大防護罩體、數(shù)控面板、觀察窗和料門。
造型因素在不同的機床外防護造型上表現(xiàn)形式各不相同，通過分析得到4 個關(guān)鍵造型因素的分類方式如圖2所示．
圖2 機床關(guān)鍵造型因素分類
1.2.3 提取典型機床樣本
如果按照造型因素的分類情況選取典型機床樣本，共有81 個不同組合，存在數(shù)據(jù)量大、可操作性不強以及部分組合形式的樣本不存在等問題．為減少樣本數(shù)目，采用正交試驗法[5]提取典型樣本．利用正交設(shè)計助手進行試驗方案的選擇，可得到表3 所示的試驗方案
表3 正交試驗方案
在96 個機床樣本中選取符合正交試驗方案的9個樣本，如圖3所示．
圖3 選取的典型機床樣本
1.3 感性詞與造型因素間的對應(yīng)關(guān)系
根據(jù)語義差分法(SD 法)[6]的基本理論，選取1.1和1.2 中提取的6 組典型感性詞和9 個典型機床樣本，組成9 組7 級SD 感性量表，用于感性詞與造型因素關(guān)系的構(gòu)建，所有樣本的SD 量表見表4。
表4 樣本的SD量表
使用這些量表制作SD 問卷調(diào)查表，進行典型機床樣本的感性評價數(shù)據(jù)搜集，此次調(diào)查邀請了天津第一機床總廠的40 位專業(yè)人員，其中包括機械設(shè)計師、機床設(shè)計師、機床操作員、機床銷售經(jīng)理以及工業(yè)設(shè)計師，他們積極配合調(diào)查并認(rèn)真完成了問卷表。所有調(diào)查數(shù)據(jù)真實有效。
以感性詞為指標(biāo)，造型因素為因子，造型因素可取類型為水平，對數(shù)據(jù)進行因子分析和極差分析．因子取不同水平會導(dǎo)致指標(biāo)變化，極差越大說明該因子對于該指標(biāo)影響越大．每個試驗根據(jù)感性詞不同可分為6 組數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)可得到各因子在不同水平下的指標(biāo)平均值及各因子的極差值．因子分析和極差分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5。
表5 因子分析和極差分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
注：表5 中指標(biāo)選用感性詞對中相對褒義的詞，其中“圓滑的-尖銳的”相對機床外防護造型為中性詞，故均被選用。
根據(jù)表5 中各因子均值的對比可以得出機床造型因素與感性詞對應(yīng)關(guān)系，見表6。
根據(jù)表5 中各因子的極差值可以得到造型因素對特定感性詞的影響程度關(guān)系。
精確的：料門＞大防護罩體＞觀察窗＞控制面板；
圓滑的：大防護罩體＞料門＞觀察窗＞控制面板；
尖銳的：大防護罩體＞料門＞觀察窗＞控制面板；
實用的：料門＞觀察窗＞大防護罩體＞控制面板；
趣味的：大防護罩體＞料門＞控制面板＞觀察窗；
大氣的：大防護罩體＞控制面板＞觀察窗＞料門；
簡潔的：大防護罩體＞觀察窗＞控制面板＞料門。
表6 機床造型因素與感性詞對應(yīng)關(guān)系
注：“○”表示在某感性訴求下造型因素的編號選擇，各造型因素的編號代表含義見表3．
2. 案例驗證
對YK5115 型數(shù)控插齒機外防護造型進行感性設(shè)計，需要確定最佳感性詞，設(shè)計選用問卷調(diào)查中得分最高的感性詞“趣味的”進行方案的選擇和設(shè)計．根據(jù)表7 選取各造型因素具體造型并進行組合，獲得總體組合方案后對設(shè)計方案進行草圖繪制，具體方案如圖4 所示。
對方案的評估不能單純根據(jù)個人喜好進行，為增加選擇的合理性，采用了層次分析評價法[7]．層次分析法的構(gòu)建層次模型如圖5所示。
通過借助層次分析法輔助軟件YAAHP 對方案數(shù)據(jù)進行分析，得到各方案的權(quán)向量為W＝(0.284,6，0.460,4，0.255,1)，并且各層符合一致性要求，最終選取方案二為最佳方案．根據(jù)委托方的意見和國內(nèi)實際現(xiàn)狀對方案進行適當(dāng)?shù)男薷模玫阶罱K效果和實物如圖6 所示．
圖4 YK5115型數(shù)控插齒機的三套方案設(shè)計
圖5 評估層次模型
圖6 YK5115型數(shù)控插齒機外防護效果和實物圖
3. 結(jié) 語
本文通過均值分析法提取出“精確的-粗糙的”、“尖銳的-圓滑的”、“實用的-無用的”、“趣味的-寂寥的”、“大氣的-小氣的”和“簡潔的-復(fù)雜的”這6 組影響機床的權(quán)重較大的感性詞，通過判斷矩陣對造型因素進行分析得出各造型因素的權(quán)重值，其中關(guān)鍵造型因素為大防護罩體、數(shù)控面板、觀察窗和料門，研究結(jié)果對機床外防護設(shè)計時的感性把握和關(guān)鍵造型因素的確定有一定的參考價值．通過SD 問卷調(diào)查和正交試驗法得到了典型感性詞與造型因素關(guān)系表，由關(guān)系表可得到感性詞對應(yīng)各造型因素影響程度關(guān)系及選擇類型，可用于指導(dǎo)實際方案設(shè)計．通過對YK5115 型數(shù)控插齒機進行外防護造型設(shè)計，采用層次分析評價法對方案進行評價，驗證了本文研究成果，此過程對設(shè)計方案的決策有一定的參考價值．
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