基于SET-AHP-FBS 的液壓式壓合機(jī)設(shè)計(jì)

張學(xué)敏 周紅宇 張林涵

（湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，武漢 430068）

液壓式壓合機(jī)是一種將各種金屬以及非金屬材料加工成型的設(shè)備，廣泛用于汽車(chē)行業(yè)的零配件加工及各行業(yè)多種產(chǎn)品的定型、沖邊、校正等領(lǐng)域。一般用油為加壓介質(zhì)，采用飽和蒸氣、熱水、電做加熱介質(zhì)。對(duì)于液壓式壓合機(jī)的研究多聚焦在工程設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，缺乏系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)研究[1-3]?，F(xiàn)在液壓式壓合機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程受多種主觀因素的影響，設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣且復(fù)雜，多由工程師主導(dǎo)，缺乏用戶的參與以及對(duì)于用戶需求的研究，需要結(jié)合新的需求信息進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與分析。

1 液壓式壓合機(jī)概述

液壓式壓合機(jī)是“功能主導(dǎo)”為設(shè)計(jì)原則的典型產(chǎn)品，主要由機(jī)械系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，可以細(xì)分至液壓缸、立柱、數(shù)控面板、油箱、高壓泵、內(nèi)置液壓站等具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。在高溫高壓條件下工作，對(duì)板坯加熱、加壓，使其膠合成型。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循“形式追隨功能”的原則，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)性分析。文中所設(shè)計(jì)的液壓式壓合機(jī)的功能樣機(jī)，如圖1 所示。

圖1 液壓式壓合機(jī)功能樣機(jī)

2 基于SET-AHP-FBS 的液壓式壓合機(jī)設(shè)計(jì)流程

液壓式壓合機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其過(guò)程受多因素影響。楊勤等基于SET 分析法，分析家庭智能蔬菜種植箱的設(shè)計(jì)產(chǎn)品機(jī)會(huì)缺口，結(jié)合TRIZ 理論輸出了設(shè)計(jì)方案[4]；石元伍等利用感性工學(xué)方法，以SET 因素為約束，完成城市管理無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方案[5]；周紅宇等集成了AHP-FAST-FBS 的設(shè)計(jì)策略，以用戶需求入手，完成了遙控式抹光機(jī)設(shè)計(jì)[6]；傅雷等利用AHP 分析用戶需求權(quán)重，結(jié)合QFD 與TRIZ 完成了模塊化書(shū)柜設(shè)計(jì)[7]；王時(shí)群等使用層次分析法對(duì)用戶需求進(jìn)行定性與定向分析，以TOPSIS 對(duì)三家醫(yī)院的自助掛號(hào)機(jī)的可用性程度進(jìn)行排序[8]。層次分析法可以對(duì)用戶需求權(quán)重進(jìn)行排序，降低設(shè)計(jì)過(guò)程中主觀因素的影響，F(xiàn)BS 可以將設(shè)計(jì)需求映射為具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)[9-11]。因此，文章構(gòu)建了基于SET-AHP-FBS 的設(shè)計(jì)策略，從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)技術(shù)三個(gè)角度展開(kāi)設(shè)計(jì)分析，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)缺口，從中獲取隱藏的設(shè)計(jì)需求以及未來(lái)設(shè)計(jì)研究方向；利用AHP 分析設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所涉及的用戶需求，經(jīng)過(guò)定性與定量分析后，并對(duì)用戶需求的重要度進(jìn)行排序，避免設(shè)計(jì)過(guò)程中決策者、設(shè)計(jì)師和其他主觀因素的影響；借助FBS 展開(kāi)“功能——行為——結(jié)構(gòu)”映射，將模糊的用戶需求映射逐級(jí)映射為壓合機(jī)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)涉及領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)輸出液壓式壓合機(jī)方案設(shè)計(jì)方案。通過(guò)李克特量表對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效性驗(yàn)證，提升設(shè)計(jì)的合理性，以此得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 液壓式壓合機(jī)設(shè)計(jì)流程

3 液壓式壓合機(jī)設(shè)計(jì)求解

3.1 SET 分析與求解

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)研方式無(wú)法及時(shí)適應(yīng)環(huán)境的變化，而SET 分析法可以從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與科技三個(gè)角度，宏觀地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)因素進(jìn)行綜合分析，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)缺口，滿足環(huán)境變化的需要。

液壓式壓合機(jī)屬于特種裝備范疇，相關(guān)從業(yè)人員較少，調(diào)研就有一定的困難性。因此，文章首先進(jìn)行桌面研究，調(diào)研設(shè)備存在的一些問(wèn)題。其次，根據(jù)桌面調(diào)研情況，依靠實(shí)地訪談法、觀察法等方式進(jìn)行用戶研究，并制作調(diào)查問(wèn)卷。共選取60 個(gè)用戶樣本發(fā)放問(wèn)卷，其中包括產(chǎn)業(yè)工人42 名、工業(yè)設(shè)計(jì)師10名、企業(yè)管理者8 名。去除掉無(wú)用以及重復(fù)問(wèn)卷5 份，累計(jì)收到有效問(wèn)卷55份，樣本合格率為91.67%。最后，對(duì)調(diào)研問(wèn)卷進(jìn)行研究，展開(kāi)SET 分析，SET 因素占比比重如表1 所示，具體因素分析如表2 所示。由表1 可知，相關(guān)調(diào)研人群對(duì)于液壓式壓合機(jī)設(shè)備的關(guān)注因素在于經(jīng)濟(jì)因素與技術(shù)因素。

表1 液壓式壓合機(jī)SET 因素占比

表2 液壓式壓合機(jī)SET 因素分析表

3.2 基于AHP 的用戶需求分解與求解

3.2.1 液壓式壓合機(jī)層次模型構(gòu)建

由于僅用SET 分析法難以直觀地獲取用戶需求重點(diǎn)，文章借助層次分析法對(duì)用戶需求進(jìn)行求解與分析。為保證用戶需求定位的準(zhǔn)確性，對(duì)用戶需求進(jìn)行整理，刪除掉多余描述的用戶需求，把原始的用戶需求中的描述性語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為功能性語(yǔ)言。

利用AHP 進(jìn)行問(wèn)題分析與決策時(shí)，需要將液壓式壓合機(jī)所涉及到的用戶需求盡可能的系統(tǒng)化，從而構(gòu)建層次分析模型。文中以SET 因素作為約束，從經(jīng)濟(jì)因素、人機(jī)準(zhǔn)則、功能需求以及美學(xué)準(zhǔn)則構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)分析模型，如圖3 所示。

圖3 液壓式壓合機(jī)層次結(jié)構(gòu)分析模型

從因素層中一共梳理出16 種影響液壓式壓合機(jī)的用戶需求要素，對(duì)這16 種因素進(jìn)行評(píng)價(jià)判斷16種用戶需求要素對(duì)于設(shè)計(jì)方案的影響。該模型主要由三層組成，分別為：目標(biāo)層，即液壓式壓合機(jī)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案M；準(zhǔn)則層：經(jīng)濟(jì)因素M1、人機(jī)準(zhǔn)則M2、功能需求M3以及美學(xué)準(zhǔn)則M4；因素層：故障率低M11、價(jià)格合理M12、利用率高M(jìn)13、容易維修M14、利潤(rùn)率高M(jìn)15、功能分區(qū)合理M21、安全性高M(jìn)22、尺寸合理M23、操作簡(jiǎn)單M24、設(shè)備降噪M31、減少污染M32、設(shè)備散熱M33、安全警示M34、造型美觀M41、材料安全耐用M42、色彩搭配合理M43。其中目標(biāo)層為最終要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因素層為整合后的用戶需求。

3.2.2 液壓式壓合機(jī)用戶需求分析與解讀

選取之前調(diào)研的60 名目標(biāo)用戶，采用1——9 標(biāo)度法對(duì)目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及因素層中的各設(shè)計(jì)要素進(jìn)行多輪打分，構(gòu)造出各設(shè)計(jì)要素的層次評(píng)價(jià)矩陣[12]。各要素的層次評(píng)價(jià)矩陣如表3——7 所示。文中采取算數(shù)平均法進(jìn)行各設(shè)計(jì)因素的權(quán)重計(jì)算[13-15]，具體如下：

表3 準(zhǔn)則層判斷矩陣及權(quán)重

表4 經(jīng)濟(jì)因素判斷矩陣及權(quán)重

表5 人機(jī)準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

表6 功能準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

表7 美學(xué)準(zhǔn)則判斷矩陣及權(quán)重

將矩陣中各數(shù)據(jù)進(jìn)行列歸一化處理，即求

將歸一化的數(shù)值列相加，除以矩陣結(jié)束n，得到權(quán)重向量Wi。

根據(jù)公式CI=、CR=對(duì)各設(shè)計(jì)矩陣一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，CR值見(jiàn)表9 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表，經(jīng)過(guò)計(jì)算后可知矩陣M、M1、M2、M3、M4的CR值分別為0.090、0.094、0.033、0.083、0.052，均小于0.1，因此所有設(shè)計(jì)矩陣均通過(guò)一致性檢驗(yàn)。對(duì)矩陣中的數(shù)值進(jìn)行排序，形成如表8 所示的總體目標(biāo)權(quán)重排序表。

表8 總體目標(biāo)權(quán)重排序表

3.3 基于FBS 的設(shè)計(jì)分析與求解

由表8 所示，可以直觀地了解到用戶需求的重要程度。文章選取排序前10 的用戶需求作為功能設(shè)計(jì)需求，根據(jù)需求權(quán)重，分別為：容易維修M14、安全警示M34、利潤(rùn)率高M(jìn)15、設(shè)備散熱M33、利用率高M(jìn)13、安全性高M(jìn)22、造型美觀M41、故障率低M11、設(shè)備降噪M31、操作簡(jiǎn)單M24。將設(shè)計(jì)需求映射至FBS的“功能——行為——結(jié)構(gòu)”模型中，分別記作F1——F10。如圖4 所示。

圖4 液壓式壓合機(jī)的“功能——行為——結(jié)構(gòu)”關(guān)系

針對(duì)于功能設(shè)計(jì)需求選擇相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)行為，并映射至液壓式壓合機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上。本次設(shè)計(jì)研究選擇拆裝的手段達(dá)到容易維修的目的，其相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為檢修板與檢修孔；警示燈和報(bào)警器通過(guò)安全提醒和故障報(bào)警的方式實(shí)現(xiàn)安全警示功能；設(shè)備散熱可映射為主動(dòng)與被動(dòng)散熱，通過(guò)散熱扇來(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)散熱，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口實(shí)現(xiàn)主動(dòng)散熱，散熱柵來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱；利用率高通過(guò)移動(dòng)方便實(shí)現(xiàn)，映射為提手和輪子，安全性分為急停與保護(hù)，映射為電源、急停按鈕以及防護(hù)罩；造型美觀映射為符合企業(yè)形象與體現(xiàn)企業(yè)文化，相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)備機(jī)體外殼；故障檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)故障檢測(cè)和故障反饋達(dá)到故障率低的功能；設(shè)備降噪分為主動(dòng)、被動(dòng)降噪，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為隔音棉與降噪器；操作簡(jiǎn)單映射為符合人機(jī)工程并且具有功能分區(qū)的操作面板。

4 液壓式壓合機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

基于SET-AHP-FBS 設(shè)計(jì)策略，對(duì)液壓式壓合機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與輸出。為了匹配準(zhǔn)則成的用戶需求，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)備整體采用金屬鈑金材料，優(yōu)點(diǎn)在于金屬鈑金材料容易加工成型、易拆裝、材料安全，同樣可以減少企業(yè)開(kāi)發(fā)成本。整體造型采用幾何外觀的形式便于工廠對(duì)多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)“組合工序”組合使用。針對(duì)原本雜亂的功能布局以及人機(jī)操作邏輯進(jìn)行了重新定義，將功能顯示區(qū)設(shè)計(jì)在右手方，將預(yù)設(shè)值功能集成在預(yù)設(shè)功能面板中，在設(shè)備正常工作的同時(shí)，預(yù)設(shè)面板可折疊收納而非外露，整體的功能區(qū)域放在了設(shè)備的右上方，可適應(yīng)于大多數(shù)人的右手操作邏輯。優(yōu)化外觀造型與品牌衍生的配色方案塑造全新的品牌ID。液壓式壓合機(jī)設(shè)計(jì)方案如圖5 所示。

圖5 液壓式壓合機(jī)設(shè)計(jì)方案

4.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

文章以5 階Linker 度量表進(jìn)行設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證，首先設(shè)置專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)等級(jí)與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：E={E1，E2，E3，E4，E5}={很滿意、滿意、一般、較差、非常差}，計(jì)算分值設(shè)定為1，2，3，4，5 分，5 分代表非常滿意，1 分代表非常差。選取最初用戶調(diào)研的60 名用戶樣本，依據(jù)圖3 液壓式壓合機(jī)層次結(jié)構(gòu)分析模型中因素層的各個(gè)需求指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)計(jì)算后該設(shè)計(jì)方案的平均得分為4.52 分，處于很滿意與非常滿意之間，代表用戶對(duì)該設(shè)計(jì)方案表示認(rèn)可。

5 結(jié)論

文章為解決現(xiàn)有液壓式壓合機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程過(guò)程繁瑣，且創(chuàng)新性不足的問(wèn)題，提出了基于SET-AHP-FBS 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)策略。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期階段引入社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品機(jī)會(huì)缺口，并將各因素作為設(shè)計(jì)約束。通過(guò)層次分析法從經(jīng)濟(jì)因素、人機(jī)準(zhǔn)則、功能需求、美學(xué)準(zhǔn)則四個(gè)角度建立層次機(jī)構(gòu)模型，解耦產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的用戶需求，降低設(shè)計(jì)師主觀因素對(duì)于最終設(shè)計(jì)方案的影響，并借助“功能——行為——結(jié)構(gòu)”模型將用戶需求映射為具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了液壓式壓合機(jī)方案設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)策略可以有效地簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，幫助企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。同時(shí)，及時(shí)吸取專(zhuān)家和市場(chǎng)的反饋意見(jiàn)，將產(chǎn)品的裝配工藝、技術(shù)實(shí)現(xiàn)以及如何有限延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用周期作為接下來(lái)的研究重點(diǎn)任務(wù)。