楊寧　陳永超　張陽(yáng)

摘要：本文旨在提出一套梳棉機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，以提升梳棉機(jī)外觀設(shè)計(jì)的品質(zhì)?；诘葏⒃隽糠绞剑芍鲃?chuàng)作面驅(qū)動(dòng)，采用參數(shù)化方法得到多組優(yōu)化方案，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)，得出每個(gè)方案的評(píng)價(jià)分值，實(shí)現(xiàn)多方案擇優(yōu)。結(jié)果得出九套梳棉機(jī)線型設(shè)計(jì)方案，基于簡(jiǎn)潔、統(tǒng)一、穩(wěn)重、科技感四個(gè)語(yǔ)義評(píng)價(jià)變量，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。該方法適用于解決產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的參數(shù)化設(shè)計(jì)與多方案局部擇優(yōu)與決策的問(wèn)題。

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

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0159-02

紡織工業(yè)是中國(guó)最有潛力率先跨入世界制造強(qiáng)國(guó)行列的工業(yè)部門(mén)之一[1]。我國(guó)紡織裝備技術(shù)性能已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但外觀設(shè)計(jì)仍然簡(jiǎn)陋，使其產(chǎn)品附加值無(wú)法充分發(fā)揮，利潤(rùn)空間被壓縮。本文旨在關(guān)注梳棉機(jī)外觀造型并提出新的設(shè)計(jì)思路與方法。

參數(shù)化設(shè)計(jì)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[2]，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法因其系統(tǒng)可控性與可修改性，極大地提高了設(shè)計(jì)效率，也因結(jié)果的動(dòng)態(tài)性與多樣性為設(shè)計(jì)提供更多可能性。紡織機(jī)械設(shè)備因其外觀結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，線型結(jié)構(gòu)清晰，主次分明，易于采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以高效地獲得多套設(shè)計(jì)方案。層次分析法（AnalyticHierarchy Process，AHP）起源于20世紀(jì)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(duì)較復(fù)雜、模糊問(wèn)題做出決策的簡(jiǎn)單方法，適用于難以完全定量分析的評(píng)價(jià)與決策問(wèn)題[4、5、6]。因此，梳棉機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的后期評(píng)估過(guò)程中，用層次分析法可實(shí)現(xiàn)多方案擇優(yōu)。

1 梳棉機(jī)外觀設(shè)計(jì)的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)

梳棉機(jī)是對(duì)棉（纖維）卷或油棉（化纖）層進(jìn)行開(kāi)松和除雜工序的一類(lèi)紡織機(jī)械。目前，市面上的梳棉機(jī)外觀呈全包裹箱型結(jié)構(gòu)，部件劃分清晰，造型語(yǔ)言單純。因此適用于由主創(chuàng)作面驅(qū)動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過(guò)以下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)梳棉機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)元素所在的正交平面，通過(guò)對(duì)該面上的設(shè)計(jì)元素處理，構(gòu)建與其它創(chuàng)作面設(shè)計(jì)元素間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)，以完成整體設(shè)計(jì)方案。Ghun-Heng Ho等作者在研究曲率對(duì)移動(dòng)設(shè)備形象影響時(shí)，就將造型處理方式聚焦在移動(dòng)設(shè)備俯視圖角度[7]。參照該方法，本文選用梳棉機(jī)的側(cè)視面為主創(chuàng)作面（如圖1），主要設(shè)計(jì)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(jì)分析可得，在機(jī)身后部箱體功能區(qū)固定的前提下，通過(guò)改變前側(cè)箱體造型語(yǔ)言，即使機(jī)身整體變化，從而呈現(xiàn)多種線型設(shè)計(jì)方案。通過(guò)定義角度大小，能夠驅(qū)動(dòng)整體線型變化生成多個(gè)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)梳棉機(jī)線型造型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

由圖1可得，線條簡(jiǎn)化后的梳棉機(jī)前側(cè)結(jié)構(gòu)中，輪廓線CF為造型語(yǔ)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(jī)床整體的變化風(fēng)格。

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

觀察窗同樣是決定造型風(fēng)格的核心語(yǔ)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(jì)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(shí)，即可實(shí)現(xiàn)以∠B驅(qū)動(dòng)觀察窗造型弧線和開(kāi)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(shí)延長(zhǎng)AB至M。建立強(qiáng)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(shí)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(duì)面包機(jī)外觀形態(tài)即產(chǎn)品典型性的影響時(shí)，通過(guò)設(shè)定角度跨度的方法，顯著地突出了角度對(duì)典型性的效用[8]。因此，本文在對(duì)梳棉機(jī)造型參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，可參考該方法獲得多種方案。設(shè)定驅(qū)動(dòng)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(jì)九套梳棉機(jī)造型方案。示意圖如下（圖2）：

參數(shù)化得出的多個(gè)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(píng)估擇優(yōu)的問(wèn)題，下文通過(guò)層次分析法獲得最優(yōu)方案。

2 基于層次分析法的梳棉機(jī)外觀參數(shù)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

采用語(yǔ)義維度的層次分析法，能夠依照心理情感傾向，通過(guò)語(yǔ)義上的歸類(lèi)，很好地解決復(fù)雜形態(tài)產(chǎn)品的多種方案中的評(píng)價(jià)擇優(yōu)問(wèn)題[9]。因此，在對(duì)上述所得的九套梳棉機(jī)造型方案進(jìn)行的后期評(píng)估中，采用語(yǔ)義維度層次分析法。

課題組于2019年4月在北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，對(duì)30名與會(huì)人員進(jìn)行問(wèn)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(jī)械相關(guān)。初步得出每人三個(gè)共計(jì)90個(gè)梳棉機(jī)外觀評(píng)價(jià)語(yǔ)義詞。經(jīng)過(guò)同義合并簡(jiǎn)化后，對(duì)重復(fù)詞匯進(jìn)行頻率排布，得出如下五個(gè)高頻語(yǔ)義，即簡(jiǎn)潔（Conciseness）、統(tǒng)一（Unity）、穩(wěn)重（Steady）、科技感（High-tech）。上述語(yǔ)義變量也是在多個(gè)設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目中應(yīng)用的高頻語(yǔ)義[10]。組織從事工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)工齡3-5年的專(zhuān)業(yè)人員2名，工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)科研人員1名，紡織行業(yè)工作人員1名以及機(jī)床代理銷(xiāo)售人員1名共計(jì)5名行業(yè)專(zhuān)家構(gòu)成評(píng)議組，其中女性2人。對(duì)上述五個(gè)語(yǔ)義變量進(jìn)行比較，得出如下主觀重要性判斷矩陣（表1，其中α1為簡(jiǎn)潔，α2為統(tǒng)一，α3為穩(wěn)重，α4為科技感）。

由綜合語(yǔ)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(yàn)指標(biāo)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(guò)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(dòng)得到多組參數(shù)優(yōu)化方案，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行后期評(píng)估，可實(shí)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(duì)紡織機(jī)械的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，其在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)品質(zhì)的提升，增量過(guò)大或過(guò)小都可能降低設(shè)計(jì)品質(zhì)，這也說(shuō)明多設(shè)計(jì)方案必然存在一個(gè)最優(yōu)結(jié)果，因此設(shè)計(jì)創(chuàng)新應(yīng)在一定程度范圍內(nèi)進(jìn)行。本文還提供了有效而理性的后期評(píng)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(píng)價(jià)方法。

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