基于感性工學(xué)的機床外防護造型設(shè)計研究

賀 鵬，薛 強，薛偉國，劉建明，張 焱，樊 曦，程大偉

（1. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津百利機械裝備集團有限公司中央研究院，天津 300350）

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基于感性工學(xué)的機床外防護造型設(shè)計研究

賀 鵬1，薛 強1，薛偉國2，劉建明1，張 焱1，樊 曦1，程大偉1

（1. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津百利機械裝備集團有限公司中央研究院，天津 300350）

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］.數(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Fig.1　Visualization of Likert scale

表1　任意兩造型因素的重要性比值Tab.1　Importance ratio among the shape factors

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Tab.2　Weight of the shape factors

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（RI）為1.56［4］，據(jù)此可計算得到一致性指標（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Fig.2　Classification of typical factors for machine modelings

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Tab.3　Orthogonal experiment program

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Fig.3　Selected typical machine samples

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Tab.4　SD scale of the sample

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，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)致指標變化，極差越大說明該因子對于該指標影響越大.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Tab.5　Data table of factor analysis and range analysis

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Tab.6　Correspondence between style factors and emotional words

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?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Fig.4　The three schemes of YK5115

圖5　 評估層次模型Fig.5　The hierarchical model

圖6　 YK5115型數(shù)控插齒機外防護效果和實物圖Fig.6　The rendering and real figure of YK5115

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.

參考文獻：

［1］ 譚建榮，張樹有，徐敬華. 制造裝備創(chuàng)新設(shè)計的科學(xué)問題探討［J］. 機械工程導(dǎo)報，2014（5）：1-9.

［2］ Yamamoto K. Kansei Engineering：The Art of Automotive Development at Mazda［M］. Ann Arbor：The University of Michigan，1986：1-24.

［3］ Hartley J. Some thoughts on Likert-type scales［J］. International Journal of Clinical and Health Psychology，2014，14（1）：83-86.

［4］ 李洵，吳美云，周小建. 線性代數(shù)［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［5］ 占園. 正交試驗與AHP評價在健身車感性設(shè)計中的應(yīng)用研究［D］. 秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

［6］ Huang Y X，Chen C H，Li P K. Products classification in emotional design using a basic-emotion based semantic differential method［J］. International Journal of Industrial Ergonomics，2012，42（6）：569-580.

［7］ 王秀杰. 柳州汽車零部件產(chǎn)品的優(yōu)先發(fā)展序列研究：基于AHP的Yaahp軟件實現(xiàn)［J］. 廣西工學(xué)院學(xué)報，2008，19（1）：46-50.

責(zé)任編輯：常濤

Outer Shield’s Appearance Modeling Based on Kansei Engineering

HE Peng1，XUE Qiang1，XUE Weiguo2，LIU Jianming1，ZHANG Yan1，F(xiàn)AN Xi1，CHENG Dawei1

（1.Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and On-line Monitoring for the Light Industry and Food Engineering Machinery and Equipment，College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China；2.Tianjin BENEFO Machinery Equipment Group Co.，Ltd.Central Academe，Tianjin 300350，China）

Abstract：In order to meet people’s emotional needs for outer shield’s appearance modeling，representative emotional words were extracted by using mean analysis；the weights for each shape factor were compared by calculating judgment matrix；the relationship between the emotional needs and the outer shield’s appearance modeling was also proposed through semantic differential method and orthogonal experiment method.The study results can be used for the design of YK5115，and enhance the level of outer shield’s appearance modeling.The analytic hierarchy process was used to evaluate and determine the final design scheme.The actual production according to that final design scheme also verified the research results.

Key words：outer shield’s appearance modeling；kansei engineering；semantic differential method；orthogonal experiment method；analytical hierarchy process

中圖分類號：TB472

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6510（2016）02-0062-05

收稿日期：2015-07-16；修回日期：2015-10-02

作者簡介：賀 鵬（1988—），男，山西臨汾人，碩士研究生；通信作者：薛 強，教授，qxue@tust.edu.cn.

DOI:10.13364/j.issn.1672-6510.20150094