周紅宇，朱倩，王嘉倫，張學敏，龔雯璟

基于Kano-QFD-PUGH的激光清潔機設計研究

周紅宇，朱倩，王嘉倫，張學敏，龔雯璟

（湖北工業(yè)大學 工業(yè)設計學院，武漢 430068）

解決現(xiàn)有激光清潔機產品與煙絲切割機設備不適配的問題，提升用戶的產品操作效率與使用滿意度。通過Kano模型進行用戶需求分析與提取，得到需求要素權重排序，明確重點需求；QFD質量功能展開解決需求到功能的轉換問題，獲取產品功能要素及對應設計優(yōu)先級順序指導設計展開；利用PUGH決策矩陣對設計產出方案從需求要素與功能要素角度進行綜合評價，獲得最優(yōu)設計方案。Kano-QFD-PUGH的集成模型，通過定位用戶需求，從造型、功能和安全性角度出發(fā)，將其映射為相對應的設計需求，指導產出激光清潔機最優(yōu)設計方案，最終方案操作合理、安全可靠，滿足用戶需求?；贙ano-QFD-PUGH模型的產品開發(fā)流程能夠提升激光清潔機設計要素提取的準確度，所得方案有效解決了激光清潔機與特殊設備適配問題，驗證了該方法在設計實踐中的可行性與指導作用，對同類清潔設備的產品開發(fā)與設計優(yōu)化研究具有一定的參考價值。

激光清潔機；產品開發(fā)；Kano模型；QFD質量功能展開；PUGH決策矩陣

中國作為煙草消費與生產的第一大國[1]，全國煙民數(shù)量已超過3億人。國內整體煙草行業(yè)經濟發(fā)展迅速，市場規(guī)模不斷擴大，煙草產品已遠銷世界各地。煙絲切割是煙草產品生產加工過程中的重要環(huán)節(jié)，切割設備每日需不間斷工作，易導致煙絲輸送銅排鏈產生煙油積垢和煙絲附著等情況，影響切絲工序質量，造成煙絲寬度不均勻等問題。目前大多工廠采用人工拆洗的分級保養(yǎng)方式，將銅管逐根拆卸進行清洗，該方式勞動強度大、操作難度高，并且清潔質量不可控，還會加快軸承、驅動輪零部件的銹蝕損壞。激光清洗技術具有高效、準確、快捷、成本低等特點，適用于金屬材料表面清潔[2]，此技術適合作為新技術引入，改進煙草工廠傳統(tǒng)的清潔方式。由于清潔對象及工作環(huán)境的特殊性，現(xiàn)有的激光清潔機產品無法滿足實際用戶需求，因此展開激光清潔機產品開發(fā)設計。在產品設計過程中，需要充分考慮到相關的用戶期望因素及條件限制因素，并將其量化成具體的產品設計要素[3]，在最后產品方案的篩選與決策階段[4]，除了從感性的視覺角度判斷外，還需要通過邏輯化思維來進行理性的權衡分析。本次研究使用Kano模型結合QFD（Quality Function Deployment，質量功能展開）進行用戶需求及產品設計要素的分析與提取，利用PUGH決策矩陣（PUGH Decision Matrix，普式矩陣）得到最優(yōu)方案，最終完成此次激光清潔機產品開發(fā)設計。

1 Kano-QFD-PUGH方法綜述

Kano模型主要用于研究用戶的個性化需求，對其進行定性分析并合理分類[5]，是產品設計調研階段的一種需求解析模型。它將用戶滿意度的反饋結果映射到產品的功能設計上，進而對用戶需求進行優(yōu)先層級劃分排序，便于后續(xù)準確定位產品設計切入點，提高設計效率。QFD質量功能展開主要用于研究用戶需求與產品功能屬性之間的關系，對兩者進行定量分析并相互連接[6]，是產品設計分析階段的一種功能轉換工具。它通過需求功能要素矩陣，得到用戶反饋結果及產品功能要素間的關聯(lián)度，依此對產品功能進行取舍判斷，起到縮短產品開發(fā)周期的作用。PUGH決策矩陣是一種操作簡單靈活的決策工具，它通過與參照方案之間的對比評分來進行候選方案的定性排序[7]，利用產品設計需求進行多層次篩選，有助于決策的合理性、邏輯性。這三種研究方法都各有其長處，Kano模型解決用戶需求因素定性分析問題，QFD質量功能展開解決功能設計定量分析問題，PUGH決策矩陣解決評價思維邏輯問題，但每種方法在產品設計過程中都具有使用局限性。因此，將三者結合使用貫穿本次設計過程：Kano為功能設計分析做好需求連接的前期鋪墊，QFD彌補定性分析主觀性強、無法精準判斷等問題，兩者相輔相成、優(yōu)勢互補，完成以Kano-QFD設計方法為指導的產品設計方案產出，最后使用PUGH進行方案評價決策，通過設計指標評分排序來驗證產品的適用性。三者共同提升設計過程的可靠性與科學性，形成一個完整的產品開發(fā)流程。

目前，已有部分學者使用了Kano、QFD及PUGH方法，從不同的角度對各種產品進行設計與優(yōu)化研究。韋艷麗等[8]使用Kano-QFD模型結合EPO模型，從可用性角度對云養(yǎng)寵APP的交互功能進行方案設計。鄧杏儀等[9]使用用戶旅程圖結合Kano-QFD模型，圍繞用戶需求對健身游戲系統(tǒng)進行優(yōu)化改進。楊靜等[10]提出了一種AHP集成PUGH的評價模型，完成了針對概念設計的產品綜合評價體系構建。李惠等[11]提出融合QFD與PUGH的評價方法，結合層次分析法完善了針對人機界面評價流程。何若喬等[12]將Kano模型和PUGH引入QFD中，優(yōu)化了老年人的車載信息系統(tǒng)，驗證了此模型的客觀實用性。根據(jù)上述文獻可知，Kano、QFD及PUGH三種方法已被引入各個領域中使用，但目前還沒有形成完善且統(tǒng)一的研究范式，尚存一定的研究空間及價值。

2 基于Kano-QFD-PUGH的激光清潔機設計流程構建

Kano-QFD-PUGH集成的設計研究方法，貫穿了產品的用戶需求提取、設計需求轉化與設計方案決策驗證的設計全流程，保證了用戶需求轉化為功能設計要素過程中的準確性，以及最優(yōu)設計方案選定的科學性。結合本次設計項目的產品特性，對全局進行階段性規(guī)劃，具體操作流程如下。

1）通過文獻閱讀、實地考察、用戶訪談、問卷調研等方式收集與總結激光清潔機用戶需求，并進行需求層次劃分。

2）以所獲的用戶需求為中心，制作Kano問卷進行深入調研，通過問卷轉化數(shù)據(jù)進行用戶需求定性劃分及需求重要度計算，為質量屋的構建提供數(shù)據(jù)支持。

3）總結產品功能設計需求，并通過專家打分構建功能需求映射矩陣，輔助質量屋構建。

4）構建激光清潔機產品質量屋（HOQ），對功能設計需求量化處理并進行功能設計優(yōu)先級分析，以此為依據(jù)進行設計展開。

5）為保證輸出方案的科學性及適用性，使用PUGH決策方法對設計方案進行粗篩，縮小選擇范圍。

6）對剩余方案進行設計需求評級及綜合評分，輸出最優(yōu)方案。激光清潔機產品設計流程框架見圖1。

圖1 激光清潔機設計流程框架

3 基于Kano模型的激光清潔機用戶需求分析

3.1 用戶需求要素劃分

3.2 Kano問卷分析

Kano模型根據(jù)用戶滿意度將需求要素劃分成五類[14]：魅力型需求，即意想不到的要素，若具備則用戶滿意度大幅上漲；期望型需求，即用戶希望的要素，它與滿意度呈正向關系；無差異型需求，即可忽略的要素，其不會導致用戶滿意度變化；基本型需求，即產品的基礎質量，若不具備則用戶滿意度大幅下滑；逆向型需求，即不希望產品具備的要素，它與滿意度呈反向關系。通過Kano問卷對用戶需求重要度進行進一步分析，需求分類度量見表1。

本次激光清潔機設計屬于定制類產品，具有面向用戶范圍小、適用人群固定等特點。因此，確定調研人群包括項目對接人員5名、技術工程師6名、生產線工作人員25名、相關產品專家3名、設計團隊成員6名，共計45人。統(tǒng)一發(fā)放Kano問卷并回收后，對獲得的需求結果進行權重計算，計算步驟如下。

圖2 激光清潔機用戶需求指標體系

表1 Kano需求分類度量

Tab.1 Kano need classification scale

1）將每項需求要素獲得的、、、評價個數(shù)分別記為、、、。

表2 Kano需求分析及影響力結果

Tab.2 Kano need analysis and impact results

4 基于QFD模型的激光清潔機設計要素分析

4.1 用戶需求重要度改進

4.2 HOQ質量屋構建

HOQ質量屋構建是質量功能展開的核心部分[15]，其構建過程主要是從用戶需求要素到設計功能要素的映射與轉換，得到設計要素排序來控制產品設計質量。

表3 需求要素質量規(guī)劃

Tab.3 Need element quality planning

根據(jù)以上步驟，構建激光清潔機設計質量屋，如表4所示。由此可得到其功能要素相對重要度優(yōu)先級排序結果，見圖3。

表4 激光清潔機設計質量屋

Tab.4 Design quality house of laser cleaner machine

圖3 功能設計相對重要度結果

5 基于PUGH的激光清潔機設計方案評價

PUGH決策矩陣是一種快速的定性決策方法[16]，幫助權衡分析識別出最優(yōu)設計方案。設計小組根據(jù)質量屋得出的功能要素排序結果進行設計方案產出，使用PUGH矩陣進行方案初篩及進一步的綜合評價，完成最終的方案敲定。

5.1 設計方案初篩

由2名產品經理、4名技術工程師及9名生產線操作人員組成15人方案評審小組，對經過兩輪設計所產出的五款激光清潔機方案進行初步評價。首先，由于本非標定制化產品其功能需求與市場主流產品所具備功能重合度不高，缺少同類產品對照，因此選用在第一輪設計方案中討論得出功能設計較為完備的方案2為評價基準參照方案；其次，使用“+”代表較參照方案更優(yōu)、“–”代表較參照方案稍差、“S”代表與參照方案相當[17]，從一級需求指標角度對經過了第二輪設計方案修改后的其他可選方案進行評價；最后，統(tǒng)計各方案每項評價數(shù)量，得到方案初步評分排序。方案評價及取舍結果見表5。

表5 激光清潔機設計方案初步評分排序

Tab.5 Preliminary scoring sort of laser cleaning machine design scheme

5.2 設計方案綜合評價

收集專家小組評價打分結果并進行整理，確定3個方案各項功能指標下的等級水平，根據(jù)式（9）—（10）計算得到各方案綜合評分，結果見表6。

表6 激光清潔機設計方案綜合評分

Tab.6 Comprehensive scoring of laser cleaning machine design scheme

5.3 最終設計方案展示

對細節(jié)進行完善后，完成最終設計方案如圖4所示。方案在造型方面，采用傾斜切面結合線條切割的設計手法，增強設備線條感、科技感，體現(xiàn)現(xiàn)代化風格，整體選用白灰配色打造輕盈感，滿足用戶造型簡潔輕量化需求。在功能方面，增加機械臂監(jiān)控設備，雙側檢修門與散熱孔融合一體，可伸展屏幕方便多方位監(jiān)測，與工位接口處的緩沖結構在保護裝備的同時，也滿足多工位適配的需求。在安全性方面，因煙草生產的特殊工作環(huán)境，產品整體材料選用食品級鋼材，并且做到防止激光外泄造成傷害，多重防護機制保障設備安全使用。

圖4 激光清潔機設計方案

6 結語

激光清潔機與煙絲切割機的適配問題及操作效率對提升激光清潔機的用戶使用滿意度至關重要。因此，建立基于Kano-QFD-PUGH集成方法的激光清潔機產品設計模型，將Kano模型、QFD質量功能展開及PUGH決策矩陣結合使用，解決設計過程中用戶需求提取、設計功能轉化及方案產出后的設計決策等重難點問題。研究構建了激光清潔機設計流程框架，從造型、功能及安全性角度建立激光清潔機用戶需求指標體系，明確了用戶需求重要度；通過質量屋構建，得到了激光清潔機設計功能要素指導方案產出；利用所獲需求、功能要素進行綜合評價找到最優(yōu)方案，形成完整的設計流程。最終方案人機操作合理，解決設備間的適配問題，整體效果達到項目預期，驗證了Kano-QFD-PUGH模型的科學性與有效性，為激光清潔機產品的設計開發(fā)與優(yōu)化提供了理論指導。

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Design of Laser Cleaning Machine Based on Kano-QFD-PUGH

ZHOU Hong-yu, ZHU Qian, WANG Jia-lun, ZHANG Xue-min, GONG Wen-jing

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The work aims to solve the problem that existing laser cleaning machine products do not match the tobacco cutting equipment and improve the user's product operation efficiency and use satisfaction. Kano model was used to analyze and extract user needs, get the weight order of need elements, and define the key needs. QFD quality function deployment solved the transformation problem from need to function and obtained the product function elements and corresponding design priority order to guide design deployment. PUGH decision matrix was used to comprehensively evaluate the design output scheme from the perspective of need elements and function elements, and the optimal design scheme was obtained. The integrated model of Kano-QFD-PUGH was mapped to the corresponding design needs by positioning user needs from the perspective of modeling, function and safety and used to guide the output of optimal design scheme of laser cleaning machine. Thus, the final scheme was reasonable in operation, safe and reliable and could meet user needs. The product development process based on the Kano-QFD-PUGH model can improve the extraction accuracy of laser cleaning machine design elements. The scheme effectively solves the matching problem between the laser cleaning machine and the special equipment and verifies the feasibility and guiding role of this method in design practice, which has certain reference value for product development and design optimization research of similar cleaning equipment.

laser cleaning machine; product development; Kano model; QFD quality function deployment; PUGH decision matrix

TB472

A

1001-3563(2023)10-0164-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.10.016

2022–12–14

國家重點研發(fā)計劃子課題資助項目（2018YFD0301303-4）；湖北省教育廳教學研究項目2021309；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（202110500018）

周紅宇（1984—），男，碩士，副教授，主要研究方向為智能裝備。

朱倩（1998—），女，漢族，碩士生，主攻智能裝備。

責任編輯：陳作