杜文武，潘建偉

(安徽工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

數(shù)控機床是一個國家制造業(yè)的基石，《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中，高檔數(shù)控機床被列為十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一[1]。目前，數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)競爭激烈，產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象較為嚴重，對數(shù)控機床的產(chǎn)品造型特征認知弱化的問題研究較為不足，在工業(yè)設(shè)計轉(zhuǎn)型形勢下，數(shù)控機床產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)新尤為重要。

因此，本文在數(shù)控機床的造型設(shè)計中融入用戶認知和造型意象，針對數(shù)控機床產(chǎn)品多維特征和造型認知方式進行細化分析，尋找數(shù)控機床造型意象設(shè)計要點，探究基于造型認知意象的數(shù)控機床產(chǎn)品多維特征的設(shè)計方法，以提升數(shù)控機床產(chǎn)品的用戶感性認知和品牌核心競爭力。本文以國產(chǎn)V-11型數(shù)控機床為例，進行基于造型認知意象的數(shù)控機床多維特征設(shè)計實踐，得出一套具體的數(shù)控機床設(shè)計方案。V-11型數(shù)控機床原產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 V-11型數(shù)控機床原產(chǎn)品

V-11型數(shù)控機床主要用于零件的精密加工，機身采用鑄件材料，確保產(chǎn)品的剛性和加工時的穩(wěn)定性；工作臺采用箱體結(jié)構(gòu)，四角使用斜拉筋，能較好地提高剛性、穩(wěn)定性及精度。但產(chǎn)品形象造型較為簡單傳統(tǒng)，缺乏一定的造型意象設(shè)計，產(chǎn)品造型的用戶認知較弱，產(chǎn)品辨識度較低，缺乏市場競爭力。因此對該型數(shù)控機床進行產(chǎn)品特征和用戶造型認知的造型意象優(yōu)化設(shè)計改進。

1 數(shù)控機床多維特征的分析

隨著時代的變遷和科技的進步，數(shù)控機床的產(chǎn)品特征也在不斷地進行迭代和發(fā)展，在設(shè)計生態(tài)轉(zhuǎn)型下，數(shù)控機床較為優(yōu)秀的產(chǎn)品造型，更加符合用戶的審美需求和情感需要，可帶給用戶較為愉悅的心情，從而激發(fā)人的潛能，提高工作效率[2]。

因此，從多維角度出發(fā)研究數(shù)控機床的產(chǎn)品特征，綜合分析數(shù)控機床產(chǎn)品多維特征對造型設(shè)計的影響，以此來進行數(shù)控機床的造型設(shè)計具有重要意義，對產(chǎn)品造型特征元素的提取分析可以更好地為數(shù)控機床的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1.1 數(shù)控機床形態(tài)特征

分析產(chǎn)品的形態(tài)元素，可以從幾何學(xué)的相關(guān)概念、構(gòu)成要素出發(fā)。在數(shù)控機床產(chǎn)品造型形態(tài)的構(gòu)成中，整體輪廓的線型和外罩形面是決定數(shù)控機床產(chǎn)品造型風(fēng)格的關(guān)鍵要素，不同的線型形面對數(shù)控機床形態(tài)特征會產(chǎn)生特定的影響。研究市場上著名機床品牌的典型數(shù)控機床樣本形態(tài)特點和造型風(fēng)格，對數(shù)控機床整體造型特征線、形面進行提取分析，得出數(shù)控機床特征線和形面與對應(yīng)形態(tài)特征語義的影響關(guān)系，如表1所示。

表1 特征線、形面元素對數(shù)控機床形態(tài)特征語義的影響

1.2 數(shù)控機床色彩特征

色彩元素是產(chǎn)品所具有的最直觀、最明顯的外部特征，作為產(chǎn)品多維特征的組成部分之一，在外顯性方面能夠直觀反映產(chǎn)品的外在形象。把數(shù)控機床產(chǎn)品色彩作為產(chǎn)品特征部件進行配色研究，并對配色進行區(qū)域劃分。選取國內(nèi)某型號數(shù)控機床產(chǎn)品——V-11型立式加工中心為樣本，配色區(qū)域如圖2所示。根據(jù)機床外罩的作用和相對位置布局，將數(shù)控機床配色區(qū)域劃分為6個部分，如圖3所示。 其中第1、2、3部分組合成數(shù)控機床防護罩，第4部分為推拉門，第5部分為上部主軸防護罩，第6部分為床身底座。

圖2 V-11型數(shù)控機床配色區(qū)域示意圖

圖3 數(shù)控機床配色區(qū)域劃分

對數(shù)控機床的色彩構(gòu)成特點進行探究，結(jié)合數(shù)控機床色彩功能區(qū)域的劃分，得出數(shù)控機床產(chǎn)品配色一般體系，如表2所示。

表2 數(shù)控機床功能區(qū)域劃分與色彩應(yīng)用

表2(續(xù))

1.3 數(shù)控機床材質(zhì)特征

材料是產(chǎn)品最基本的構(gòu)成元素，不同的材料所表現(xiàn)出的產(chǎn)品特征也有所不同，如表3所示。結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品的骨架，數(shù)控機床的整體性需要不同的結(jié)構(gòu)來支撐，其中數(shù)控機床作為精密加工的高端裝備，材質(zhì)特征在材料強度、鑄造性能、減震性能以及穩(wěn)定性方面有更高的要求，加工精度以及成品率都需要更加穩(wěn)定、更加堅固的結(jié)構(gòu)材料來保障，因此鑄鐵和鈑金材料是機床的首選材料。良好的基座鑄造、外殼鈑金的成型，可以直觀呈現(xiàn)數(shù)控機床的優(yōu)質(zhì)特征。

表3 數(shù)控機床材料與特征的關(guān)系

1.4 數(shù)控機床交互特征

關(guān)注用戶與產(chǎn)品之間的交互行為，關(guān)鍵是要關(guān)注用戶如何認知、接觸和使用產(chǎn)品[3]。在數(shù)控機床產(chǎn)品造型設(shè)計中，用戶與產(chǎn)品的交互關(guān)系主要體現(xiàn)在用戶的常規(guī)操作、習(xí)慣性動作等用戶行為上。數(shù)控機床操作構(gòu)成中的用戶行為主要分為兩個部分：一是推拉門的操作，二是數(shù)控面板的操作。將用戶的交互動作進行細化，分析研究數(shù)控機床人機交互與語義特征轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

圖4 數(shù)控機床人機交互部件語義特征轉(zhuǎn)換

2 數(shù)控機床造型認知的分析

2.1 數(shù)控機床造型的認知概述

用戶認知是關(guān)于產(chǎn)品使用者的特定認知心理。諾曼等人將用戶對產(chǎn)品的認知層級分為三層：美學(xué)印象、語意判斷和符號聯(lián)系[4-5]。Paivio[6]提出的雙重編碼理論認為，認知加工方式分為兩種，第一種是外在表征信息的視覺識別加工過程，第二種是符號語義信息加工過程，這兩種加工方式彼此之間具有一定的融合性，相輔相成共同完成認知任務(wù)。

在數(shù)控機床造型認知中，認知的視覺通道表現(xiàn)為以產(chǎn)品直觀的物理層面的表征信息即形態(tài)造型特征為載體的形態(tài)認知；語義通道表現(xiàn)為以心理層面的基于視覺表象信息即視覺感官效果與心理感受為載體的感知意象的語義認知[7]。

2.2 造型形態(tài)認知

利用沙利文提出的形式追隨功能的設(shè)計理念，可以通過推斷數(shù)控機床產(chǎn)品特定的功能來確定相應(yīng)的造型和結(jié)構(gòu)，進而確定相應(yīng)的整體造型大小和尺寸等形態(tài)元素即物理層面的表征信息。心理層面包含的表象信息即基于視覺的感知意象、整體造型的認知信息，可以歸納為數(shù)控機床產(chǎn)品的比例、姿態(tài)等信息，在視覺上能夠更加直觀地給用戶帶來整體沉穩(wěn)、堅固穩(wěn)定的心理感受，同時在情感上又具有外觀優(yōu)美協(xié)調(diào)的審美體驗。

產(chǎn)品造型特征是用戶在進行產(chǎn)品識別和分辨時最直接有效的、可視化的外部識別要素[8]。數(shù)控機床產(chǎn)品整體造型形態(tài)以方正、圓潤兩大類風(fēng)格為主，不同的造型風(fēng)格特征給人的視覺心理感受是不同的。棱角分明較為方正的機床造型在突出機械產(chǎn)品硬朗特征的同時缺乏一定的人情味；相對圓潤的機床造型可打破機械裝備生硬、冰冷的造型特征，更能體現(xiàn)產(chǎn)品的溫度以及情感化設(shè)計。

2.3 線型色彩與語義認知

“線”作為產(chǎn)品造型構(gòu)成要素中最基本的元素之一，也是產(chǎn)品造型設(shè)計的出發(fā)點，視覺特征上具有較為豐富的表現(xiàn)力和最直觀的視覺吸引力。在數(shù)控機床造型形態(tài)的構(gòu)成中，線型和形面作為關(guān)鍵元素，對數(shù)控機床形態(tài)特征和整體造型風(fēng)格的塑造會產(chǎn)生特定的影響。不同的線型具有不同的審美特征，產(chǎn)生不同的視覺效應(yīng)，給人帶來不一樣的心理感受。直線給人硬朗、穩(wěn)重、整潔、樸素的感覺；曲線給人優(yōu)美、運動、圓潤、親和的感覺。線型的特征可以塑造數(shù)控機床產(chǎn)品的造型風(fēng)格，同時也可以展現(xiàn)產(chǎn)品的人性化設(shè)計，表達產(chǎn)品所要呈現(xiàn)的溫度和情感。

線型的劃分及對數(shù)控機床語義認知的影響，如表4所示。各種線型在塑造產(chǎn)品風(fēng)格及造型裝飾方面皆發(fā)揮著重要的作用，可豐富產(chǎn)品設(shè)計的細節(jié)，加強造型設(shè)計的層次感等。

表4 線型的劃分及對數(shù)控機床語義認知的影響

數(shù)控機床的顏色除了在外顯性方面直觀地反映了數(shù)控機床產(chǎn)品的外部特征和在內(nèi)隱性方面展現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量、企業(yè)的風(fēng)格及品牌外，在用戶的視覺認知方面，不同的色彩給人帶來的感知意象是不同的。主體外罩采用較淺的顏色，以白色系和灰色系為主，較為簡潔并具有生動活潑的意象，可減少對操作者的心理沖擊和降低視覺認知負荷，帶來愉悅的用戶體驗。底座和推拉門加入部分深色系顏色，可突出數(shù)控機床的穩(wěn)定性和層次感。因此，不同的結(jié)構(gòu)部件在色彩上的不同搭配所賦予的情感是不同的，可豐富情感認知的需求。數(shù)控機床不同結(jié)構(gòu)部件的色彩情感認知，如表5所示。

表5 數(shù)控機床不同結(jié)構(gòu)部件的色彩情感認知

2.4 細節(jié)圖形認知

數(shù)控機床的細節(jié)圖形是指整體造型形面上附加的平面化特征。其中，防護外罩、推拉門、觀察窗的造型風(fēng)格，裝飾帶的處理，線型的一致，直角圓角的過渡等細節(jié)圖形最為重要。

針對數(shù)控機床的細節(jié)圖形認知，采用化整為零的方法進行分析，將數(shù)控機床進行主體和輔件的劃分，主體和輔件在功能上相輔相成，在造型風(fēng)格上即線型、色彩的搭配等也要保持協(xié)調(diào)一致。當主體采用直角或圓角處理時，輔件也采用相應(yīng)的風(fēng)格，以此達到主輔件之間的協(xié)調(diào)一致，讓形體組合成一個有機整體。其中，切角角度要保持一致，色塊和裝飾色要與企業(yè)的logo相一致，使產(chǎn)品的辨識度、企業(yè)的品牌識別度更高，這對提升產(chǎn)品的用戶認知和塑造數(shù)控機床產(chǎn)品品牌家族化的形象具有重要的作用和意義。

3 基于造型認知意象的數(shù)控機床多維特征設(shè)計方法

通過對數(shù)控機床多維特征的分析，并結(jié)合對數(shù)控機床造型認知方式的分析，將數(shù)控機床多維特征與造型認知意象進行映射，構(gòu)建“產(chǎn)品特征”和“認知”之間的關(guān)系。其中，數(shù)控機床外在物理層面的視覺表征信息是設(shè)計師進行數(shù)控機床產(chǎn)品特征設(shè)計的出發(fā)點，因此數(shù)控機床產(chǎn)品特征設(shè)計表現(xiàn)為一種創(chuàng)造活動。認知是用戶在特定情境下的感知和對產(chǎn)品交互行為的認知活動，表現(xiàn)為一種行為性或活動性。設(shè)計師通過整合數(shù)控機床的造型認知，進一步融合用戶的認知與需求信息，進行數(shù)控機床產(chǎn)品語義信息轉(zhuǎn)換，從而設(shè)計出符合用戶在數(shù)控機床造型形態(tài)、色彩、交互等多維特征層面的認知與需求的數(shù)控機床產(chǎn)品。

4 基于造型認知意象的數(shù)控機床多維特征設(shè)計實踐

4.1 認知意象語義篩選

通過網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)文獻資料進行數(shù)控機床意象詞語的收集，共獲取60個意象描述詞語。采用SD調(diào)查問卷的方式，發(fā)放問卷60份，收回有效問卷54份，對60個意象描述詞語進行調(diào)查篩選，將問卷調(diào)查得到的數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計匯總，篩選出能夠表現(xiàn)數(shù)控機床造型特征的意象詞語，勾選次數(shù)超過20次的15組意象詞語有：圓潤的、硬朗的、時尚的、和諧的、現(xiàn)代的、流線的、干凈的、幾何的、模塊的、潔凈的、整潔的、方正的、沉穩(wěn)的、流暢的、陽剛的。

4.2 樣本選取與特征解構(gòu)

通過網(wǎng)絡(luò)查詢?nèi)驍?shù)控機床企業(yè)TOP10排行榜，從山崎馬扎克、德瑪吉、牧野、哈斯等知名數(shù)控機床品牌中進行數(shù)控機床樣本圖片的收集和篩選，列舉出10個數(shù)控機床樣本，如圖5所示。

圖5 數(shù)控機床代表樣本

首先，通過語義差異調(diào)查問卷，對以上篩選出的代表性樣本進行認知意象語義評分調(diào)查。然后，利用主成分分析法對15組感性認知意象詞語進行二次篩選，綜合對比這15組感性詞語與數(shù)控機床樣本造型的對應(yīng)關(guān)系，篩選出數(shù)控機床造型特征的首要考量因素為現(xiàn)代的、整潔的、圓潤的、沉穩(wěn)的。

對用戶來說，考慮到數(shù)控機床的日常操作，產(chǎn)品造型在具有一定變化的同時，更要符合現(xiàn)代的、整潔的、圓潤的、沉穩(wěn)的用戶感性認知需求要素。通過認知意象語義評分調(diào)查以及焦點小組進行討論，篩選出3個數(shù)控機床造型代表性樣本進行數(shù)控機床造型特征解構(gòu)分析，如圖6所示。

圖6 數(shù)控機床造型特征解構(gòu)分析

4.3 設(shè)計實踐

4.3.1 設(shè)計意象特征選擇

設(shè)計風(fēng)格意象選擇。根據(jù)對數(shù)控機床感性認知意象詞匯的收集和篩選，并通過數(shù)控機床代表性樣本的意象詞匯認知調(diào)查與主成分分析，最終確定數(shù)控機床整體造型風(fēng)格意象為現(xiàn)代的、整潔的、圓潤的、沉穩(wěn)的。

設(shè)計造型特征選擇。根據(jù)對數(shù)控機床產(chǎn)品造型特征的風(fēng)格意象分析，以及數(shù)控機床家族化的產(chǎn)品造型特征，選擇符合造型風(fēng)格表達的造型特征。

防護罩：直面、裝飾帶、圓角加切角。

推拉門：直面、直角。

觀察窗：折線形、裝飾帶。

數(shù)控面板：矩形、直型、單向旋轉(zhuǎn)。

色彩：冷色調(diào)，以乳白色和黑色為主。

4.3.2 設(shè)計定位

根據(jù)造型意象和對代表性樣本形態(tài)特征的解構(gòu)分析，運用美學(xué)法則的比例與尺度、對稱與均衡來進行數(shù)控機床產(chǎn)品的整體造型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建現(xiàn)代、整潔、圓潤、沉穩(wěn)的數(shù)控機床產(chǎn)品造型特征。

整體造型體塊采用相對對稱的長方體，線型采用直線和折線，外輪廓采用圓角加45°切角的包裹式造型豐富的優(yōu)化設(shè)計方案；推拉門采用內(nèi)藏式中心對稱分布、觀察窗加以45°切角和紅色裝飾的細節(jié)圖形設(shè)計；數(shù)控面板采用旋轉(zhuǎn)式設(shè)計，便于用戶以合適的視角觀察數(shù)控屏；顏色上，機身的主色采用冷色調(diào)，以白色和黑色為主,輔助和裝飾色以企業(yè)logo標識使用的紅色為主。

4.3.3 方案設(shè)計

造型形態(tài)整合與草圖方案優(yōu)選。對數(shù)控機床代表性樣本產(chǎn)品造型特征的可用特征和該系列數(shù)控機床造型的核心遺傳特征進行提取，進行造型形態(tài)的整合與變化，使獲得的設(shè)計方案具有一定的指導(dǎo)作用，然后繪制方案草圖，如圖7所示,并進行草圖方案優(yōu)選。從效果來看，草圖方案一造型采用上部輪廓橫向倒角設(shè)計，模塊感欠缺，外罩包裹感較差；草圖方案二造型采用包裹設(shè)計，裝飾和細節(jié)圖形的設(shè)計相對凌亂，易產(chǎn)生一定的視覺疲勞感；草圖方案三整體造型較為圓潤，45°切角設(shè)計，層次感、包裹感較強，細節(jié)圖形、裝飾色塊的視覺識別效果較好。因此，綜合以上分析，最終選取草圖方案三，并進行三維模型的構(gòu)建與渲染仿真效果展示。

(a)草圖方案一

數(shù)控機床設(shè)計方案輸出展示。以優(yōu)選的數(shù)控機床草圖方案為基礎(chǔ)，利用三維建模軟件，將草圖方案轉(zhuǎn)化為三維立體模型，如圖8所示。在建模過程中，仔細把握數(shù)控機床整體造型形態(tài)和尺寸，對方案進行產(chǎn)品造型與內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)關(guān)系的優(yōu)化，避免各特征部件之間、特征部件與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間不必要的干涉。對產(chǎn)品模型的細節(jié)不斷進行完善，可更好地滿足用戶需求和產(chǎn)品定位，完成建模方案。

圖8 V-11型數(shù)控機床方案建模

在前文對數(shù)控機床產(chǎn)品的形態(tài)、色彩、材質(zhì)、交互以及特征與認知意象之間的關(guān)系做了詳細分析研究的基礎(chǔ)上，對數(shù)控機床方案進行渲染，色彩以乳白色和黑色為主，以紅色為裝飾色加以輔助，最終V-11型數(shù)控機床造型優(yōu)化設(shè)計如圖9所示。

圖9 V-11型數(shù)控機床造型優(yōu)化設(shè)計效果圖

5 結(jié)論

本文從數(shù)控機床的多維特征及其造型認知出發(fā)，綜合運用產(chǎn)品特征、形態(tài)解構(gòu)、產(chǎn)品語義、用戶認知方式等相關(guān)理論和產(chǎn)品研究方法，分析歸納數(shù)控機床產(chǎn)品設(shè)計的造型意象。在保證整體造型和比例一定的原則下，注重圓角、切角及細節(jié)形面的設(shè)計，再加以裝飾色塊的搭配，使產(chǎn)品的辨識度、企業(yè)的品牌識別度更高。這些典型的家族化細節(jié)圖形元素的創(chuàng)新與應(yīng)用，對提升產(chǎn)品的用戶認知和數(shù)控機床產(chǎn)品品牌家族化形象的塑造具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。