梳棉機外觀參數(shù)化設(shè)計與評價研究

楊寧　陳永超　張陽

摘要：本文旨在提出一套梳棉機參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化方案，以提升梳棉機外觀設(shè)計的品質(zhì)。基于等參增量方式，由主創(chuàng)作面驅(qū)動，采用參數(shù)化方法得到多組優(yōu)化方案，運用層次分析法進行設(shè)計方案評價，得出每個方案的評價分值，實現(xiàn)多方案擇優(yōu)。結(jié)果得出九套梳棉機線型設(shè)計方案，基于簡潔、統(tǒng)一、穩(wěn)重、科技感四個語義評價變量，得到最優(yōu)設(shè)計方案。該方法適用于解決產(chǎn)品研發(fā)過程中的參數(shù)化設(shè)計與多方案局部擇優(yōu)與決策的問題。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計;層次分析法;參數(shù)優(yōu)化;梳棉機

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0159-02

紡織工業(yè)是中國最有潛力率先跨入世界制造強國行列的工業(yè)部門之一[1]。我國紡織裝備技術(shù)性能已接近國際先進水平，但外觀設(shè)計仍然簡陋，使其產(chǎn)品附加值無法充分發(fā)揮，利潤空間被壓縮。本文旨在關(guān)注梳棉機外觀造型并提出新的設(shè)計思路與方法。

參數(shù)化設(shè)計現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[2]，參數(shù)化設(shè)計方法因其系統(tǒng)可控性與可修改性，極大地提高了設(shè)計效率，也因結(jié)果的動態(tài)性與多樣性為設(shè)計提供更多可能性。紡織機械設(shè)備因其外觀結(jié)構(gòu)相對簡單，線型結(jié)構(gòu)清晰，主次分明，易于采用參數(shù)驅(qū)動法來優(yōu)化設(shè)計，以高效地獲得多套設(shè)計方案。層次分析法（AnalyticHierarchy Process，AHP）起源于20世紀70年代中期，廣泛應(yīng)用于與決策相關(guān)的各領(lǐng)域[3]。此方法是可對較復(fù)雜、模糊問題做出決策的簡單方法，適用于難以完全定量分析的評價與決策問題[4、5、6]。因此，梳棉機參數(shù)化設(shè)計的后期評估過程中，用層次分析法可實現(xiàn)多方案擇優(yōu)。

1 梳棉機外觀設(shè)計的參數(shù)化實現(xiàn)

梳棉機是對棉（纖維）卷或油棉（化纖）層進行開松和除雜工序的一類紡織機械。目前，市面上的梳棉機外觀呈全包裹箱型結(jié)構(gòu)，部件劃分清晰，造型語言單純。因此適用于由主創(chuàng)作面驅(qū)動進行參數(shù)化設(shè)計。通過以下三個步驟實現(xiàn)梳棉機設(shè)計的參數(shù)化：主創(chuàng)作面的確定、參數(shù)關(guān)系的構(gòu)建、多方案的生成。

1.1 主創(chuàng)作面的確定

主創(chuàng)作面即大多數(shù)設(shè)計元素所在的正交平面，通過對該面上的設(shè)計元素處理，構(gòu)建與其它創(chuàng)作面設(shè)計元素間的關(guān)系，實現(xiàn)對整體設(shè)計的驅(qū)動，以完成整體設(shè)計方案。Ghun-Heng Ho等作者在研究曲率對移動設(shè)備形象影響時，就將造型處理方式聚焦在移動設(shè)備俯視圖角度[7]。參照該方法，本文選用梳棉機的側(cè)視面為主創(chuàng)作面（如圖1），主要設(shè)計元素包括線CF、輪廓線AB、曲線PC。

1.2 參數(shù)關(guān)系的構(gòu)建

由線型設(shè)計分析可得，在機身后部箱體功能區(qū)固定的前提下，通過改變前側(cè)箱體造型語言，即使機身整體變化，從而呈現(xiàn)多種線型設(shè)計方案。通過定義角度大小，能夠驅(qū)動整體線型變化生成多個設(shè)計方案，實現(xiàn)梳棉機線型造型的參數(shù)化設(shè)計。

由圖1可得，線條簡化后的梳棉機前側(cè)結(jié)構(gòu)中，輪廓線CF為造型語言核心之一，而∠C的角度大小則控制著線CF的傾斜度，也由此影響著造型方向，從而決定了機床整體的變化風(fēng)格。

基于Creo軟件平臺構(gòu)建設(shè)計參數(shù)關(guān)系：線段GD、線段DE、線段GF、∠A、∠B、∠C為強約束，線段AG為弱約束（其它線段均無約束）。至此，當(dāng)更改∠C，則∠A，∠B均不發(fā)生變化;線段AB增長。

觀察窗同樣是決定造型風(fēng)格的核心語言之一，據(jù)形式美法則中“統(tǒng)一與變化”原則，在線型設(shè)計初始即定義側(cè)部觀察窗應(yīng)與前部輪廓線AB具有呼應(yīng)聯(lián)系，前部觀察窗與側(cè)部觀察窗輪廓線呼應(yīng)。而AB的傾斜變化可由∠B加以控制，因此將控制觀察窗底部造型的曲線PC與∠B建立約束時，即可實現(xiàn)以∠B驅(qū)動觀察窗造型弧線和開口面積的變化，也即整體造型風(fēng)格變化。

引入觀察窗初始矩形Z1、Z2、Z3，邊緣切割曲線PQ，同時延長AB至M。建立強約束關(guān)系如下：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6與AM的距離、l1、l2。至此，更改∠B，則曲線PQ位置發(fā)生變化，使得曲線PQ與矩形Z1、Z2、Z3所圍成的面積即觀察窗的面積產(chǎn)生變化。

1.3 多方案的生成

應(yīng)用等參增量的方法實現(xiàn)多方案的生成。Janneke Blijlevens等作者在研究倒圓角的角度大小對面包機外觀形態(tài)即產(chǎn)品典型性的影響時，通過設(shè)定角度跨度的方法，顯著地突出了角度對典型性的效用[8]。因此，本文在對梳棉機造型參數(shù)優(yōu)化過程中，可參考該方法獲得多種方案。設(shè)定驅(qū)動條件∠C角度跨度范圍10°，間隔角度5°，分別為95°、100°與105°;而∠B角度跨度范圍為4°，間隔角度2°，分別為15°、17°與19°。由此搭配組合生成共計九套梳棉機造型方案。示意圖如下（圖2）：

參數(shù)化得出的多個方案必有優(yōu)劣之分，這也就涉及到最優(yōu)方案選取即后期評估擇優(yōu)的問題，下文通過層次分析法獲得最優(yōu)方案。

2 基于層次分析法的梳棉機外觀參數(shù)化設(shè)計評價

采用語義維度的層次分析法，能夠依照心理情感傾向，通過語義上的歸類，很好地解決復(fù)雜形態(tài)產(chǎn)品的多種方案中的評價擇優(yōu)問題[9]。因此，在對上述所得的九套梳棉機造型方案進行的后期評估中，采用語義維度層次分析法。

課題組于2019年4月在北京國際機床展覽會上，對30名與會人員進行問卷調(diào)研，其年齡在30-45歲（其中女性13人），所從事工作均與紡織機械相關(guān)。初步得出每人三個共計90個梳棉機外觀評價語義詞。經(jīng)過同義合并簡化后，對重復(fù)詞匯進行頻率排布，得出如下五個高頻語義，即簡潔（Conciseness）、統(tǒng)一（Unity）、穩(wěn)重（Steady）、科技感（High-tech）。上述語義變量也是在多個設(shè)計研究項目中應(yīng)用的高頻語義[10]。組織從事工業(yè)設(shè)計行業(yè)工齡3-5年的專業(yè)人員2名，工業(yè)設(shè)計專業(yè)科研人員1名，紡織行業(yè)工作人員1名以及機床代理銷售人員1名共計5名行業(yè)專家構(gòu)成評議組，其中女性2人。對上述五個語義變量進行比較，得出如下主觀重要性判斷矩陣（表1，其中α1為簡潔，α2為統(tǒng)一，α3為穩(wěn)重，α4為科技感）。

由綜合語義分值矩陣、根據(jù)冪歸一化法得出權(quán)值向量（0.2468，0.5606，0.1077，0.0849），矩陣一致性檢驗指標C.R=0.0659，滿足C.R

其中得分最高的組為3.5834分，即組⑦∠C=105°，∠B=15°的方案為最優(yōu)方案，其渲染圖如圖3。

3 結(jié)論

通過等參增量方式，設(shè)定角度跨度區(qū)間，由主創(chuàng)作面驅(qū)動得到多組參數(shù)優(yōu)化方案，運用層次分析法進行后期評估，可實現(xiàn)在多方案中的局部擇優(yōu)，得出最優(yōu)方案。本文提供一種針對紡織機械的參數(shù)化設(shè)計方法，其在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)可實現(xiàn)設(shè)計品質(zhì)的提升，增量過大或過小都可能降低設(shè)計品質(zhì)，這也說明多設(shè)計方案必然存在一個最優(yōu)結(jié)果，因此設(shè)計創(chuàng)新應(yīng)在一定程度范圍內(nèi)進行。本文還提供了有效而理性的后期評估思路，但僅限于有限方案的局部擇優(yōu)。后續(xù)研究可繼續(xù)探索全局擇優(yōu)的評價方法。

參考文獻

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