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基於感性工學的機床外防護造型設計研究

2016-10-25 來源：天津科技大學機械工程學作者：賀鵬薛強薛偉國劉建明張焱樊曦

摘要：為使得機（jī）床外防護造型能滿足（zú）使用者的（de）感（gǎn）性需求，通（tōng）過均值分析法對（duì）機床的典型感性詞進行提取，通過（guò）判（pàn）斷矩陣對各造（zào）型因素的權重進行比較，通過語義差分法和正交試（shì）驗法對典型感性詞與造型因（yīn）素關係進行確定，獲得典型感性詞（cí）、典型感性詞與造型因素關係（xì）表；並使用這些（xiē）研究的成果（guǒ）指（zhǐ）導YK5115 型數控插齒機的外防護造型設計，從而提升數控（kòng）機床的外防護造型設計水平．采用層次分析評價法對（duì）方案進行評（píng）價，確定了最終設計方案，並進行實際生產（chǎn），由此驗證了方案的可行性．

關鍵詞：機床外防護（hù）造型；感性工學；語義差分法（fǎ）；正交試驗法；層次分析評價法（fǎ）

裝備製造業為國民經濟和（hé）國防提供生產技術設備，是製造業的核心組成（chéng）部分，是國民經濟發展特別是工業發展（zhǎn）的基礎[1]．數控機床作為裝備製造業的核（hé）心產品，它的研發水平一定（dìng）程度（dù）上影響到（dào）整個製造業，其中機床外防護造型的感性需求已經影響到機床的市場競爭力，對機床外（wài）防護造型的感性設計研究已經必不可少。

感性（xìng）工（gōng）學是一種“將消費者的感性（xìng）需求轉譯為產品設計要素的（de）技術”[2]．目前（qián），感性工學理論在機床外防護造型設計中還很少涉（shè）及，行業應用較少，缺乏完整性．本文基於天津第一（yī）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（yǐ）及感性詞與造型因素之間的關係表；同時，利用（yòng）本文（wén）成（chéng）果對YK5115 型數控插齒機進行應用性（xìng）設計，通過設計評價獲得最（zuì）優方案，從（cóng）而驗證了方案的可行（háng）性。

1. 感性（xìng）工學研究方法及數（shù）據分析

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），需要係統合理的提取過程（chéng）才能（néng）在機床產品的感（gǎn）性認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（gǎn）性詞的分析篩選。

1.1.1 感性詞的搜集（jí）

主（zhǔ）要利（lì）用網絡、產品樣本、口（kǒu）語分（fèn）析法、頭腦風暴法和（hé）相關論文進行（háng）感性詞的初步搜（sōu）集，得到了200個相關感性詞。

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（sì）和相反語義的感（gǎn）性詞組成一組，並成對表示，然後對每組進行逐層（céng）分析，提煉成一對濃（nóng）縮（suō）詞（cí），最終得到42 對感性詞。第2步為問卷調查（chá）和統計分析，問卷調查邀請40 人參加，涉及機床有關的（de）各個方（fāng）麵，考慮（lǜ）到機械性感性和美學性感性在機床（chuáng）行業（yè）區分（fèn）明顯，采（cǎi）用二分法（fǎ）對42對感性詞進行劃分，然後進行（háng）問卷調查並對所得數據進行頻率統計，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；選定美學性（xìng）感性詞為趣味的–寂寥的、大氣的–小（xiǎo）氣的和簡潔的–複雜的。

1.2 典型機床（chuáng）樣本的選取

典型機床（chuáng）樣本的選取是依據造型（xíng）因素的（de）分類進行的．在充分考慮機床外防（fáng）護功能的基礎上，對各部分結構（gòu）進行分析（xī），定性地提取影響機床外防護造型的13 個結構部（bù）件(造型（xíng）因素)：數控麵板、大防護罩體、料（liào）門、觀察窗、把手（shǒu）、調整門/隔板、維修門/隔板、排屑器罩（zhào）、電櫃罩、散熱孔、標識（shí）造（zào）型、刀（dāo）庫門和起（qǐ）重孔．然而，根據這些（xiē）造型因素選（xuǎn）取的機床樣本數目眾多；為減少樣本數（shù）目，有效（xiào）地提取（qǔ）典型樣本，通過以下3個步（bù）驟進行處理，最終獲得典型機床樣本。

1.2.1 對初始樣本進行統一（yī）化處（chù）理

利用（yòng）網絡、機床文件、機床展會和相關論文對機床樣本進行初步搜（sōu）集，得到64 個國外機床樣本和32個國（guó）內機床樣本，共96 個機床樣本．對符合條件的機床樣本進行一（yī）定的統一化（huà）處（chù）理：機床角度盡量選用相同的斜右側，並盡（jìn）可能多地展示機床的造型細節；由於配色一定程度上會（huì）影響產品造型的視覺效果，故使用Photoshop 對所有機床樣本圖像（xiàng）進（jìn）行去色（sè）處理，僅用不同的灰（huī）度表示機床配色（sè）差異。

1.2.2 提取（qǔ）權重值較高的造型因素並（bìng）分類

為進一（yī）步了解13 個造型因素對於整體機床外防護造型的（de）影響，本文（wén）采取李克特量表法[3]確定各造型因素的重（chóng）要性，其可視化（huà）圖見圖1，其中A 和（hé）B 為任意（yì）梁造型因素．評分采用判斷矩陣方法[4]，任意兩（liǎng）造型因素的重要（yào）性比值數據見表1。

圖1 李克特量表法的（de）可視化圖

表1 任意兩造型因（yīn）素的重要性比值

根據判斷矩陣的特點，計算矩陣權向量並通過（guò）一致性檢測方法計算出各造型因素的權重（chóng）值．計（jì）算矩陣權向量的方法有特征根法、和法、根（gēn）法和冪法等方法[4]，這裏（lǐ）選擇和法進行計算，得（dé）到各造型因素的權重值見表2．

表2 各造型因素的權重值

對於判斷矩陣進（jìn）行一致性檢驗：階數為13 的隨機一致性指標(RI)為1.56[4]，據此可計算得到一致性指（zhǐ）標(CI) 為0.110,661 ，一致性比例(CR) 為0.070,936．因一致性（xìng）比例(CR)＜0.1，判斷矩陣的一致性可以接受，計算（suàn）結果合理．最終選出權重（chóng）值靠前的4 個關鍵造型因（yīn）素：大防護罩體（tǐ）、數（shù）控麵板、觀（guān）察窗和料（liào）門。

造型（xíng）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（fèn）析得到4 個關鍵造型因素的（de）分類方（fāng）式（shì）如圖2所示．

圖2 機床關鍵（jiàn）造型因素分類（lèi）

1.2.3 提取典型機床樣本（běn）

如果（guǒ）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（tóng）組合，存（cún）在數據量大（dà）、可操作性不強（qiáng）以及部分組合形式的樣本不存在等問題．為減少樣本數目，采用正交試驗（yàn）法[5]提取典型樣本．利用正交（jiāo）設計助手進行試驗（yàn）方案的選擇，可得到表（biǎo）3 所示的試驗方（fāng）案

表3 正（zhèng）交試驗方（fāng）案

在96 個機床樣（yàng）本中選取符（fú）合正交試（shì）驗方案的9個樣本，如圖3所示．

圖3 選（xuǎn）取的典（diǎn）型機床樣本（běn）

1.3 感性詞與造型因素（sù）間的對應關係

根據語義差分法(SD 法)[6]的基本理（lǐ）論，選取1.1和1.2 中提取的6 組典型感性（xìng）詞和9 個典型機床樣（yàng）本，組成9 組7 級SD 感性（xìng）量表，用於感性詞與造型因素關係的構（gòu）建，所（suǒ）有樣本的SD 量表見表4。

表4 樣本的SD量表

使用這些量表製作SD 問卷調查表（biǎo），進行典型機床樣本的感（gǎn）性（xìng）評價數據搜集，此次調查邀請了天津第（dì）一機床（chuáng）總廠的40 位專業（yè）人員，其中包括機械設計師（shī）、機床設計師、機床操作（zuò）員、機床銷售（shòu）經理以及工業設計師，他們積極配合調查並認真完成了問卷表。所有調查數據真實有效。

以感性詞為（wéi）指標（biāo），造型因素為因子，造型因素可取類型為水平，對數據進行因（yīn）子分（fèn）析和極差分析（xī）．因子取不（bú）同水平會導致指標變化，極差越大說明該因子對（duì）於該指標影響越大．每個（gè）試驗根（gēn）據感性（xìng）詞不同可分為6 組數據，根據數據可得到各因子在不同水平下的指標平均值（zhí）及（jí）各因（yīn）子（zǐ）的極差值（zhí）．因（yīn）子分析和極差分析數據（jù）統計見表5。

表5 因子分析和極差分析數據（jù）統計表

注：表5 中指標（biāo）選用感性詞（cí）對中相對褒（bāo）義（yì）的詞，其中“圓滑的-尖（jiān）銳的”相（xiàng）對機床外防護（hù）造型為中性詞，故均被選用。

根據表5 中各因子均值的對（duì）比可以得出機床造型因素與感性詞對應關係，見（jiàn）表6。

根據表5 中各因子的極差值可以得到造型因素對特（tè）定感性詞的影響程度關係。

精確的（de）：料門＞大防護（hù）罩體＞觀察窗＞控製麵板（bǎn）；

圓滑的（de）：大防護罩體＞料門＞觀察窗＞控製麵板；

尖銳的：大防（fáng）護罩體＞料門＞觀察窗（chuāng）＞控製麵板；

實用的：料（liào）門＞觀察窗＞大防護罩體＞控製麵板；

趣味的：大防護罩體＞料門＞控製麵板＞觀察窗；

大氣（qì）的：大防護罩體＞控製麵板＞觀察窗＞料門；

簡潔的：大防護罩體＞觀（guān）察窗＞控製麵板＞料門。

表（biǎo）6 機床造型因素與感性詞（cí）對應關係

注（zhù）：“○”表示在某感性（xìng）訴求下造型（xíng）因素的（de）編號選擇，各造型因素的編號代（dài）表含義見表（biǎo）3．

2. 案例驗證

對YK5115 型數控插齒機外防護造型進行感性設計，需要確定最佳感性詞，設（shè）計選用（yòng）問（wèn）卷調查中得分最高的感性（xìng）詞“趣味的”進行方案（àn）的選擇和設（shè）計．根據表（biǎo）7 選取各造型因素具體造型並進（jìn）行組合，獲得總體組合方案後對設計方案（àn）進行草圖繪製，具（jù）體（tǐ）方案如圖4 所示。

對方案的評估不能單純根據個人喜好進（jìn）行，為增加選擇的合（hé）理性，采用了層次分析評價法[7]．層次分析法的構建層次（cì）模（mó）型如圖5所示。

通過借助層次分析法輔助軟件YAAHP 對方案（àn）數據進行分析，得到（dào）各方案的權向量為W＝(0.284,6，0.460,4，0.255,1)，並且各層符合一致性（xìng）要求（qiú），最終選取方案二為最佳方案．根據委托方的意見和國內實際現狀對方案進（jìn）行適當的修（xiū）改（gǎi），得到最終（zhōng）效果和（hé）實物如圖6 所示．

圖4 YK5115型數控插齒機（jī）的三套方案設計

圖5 評估層次模型

圖6 YK5115型數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（xī）法提取出“精（jīng）確的-粗糙的”、“尖（jiān）銳的-圓滑的”、“實用的-無用的”、“趣味的-寂寥（liáo）的”、“大氣的-小氣的”和“簡潔的-複雜的”這6 組影響機床的權重較大的感性詞，通過判斷矩陣對（duì）造型因素（sù）進行分析得出各造型因素（sù）的權重值，其中關鍵造型因素為大防護罩（zhào）體、數控麵板、觀察窗和料門（mén），研究（jiū）結果（guǒ）對機床（chuáng）外防護設計時的感性把握和關鍵造型因素的確定有一定的參考價值．通過SD 問（wèn）卷調查和正交試驗（yàn）法得到了典型感性詞與造型因素關係（xì）表，由關係表可得到感（gǎn）性詞對應各造型因素影響程度關係及（jí）選擇類型，可用於指導實際方案設計．通過對YK5115 型數控插（chā）齒機進行（háng）外防護造型設計，采用（yòng）層次分析評價法對方案進（jìn）行評價，驗證了本文研究成果，此（cǐ）過程對設計方案的決（jué）策有一定的參考（kǎo）價值（zhí）．

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