李小彤，胡昌格

（天津工業(yè)大學，天津 300387）

筒紗包裝生產(chǎn)線是一種專門對筒紗進行包裝的流水線作業(yè)設(shè)備，由配重機、驗紗機、裹膜機、碼垛機等組成。目前，多數(shù)企業(yè)在研發(fā)過程中僅聚焦于解決技術(shù)難點，卻忽視了筒紗包裝設(shè)備的造型設(shè)計，導致其存在造型不夠美觀、用戶體驗不佳等問題。此外，國內(nèi)學者對筒紗包裝生產(chǎn)線的研究主要停留在技術(shù)層面。例如，郭政良等[1]設(shè)計了一套筒紗自動整列系統(tǒng)，實現(xiàn)了筒紗的自動整列裝袋。劉國梁等[2]的PLC控制程序和人機交互界面設(shè)計，提升了用戶的操作體驗。然而，針對筒紗包裝生產(chǎn)線造型的創(chuàng)新設(shè)計研究較少，且較多依賴于設(shè)計師個人的設(shè)計經(jīng)驗，缺少高效的產(chǎn)品創(chuàng)新方法和工具的支持，導致方案設(shè)計不能很好地滿足用戶的多樣化需求。針對這一情況，業(yè)界引入了質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）理論，把用戶需求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的設(shè)計特征來定位造型設(shè)計矛盾，從而有效針對用戶需求進行產(chǎn)品要素設(shè)計。例如，唐琳等[3]綜合運用QFD 理論，得出了老年人產(chǎn)品造型意象。呂中意等[4]基于QFD 的增強需求模型，提升了復雜產(chǎn)品外觀設(shè)計的科學性。然而，上述方法僅能夠定位設(shè)計矛盾，卻無法有效解決造型設(shè)計中存在的問題。對此，蘇晨等[5]在QFD 理論基礎(chǔ)上引入了萃智理論（TRIZ），對瓦楞紙板生產(chǎn)線的舒適性、美觀性等方面提出了相應(yīng)的設(shè)計矛盾解決方案。針對TRIZ 理論中對通用工程參數(shù)與發(fā)明原理的選擇具有較大主觀性和復雜性的問題，曹國忠等[6]以產(chǎn)品造型設(shè)計為出發(fā)點將發(fā)明原理進行分類與歸納，有效提高了設(shè)計工作效率。以上案例證明，QFD-TRIZ 理論的集成應(yīng)用能夠科學地將用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計特征并有效解決矛盾問題，為筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計提供了一定的參考。針對筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計不足的問題，對QFD 與TRIZ 理論進行集成應(yīng)用，使設(shè)計師在滿足用戶需求的前提下精準發(fā)現(xiàn)并解決問題，可以減少概念設(shè)計與生產(chǎn)制造之間的障礙，并提升設(shè)備的美觀性和安全性。

1 QFD 與TRIZ 理論概述

QFD 理論是由日本質(zhì)量專家赤尾洋二提出的以用戶需求為設(shè)計驅(qū)動的產(chǎn)品開發(fā)方法，其核心技術(shù)是構(gòu)建質(zhì)量屋[7]。建立矩陣圖并從中分析需求與設(shè)計的特征、資源與技術(shù)的關(guān)系，從而將用戶需求準確、科學地轉(zhuǎn)化為工程措施，為商業(yè)需求、藝術(shù)造型設(shè)計、現(xiàn)代生產(chǎn)和制造理念搭建溝通的橋梁，在滿足用戶多樣化需求的同時為科學生產(chǎn)提供良好的基礎(chǔ)。

TRIZ 理論是由俄羅斯學者阿布里奇及其研究團隊基于技術(shù)發(fā)展演化規(guī)律創(chuàng)造出的一套理論，包括技術(shù)系統(tǒng)進化法則、40 條發(fā)明原理、矛盾矩陣表等問題解決方法。設(shè)計師首先需要將發(fā)現(xiàn)的問題轉(zhuǎn)化成TRIZ 標準問題，然后運用其豐富的工具庫來找到理想的解決方案[8]。與傳統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計方法相比，TRIZ理論在發(fā)明創(chuàng)造中整合了各領(lǐng)域的創(chuàng)新經(jīng)驗，具有堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和豐富的創(chuàng)新資源，打破了個體在知識上的局限性和思維上的慣性。

2 筒紗包裝生產(chǎn)線設(shè)備概述

筒紗包裝生產(chǎn)線主要包括輸送、分揀、打包、碼垛四大功能模塊，見圖1。在運行環(huán)境方面，筒紗的原材料多以棉花為主，因此在設(shè)備運行時空氣中會漂浮絲狀的微小棉絮，同時設(shè)備自身也會產(chǎn)生較大的噪音與震動。在設(shè)備操作方面，生產(chǎn)人員主要進行面板信息的查看、生產(chǎn)線的衛(wèi)生清潔、物料的堆放與運輸、設(shè)備故障處的維修等工作。

圖1 筒紗包裝生產(chǎn)線功能模塊Fig.1 Function module of cheese packaging machinery

該設(shè)備體量較大，其視覺中心主要聚焦在各功能模塊的外觀構(gòu)件上，因此對外觀構(gòu)件的造型特征進行優(yōu)化創(chuàng)新是筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計的關(guān)鍵。該設(shè)備的外觀構(gòu)件按照功能可分為殼體、顯示結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)。殼體包括設(shè)備外殼、底座、防護板、通風孔、維修門等；顯示結(jié)構(gòu)包括操作面板、警示燈、品牌標識等；連接結(jié)構(gòu)包括支撐件、鉸鏈、螺釘?shù)?。由于生產(chǎn)線的形式大致相同，殼體決定了占據(jù)主要視覺中心的設(shè)備形態(tài)[9]，所以下面主要從各功能模塊的殼體出發(fā)，對筒紗包裝生產(chǎn)線的造型進行設(shè)計及分析。

3 基于QFD-TRIZ 的筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計流程

基于QFD-TRIZ 的筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計流程，見圖2。

圖2 筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計流程Fig.2 Modeling design flow of cheese packaging machinery

3.1 收集樣本和用戶需求并進行權(quán)重計算

隨著市場結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，用戶對個性化、高品質(zhì)和智能化的要求越來越高[10]，因此了解同類相關(guān)產(chǎn)品和用戶的需求變化是造型設(shè)計的首要步驟。筆者通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研法來收集典型樣本，并分析當前設(shè)備造型設(shè)計現(xiàn)狀，隨后運用訪談法獲取用戶多樣化需求，結(jié)合層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[11]進行需求權(quán)重排序。AHP 方法要求保證判斷矩陣的數(shù)據(jù)在構(gòu)建過程中具有思維的一致性和相容性[12]，在判斷矩陣和權(quán)重確定后，需要進行一致性檢驗來保證判斷矩陣評分的可用性，其中判斷矩陣一致性指標為CI，其計算公式如下：

式（1）中n為判斷矩陣階數(shù)，當n>2 時，判斷矩陣的一致性指標與隨機一致性指標RI的比為隨機一致性比率CR，若CR<0.1，則認為該判斷矩陣的賦值具有滿意的一致性，其計算公式如下：

3.2 運用QFD 理論構(gòu)建質(zhì)量屋并定位設(shè)計矛盾

采用焦點小組法對用戶需求進行深入分析和探討，將用戶需求轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的設(shè)計特征后，建立“用戶需求-設(shè)計特征”“設(shè)計特征-設(shè)計特征”關(guān)系矩陣圖?！霸O(shè)計特征-設(shè)計特征”自相關(guān)矩陣中的相互作用關(guān)系分為3 種：正相關(guān)、不相關(guān)、負相關(guān)，分別用“+”“（空白）”“–”進行表示[13]。在進行筒紗包裝生產(chǎn)線設(shè)計時，需要著重解決呈現(xiàn)負相關(guān)的設(shè)計特征之間的矛盾關(guān)系。用戶需求與設(shè)計特征之間存在強、中、弱、不相關(guān)4 種關(guān)系，分別賦值為9、3、1、0，其表示方法與相關(guān)性分值見表1。

表1 “用戶需求-設(shè)計特征”相關(guān)性分值Tab.1 Correlation scores between user's-requirements and design

第j個設(shè)計特征總評分為Mj，其計算公式如下：

隨后結(jié)合設(shè)計特征相對權(quán)重排序與呈現(xiàn)負相關(guān)的設(shè)計特征之間的沖突區(qū)域，來確定需要解決的設(shè)計矛盾問題，并著重平衡與其他設(shè)計矛盾間的關(guān)系。

3.3 對設(shè)計矛盾進行分類并求解

使用TRIZ 理論解決設(shè)計矛盾時，首先需要用特定術(shù)語來定義矛盾，然后將該矛盾轉(zhuǎn)換成TRIZ 通用工程參數(shù)[14]。在產(chǎn)品外觀造型設(shè)計中涉及的通用工程參數(shù)共19 個，根據(jù)物理尺寸、功能結(jié)構(gòu)、使用感受3 個方面進行分類[6]，可以使設(shè)計師在造型設(shè)計時能夠快速定位設(shè)計矛盾所關(guān)聯(lián)的工程特性。通用工程參數(shù)分類見表2。

對設(shè)計矛盾進行分類后，再對照發(fā)明原理使用頻率表[6]，對頻率由高到低的發(fā)明原理進行試用，直至確定出最優(yōu)解決方案。發(fā)明原理使用頻率見表3。

表3 發(fā)明原理使用頻率Tab.3 Application frequency of invention principle

4 基于QFD-TRIZ 理論的筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計實例

4.1 收集同類產(chǎn)品樣本并進行形態(tài)分析

產(chǎn)品的用戶需求可劃分為基本需求、期望需求及特殊需求[15]，深入剖析同類相關(guān)產(chǎn)品的典型樣本，有助于挖掘和明確用戶多樣化需求。筆者通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研收集并篩選出5 個典型樣本，對樣本中的輸送機、稱重機、驗紗機、紗庫、裹膜機進行矢量化處理，匯總得到樣本矢量表，見表4。從中可知，筒紗包裝生產(chǎn)線各功能模塊的體量及殼體輪廓大致相同，局部造型設(shè)計特征相對靈活。通過形態(tài)分析，可將筒紗包裝生產(chǎn)線的殼體設(shè)計風格歸納為硬朗型和圓潤型2 種，其中硬朗型又可分為斜角型和長直型。

表4 樣本矢量表Tab.4 Sample vector table

4.2 基于訪談法收集用戶需求并進行權(quán)重計算

中大型機械裝備的競爭影響因素主要來自研發(fā)人員、操作人員與維修人員的感受與評價[16]。在設(shè)計調(diào)研階段，筆者對某企業(yè)筒紗包裝生產(chǎn)線的操作人員與研發(fā)人員進行訪談后發(fā)現(xiàn)，當前該設(shè)備主要存在以下幾點問題：設(shè)備部分機械結(jié)構(gòu)和骨架裸露，存在一定的安全隱患；設(shè)備外觀較為簡陋、粗糙，缺少設(shè)計美感；設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生噪音和棉絮，對操作人員有一定危害；設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，清潔、維修困難。

明確基本問題后，由1 名設(shè)備研發(fā)工程師和5 名經(jīng)驗豐富的工業(yè)設(shè)計師組成專家小組，結(jié)合典型樣本造型設(shè)計現(xiàn)狀，對該企業(yè)筒紗包裝生產(chǎn)線殼體的設(shè)計需求進行深入探討，從而獲得用戶需求層次模型。隨后邀請上述相同專家組成員，對用戶需求各層級的判斷矩陣進行一致性判斷并記錄評分結(jié)果[17]。為降低不同元素之間比較的困難性，采用相對尺度[18]即1—9級比較標準進行判斷，獲得評分后利用方根法計算需求權(quán)重值，并根據(jù)式（1）和式（2）對其進行一致性檢驗。計算結(jié)果表明，各層級判斷矩陣的CR 值皆小于0.1，因此可確定判斷矩陣的賦值具有滿意的一致性，用戶需求層次模型及權(quán)重值見表5。

表5 用戶需求層次模型及權(quán)重值Tab.5 Hierarchical model of user requirements and weight value

4.3 構(gòu)建筒紗包裝生產(chǎn)線質(zhì)量屋

邀請上述專家組將二級需求轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的設(shè)計特征后作出一致性判斷，得到設(shè)計特征與用戶需求的相關(guān)性關(guān)系與分值，根據(jù)式（3）計算各項設(shè)計特征總評分并進行排序，最終構(gòu)建出筒紗包裝生產(chǎn)線質(zhì)量屋，見圖3。評分結(jié)果的前3 項是設(shè)計中需要重點滿足的設(shè)計特征，分別是設(shè)備安全性、外觀形態(tài)、加工難度。根據(jù)質(zhì)量屋中設(shè)計特征之間自相關(guān)矩陣關(guān)系，確定共有3 對設(shè)計矛盾：安全性與可維修性、美觀性與通風面積、外觀形態(tài)與加工難度。

圖3 筒紗包裝生產(chǎn)線質(zhì)量屋Fig.3 HOQ of cheese packaging machinery

4.4 運用TRIZ 理論對矛盾問題求解

對安全性與可維修性、美觀性與通風面積、外觀形態(tài)與加工難度之間的設(shè)計矛盾進行深入分析并完成分類工作。隨后對照發(fā)明原理頻率表進行篩選，最終采用1 號與10 號，1 號、4 號與10 號，1 號與35號最優(yōu)發(fā)明原理進行方案設(shè)計。設(shè)計矛盾類型與最優(yōu)發(fā)明原理見表6。擬選用的最優(yōu)發(fā)明原理內(nèi)容見表7。

表6 設(shè)計矛盾類型與最優(yōu)發(fā)明原理Tab.6 Types of design contradiction and principles of invention

表7 擬選用的最優(yōu)發(fā)明原理內(nèi)容Tab.7 Content of the principle of optimal invention

4.4.1 解決安全性與可維修性之間的設(shè)計矛盾

筒紗包裝生產(chǎn)線殼體可以對內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)進行有效保護，也可以為操作人員提供安全保障。安全性能越好，意味著殼體的強度及穩(wěn)定性越高，殼體可拆卸零件數(shù)量越少，其可維修性就越差。通過對照通用工程參數(shù)分類表，可判斷出設(shè)備殼體外觀造型與功能結(jié)構(gòu)、使用感受之間產(chǎn)生了設(shè)計矛盾?；诎l(fā)明原理頻率表，可以確定1 號分割原理與10 號預操作原理具有較大的應(yīng)用價值。具體解決方案如下：首先，運用1 號發(fā)明原理對筒紗包裝生產(chǎn)線殼體進行合理分割，對殼體中安全性要求較高的關(guān)鍵部位加強防護，如增加防護板或減震板，針對安全性需求較低的位置可設(shè)計維修口和觀察口；其次，運用10 號發(fā)明原理，在設(shè)備上預留較大的維修空間，以提升維修人員的安全感和操作效率。改進后的分割與防護設(shè)計方案見圖4。

圖4 改進后的分割與防護設(shè)計方案Fig.4 Improved segmentation and protection scheme

4.4.2 解決美觀性與通風面積之間的設(shè)計矛盾

筒紗包裝生產(chǎn)線的良好通風能夠保證設(shè)備及時散熱，有利于延長零部件的使用壽命。通風性能的影響因素包括通風孔的位置和大小，同時其造型特征也直接影響著設(shè)備的美觀性。通過對照通用工程參數(shù)分類表，可判斷出設(shè)備外觀造型與物理尺寸、功能結(jié)構(gòu)、使用感受之間產(chǎn)生了設(shè)計矛盾?；诎l(fā)明原理頻率表，可以確定1 號分割原理、4 號非對稱原理與10號預操作原理具有較大的應(yīng)用價值。通風口設(shè)計方案見圖5，具體如下：首先，運用1 號發(fā)明原理，采用分割的方法明確通風孔的功能區(qū)域；其次，運用4 號發(fā)明原理，采用非對稱結(jié)構(gòu)對通風口進行造型設(shè)計，在加強結(jié)構(gòu)強度的同時提升藝術(shù)價值與美觀性，見圖5a；最后，運用10 號發(fā)明原理，在設(shè)備上預留結(jié)構(gòu)件以達到過濾棉絮的目的，見圖5b。

圖5 通風口設(shè)計方案Fig.5 Design scheme of vent modeling

4.4.3 解決外觀形態(tài)與加工難度之間的設(shè)計矛盾

筒紗包裝生產(chǎn)線從造型設(shè)計到落地使用主要包括設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、原材料等成本，造型設(shè)計直接影響著生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本能耗，其中形態(tài)要素的影響尤為重要，然而設(shè)備殼體的形態(tài)越復雜，其可制造難度就越大。通過對照通用工程參數(shù)分類表，可判斷出殼體外觀造型與物理尺寸、使用感受之間產(chǎn)生了設(shè)計矛盾?；诎l(fā)明原理頻率表，可以確定1 號分割原理與35 號性狀變化原理具有較大的應(yīng)用價值。具體解決方案如下：首先，運用1 號發(fā)明原理對筒紗包裝生產(chǎn)線殼體進行分割，通過分離零部件來降低生產(chǎn)加工難度；其次，運用35 號發(fā)明原理對筒紗包裝生產(chǎn)線殼體的材質(zhì)和色彩進行優(yōu)化，統(tǒng)一相同功能區(qū)域的色彩和材質(zhì)，可以在降低工藝難度的同時提升企業(yè)形象和品牌辨識度。相同功能區(qū)域的造型設(shè)計方案見圖6。

圖6 相同功能區(qū)域的造型設(shè)計方案Fig.6 Modeling design scheme of same functional areas

5 最終造型設(shè)計方案

根據(jù)上述分析，最終的筒紗包裝生產(chǎn)線設(shè)計方案見圖7。筒紗包裝生產(chǎn)線的殼體主要由鈑金加工而成，硬朗的形態(tài)風格能夠有效降低加工難度，因此確定采用直線作為主要形態(tài)元素，方正的整體造型既便于生產(chǎn)制造，又能夠體現(xiàn)出大型機械設(shè)備的穩(wěn)重感和秩序感。在色彩方面，采用淺灰色（PANTONE 420）、深灰色（PANTONE 445）作為主色，采用綠色（PANTONE 368）的裝飾條作為點綴圖案。淺灰色體現(xiàn)了現(xiàn)代感和潔凈感，深灰色加強了機械設(shè)備的體量感和穩(wěn)定感，綠色能夠在增添整體造型活潑感的同時減少操作人員的視覺疲勞感。

圖7 筒紗包裝生產(chǎn)線設(shè)計方案Fig.7 Design scheme of cheese packaging machinery

以下為筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計創(chuàng)新點：

1）運用1 號分割發(fā)明原理。對鈑金殼體進行分割設(shè)計，使維修口、觀察口、門柜、通風口等操作區(qū)成為半獨立結(jié)構(gòu)，利用統(tǒng)一、有序的鈑金加工手段能夠有效降低制造成本。將原來單獨分離的操作面板經(jīng)過鈑金分割后，嵌入并整合到分揀設(shè)備中成為獨立的子系統(tǒng)，以顯著地擴大觀察與操作空間。減少分揀設(shè)備殼體的分割特征，提升其結(jié)構(gòu)強度和防護性能，將輸送模塊殼體設(shè)計成半包裹形式，對外露結(jié)構(gòu)起到防護作用的同時也有助于清潔和通風。

2）運用4 號非對稱發(fā)明原理。設(shè)備功能的多樣性和結(jié)構(gòu)的復雜性要求對筒紗包裝生產(chǎn)線的外觀造型進行系統(tǒng)設(shè)計，使設(shè)備具有簡潔感和統(tǒng)一感，因此運用非對稱發(fā)明原理，對設(shè)備把手、觀察窗、維修口、防護板等結(jié)構(gòu)進行非對稱設(shè)計，從而與通風口非對稱造型保持一致。

3）運用10 號預操作發(fā)明原理。分揀模塊是筒紗包裝生產(chǎn)線的核心功能區(qū)，也是易產(chǎn)生噪音、棉絮等危害的區(qū)域，因此對設(shè)備中易產(chǎn)生噪音的電機部位利用隔音材料進行包裹，在通風口處預留防塵或棉絮過濾網(wǎng)，能夠減少機器正常運行時的噪音、粉塵、棉絮，從而提升作業(yè)環(huán)境質(zhì)量并降低對操作人員的傷害。

4）運用35 號性狀變化發(fā)明原理。對設(shè)備型號、企業(yè)標志進行色彩的優(yōu)化設(shè)計，以突出符號元素的視覺效果。對同種功能區(qū)域采用相同色彩和材質(zhì)，以增強整體感和秩序感，同時采用主輔有序的色彩層次對功能區(qū)進行劃分，從而提升筒紗包裝生產(chǎn)線的整體性和層次感。

6 結(jié)語

文中提出了基于QFD-TRIZ 理論的筒紗包裝生產(chǎn)線造型設(shè)計方法，通過案例深入分析驗證了設(shè)計流程的有效性。首先通過收集同類產(chǎn)品樣本進行形態(tài)分析，并采用訪談法與焦點小組法建立了需求層次模型。然后運用QFD 理論將用戶需求轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的設(shè)計特征，獲得了重要度排序，并定位了主要設(shè)計矛盾。最后應(yīng)用TRIZ 理論中的通用工程參數(shù)分類表獲取了設(shè)計矛盾類型，結(jié)合發(fā)明原理使用頻率篩選出了矛盾問題的最優(yōu)解，最終確定了優(yōu)化設(shè)計方案。

研究證明，基于QFD-TRIZ 理論對筒紗包裝生產(chǎn)線進行造型設(shè)計，能夠幫助設(shè)計師在分析用戶需求時運用定量化方法獲得重要度較高的用戶需求與設(shè)計特征，為造型設(shè)計提供了更為精準的設(shè)計方向，同時TRIZ 理論中豐富的工具資源也是對QFD 理論中以顧客需求為驅(qū)動方法的重要補充和拓展。該方法不僅能夠解決設(shè)計師在設(shè)計前端階段進行選擇和決策時的經(jīng)驗依賴性問題，使方案設(shè)計結(jié)果更加客觀、理性，而且能幫助設(shè)計師在設(shè)計研發(fā)階段減小篩選造型設(shè)計矛盾解決方法的范圍，有效縮短設(shè)計工作周期，并減少概念設(shè)計與生產(chǎn)制造之間的障礙，為筒紗包裝生產(chǎn)線的造型設(shè)計提供新思路。然而，文中對QFD-TRIZ理論的集成應(yīng)用，未能考慮設(shè)計師在矛盾問題解決階段選擇最優(yōu)發(fā)明原理所具有的經(jīng)驗依賴性對造型設(shè)計的影響。因此，在今后的研究中，需要將最優(yōu)發(fā)明原理的科學選擇納入考慮范圍，從而對研究流程加以完善和改進。