胡 冰 ，謝云峰

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

制造業(yè)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化，以及產(chǎn)品的生命周期進(jìn)一步縮短、消費(fèi)者需求日益多樣化，改變了企業(yè)的競爭環(huán)境，因而可以滿足消費(fèi)者個性需求的小批量柔性生產(chǎn)模式得到迅速的發(fā)展。資料顯示，一些發(fā)達(dá)國家75%左右的產(chǎn)品都屬于中小批量生產(chǎn)類型。

目前對小批量生產(chǎn)的研究大多集中在其質(zhì)量、成本、工藝及產(chǎn)品線管理上，而對小批量產(chǎn)品造型的研究則非常缺乏。目前對小批量產(chǎn)品造型的研究只針對特定的產(chǎn)品，如張海雁[1]對糙木家具造型的研究，不具有對工業(yè)產(chǎn)品的普遍適用性。 本文對小批量工業(yè)產(chǎn)品造型的研究，可填補(bǔ)這方面的空白。

1 小批量生產(chǎn)存在的問題

1.1 小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)

小批量生產(chǎn)具有以下特點(diǎn)：1)產(chǎn)品為小批量設(shè)計、制造和銷售，有較大的靈活性和較小的風(fēng)險性；2)生產(chǎn)和工藝設(shè)備是一次性投入，產(chǎn)品不具有批量優(yōu)勢，均攤在每件產(chǎn)品上的設(shè)備和工藝成本較高[2]；3)因?yàn)椴煌萎a(chǎn)品的需求不同，設(shè)計和工藝方案也會有差異，使產(chǎn)品的設(shè)計周期長、生產(chǎn)效率低。

1.2 小批量產(chǎn)品的設(shè)計限制

小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了其產(chǎn)品造型設(shè)計會受到成本和工藝的限制。小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品單件成本較高，受限的成本會造成完全不同的材料選擇和加工方式，進(jìn)而形成完全不同的造型。

例如，塑料和鋼板是工業(yè)產(chǎn)品常用的材料，鋼板的成本低，強(qiáng)度高，造型限制性大；塑料的成本高，強(qiáng)度較低，造型自由。鈑金折彎工藝是小批量產(chǎn)品中常用的加工方法，一般用于加工具有簡單二維形狀如L形、U形、V形等產(chǎn)品。注塑工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品造型較自由，形狀和大小沒有限制，且尺寸公差比較精確，但由于需要制作專用模具，注塑加工的費(fèi)用較高，且大尺寸的模具對工藝水平的要求也很高。擠塑工藝操作簡單、加工質(zhì)量好、成本較低廉，一般用于制作條狀、管狀、片狀形態(tài)的塑料制品，具有特定截面形狀的小塑料件的制作可以采用該方法。

2 造型設(shè)計流程

解決小批量產(chǎn)品成本高、設(shè)計周期長、生產(chǎn)效率低的問題，規(guī)避成本和工藝的限制，需要從設(shè)計階段就加以考慮。本文以小批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品為研究對象，探索出一套可以解決上述問題的造型設(shè)計流程。

2.1 確定產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)計要素

運(yùn)用感性工學(xué)的方法，確定人們對產(chǎn)品的感性認(rèn)知影響較大的設(shè)計要素[3]，將其作為設(shè)計的重點(diǎn)。其步驟如下：

1)通過形態(tài)分析法，將產(chǎn)品分成若干個互相獨(dú)立的形態(tài)要素，可分為定量要素和定性要素，前者有數(shù)量的大小變化，后者有不同的表現(xiàn)形式。

2)從網(wǎng)絡(luò)、書刊等渠道搜集描述產(chǎn)品的詞匯，即產(chǎn)品的感性意象。去除意義相似的詞匯后，通過問卷調(diào)查選出票數(shù)最高的若干詞匯，并找出與之配對的反義詞匯。這幾組詞匯對構(gòu)成產(chǎn)品的感性意象空間。

3)盡量搜集多樣化的國內(nèi)外產(chǎn)品樣本，選取彼此間差異較大的樣本作為調(diào)研樣本。對調(diào)研樣本圖片進(jìn)行歸一化處理，去除顏色、背景、亮度等可能對調(diào)研結(jié)果造成影響的因素，選取相同的展示角度。

4)采用李克特量表制作感性意象調(diào)查問卷，調(diào)查人們對于樣本的感性意象的認(rèn)知強(qiáng)度。對包含使用者、設(shè)計者、行業(yè)專家在內(nèi)的受試者進(jìn)行問卷調(diào)查，整理有效的問卷結(jié)果，計算各個樣本的感性程度平均得分。

5)對產(chǎn)品樣本的形態(tài)要素取值和感性程度得分進(jìn)行回歸分析，其中感性程度得分為線性回歸的因變量，形態(tài)要素取值為自變量。運(yùn)用SPSS軟件，將自變量和因變量導(dǎo)入多元線性回歸分析模型中，可得到形態(tài)要素和感性意象的回歸關(guān)系。

2.2 產(chǎn)品造型設(shè)計

在得到回歸分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)形態(tài)設(shè)計要素對感性意象的影響程度大小，可以得到一些定性的設(shè)計建議。對感性意象影響程度較大的形態(tài)要素，是設(shè)計時要考慮的重點(diǎn)要素。

1)根據(jù)設(shè)計建議，對每個形態(tài)要素做若干個造型方案，并指明該方案所使用的材料和工藝。對感性意象影響大的設(shè)計要素，可以考慮采用較高成本的工藝、手段，如用注塑工藝使產(chǎn)品的造型豐富；對感性意象影響較小的設(shè)計要素，應(yīng)盡量采用鈑金、擠塑等成本較低的工藝、手段。

2)對不同設(shè)計要素組合所形成的不同的造型方案按估算成本進(jìn)行排列組合，篩去成本超標(biāo)的方案。

3)剩下的若干套設(shè)計方案，成本既在可控制范圍內(nèi)，彼此造型又有差異。

4)對不同客戶的個性化需求根據(jù)特定的要素進(jìn)行重新設(shè)計，其他設(shè)計要素可保持不變，重復(fù)2)、3)，此舉可以縮短設(shè)計周期。

2.3 產(chǎn)品造型方案評價

運(yùn)用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和模糊綜合評價相結(jié)合的產(chǎn)品評價方法，從美學(xué)、使用性、經(jīng)濟(jì)性3個方面對得到的造型設(shè)計方案進(jìn)行評價[4]，選擇最優(yōu)設(shè)計方案。

1)將美學(xué)、使用性、經(jīng)濟(jì)性3個評價原則分別展開進(jìn)行細(xì)化，如圖1所示。

圖1 評價指標(biāo)層次關(guān)系

2)運(yùn)用YAAHP軟件，創(chuàng)建模糊綜合評價評測表，生成包含各項(xiàng)評價指標(biāo)的調(diào)查問卷。邀請專家和設(shè)計人員對所有評價指標(biāo)進(jìn)行重要性評定，將評定結(jié)果導(dǎo)入YAAHP軟件中，得到各評價指標(biāo)的權(quán)重分配。

3)制作調(diào)查問卷，邀請專家和設(shè)計人員，依據(jù)各評價指標(biāo)對產(chǎn)品的造型設(shè)計方案進(jìn)行評價。評價分若干等級，分別對應(yīng)不同的分值，可得到造型設(shè)計方案對于評價等級的隸屬度矩陣。

4)將評價指標(biāo)的權(quán)重矩陣、設(shè)計方案的模糊評價矩陣、隸屬度矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，可得方案的綜合評分，分?jǐn)?shù)最高的方案即為最優(yōu)設(shè)計方案。

3 實(shí)例應(yīng)用

以醫(yī)用生物安全柜為例。生物安全柜是用于醫(yī)院靜脈滴注藥物配置的柜體，通過外部不斷補(bǔ)充潔凈空氣使柜內(nèi)保持正壓，從而保護(hù)藥品不受外界空氣的污染，同時保證醫(yī)護(hù)人員免受毒性藥物傷害。依據(jù)企業(yè)銷售數(shù)據(jù)，客戶每批次訂做的數(shù)量約在200臺，符合小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。生物安全柜外形和結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 生物安全柜外形

運(yùn)用形態(tài)分析法對生物安全柜進(jìn)行解構(gòu)，將其分為圖4所示的7個形態(tài)要素。依據(jù)具體樣本的形態(tài)差異，7個形態(tài)要素又細(xì)分為12個形態(tài)設(shè)計要素，見表1。

圖3 生物安全柜結(jié)構(gòu)

圖4 形態(tài)要素圖示

表1 生物安全柜的設(shè)計要素取值

通過問卷調(diào)查確定產(chǎn)品的感性意象，得票數(shù)排在前面的意象詞匯對為污濁的—潔凈的、危險的—安全的、落后的—先進(jìn)的、剛硬的—柔和的、壓抑的—輕松的、簡潔的—復(fù)雜的。

將搜集到的生物安全柜樣本依據(jù)形態(tài)差異性進(jìn)行分類篩選，得到13個彼此差異較大的生物安全柜樣本，樣本1的感性意象問卷調(diào)查結(jié)果見表2?；貧w分析結(jié)果見表3。

表2 樣本1感性意象調(diào)研結(jié)果

表3 線性回歸分析結(jié)果

線性回歸分析結(jié)果即標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，其值的大小代表該設(shè)計要素對感性意象的影響程度，正、負(fù)號代表增強(qiáng)或削弱產(chǎn)品的感性意象。從表3可以得出以下建議：1)增加產(chǎn)品安全感可以采用板式支架；2)增加產(chǎn)品柔和感可以采用弧面的控制面板及玻璃側(cè)板；3)增加產(chǎn)品輕松感可以采用弧面的控制面板，避免采用弧形的前罩；4)增加產(chǎn)品簡潔感要避免采用弧形的前罩。

至此，得到產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)計要素為支架形式、控制面板形狀、前罩形狀，這3個設(shè)計要素在進(jìn)行生物安全柜造型設(shè)計時需要予以重點(diǎn)考慮。

整理評價指標(biāo)問卷調(diào)查結(jié)果，得到評價指標(biāo)的權(quán)重如圖5所示。

圖5 評價指標(biāo)權(quán)重

生物安全柜的造型設(shè)計方案1如圖6所示。

圖6 生物安全柜造型設(shè)計

把對方案的評價分為5個等級，分別是很差、差、一般、好、很好，各評語的分值分別為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0，得到評語集V=(0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)T。方案1的評價結(jié)果見表4。

表4 設(shè)計方案1評價結(jié)果

用每個評價指標(biāo)所得的票數(shù)除以受測人數(shù)40，得到方案1評價結(jié)果的模糊評價矩陣:

設(shè)計指標(biāo)的權(quán)重矩陣W=(0.102 1，0.129 7，0.214 7，0.080 7， 0.052 6，0.025 5，0.029 0，0.211 6，0.093 1，0.061 0)，各評價指標(biāo)對評判集合的隸屬度向量B1=W×R1=(0.141，0.230，0.324，0.214，0.090)。綜合評分X1=B1×V=(0.141，0.230，0.324，0.214，0.090)×(0.2，0.4， 0.6，0.8，1.0)T=0.577。同理得到方案2綜合評分X2=0.563，方案3綜合評分X3=0.569，產(chǎn)品原造型的綜合評分X4=0.544。方案1綜合得分最高，為最優(yōu)設(shè)計方案。

方案1的控制面板采用注塑工藝，搭手采用擠塑工藝，其他部分采用鈑金工藝，此方案既規(guī)避了全部采用鈑金的冰冷感覺，又解決了全部采用注塑工藝的高成本和強(qiáng)度不足的問題。與原產(chǎn)品相比，方案1在美觀性和品質(zhì)感方面有較大的提升。依據(jù)模塊進(jìn)行個性化差異設(shè)計，縮短了為特定客戶重新設(shè)計方案的周期。實(shí)踐證明，本文提出的針對小批量生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品的造型設(shè)計方法是可用且有效的。

4 結(jié)束語

如今，個性化定制和小批量生產(chǎn)成為制造業(yè)的熱點(diǎn)話題。本文提出了一種基于感性工學(xué)和模糊層次分析的產(chǎn)品造型設(shè)計方法，通過回歸分析得到產(chǎn)品的設(shè)計建議和造型方案，對方案進(jìn)行成本驗(yàn)證，然后通過模糊層次評價法得到最優(yōu)的設(shè)計方案。該方法避免了因成本超標(biāo)而需要反復(fù)修改設(shè)計，達(dá)到控制成本、縮短生產(chǎn)周期的目的。按照此方法，進(jìn)行了生物安全柜的設(shè)計實(shí)踐，驗(yàn)證了本文的研究效果。本文對小批量生產(chǎn)方式的分析和造型設(shè)計流程的探索，對企業(yè)的設(shè)計過程優(yōu)化以及關(guān)于小批量產(chǎn)品造型設(shè)計的學(xué)術(shù)研究，都有一定的參考意義。