基于系統(tǒng)設(shè)計理念的數(shù)控機(jī)床外觀研究

張振凱 梅紹國

摘 要：本文主要在系統(tǒng)設(shè)計理論指導(dǎo)下闡述數(shù)控機(jī)床的外觀設(shè)計問題。首先對系統(tǒng)設(shè)計理論進(jìn)行探討，明確設(shè)計產(chǎn)出應(yīng)以三點核心流程為指導(dǎo)，遵循系統(tǒng)設(shè)計理論三大原則；然后對各大品牌機(jī)床外觀的元素使用、色彩使用進(jìn)行調(diào)研分析，對人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集；最后在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行形態(tài)要素、色彩要素、人因要素和結(jié)構(gòu)要素的分析，把產(chǎn)品的功能性和審美性相結(jié)合，以此提升產(chǎn)品的核心競爭力和品牌效應(yīng)。在整個設(shè)計過程中，需要考慮所有與產(chǎn)品外觀相關(guān)的因素，如工程原理、工藝結(jié)構(gòu)、用戶操作、維修運輸和制造成本。在以上工作的支撐下，本文研究解決了企業(yè)系列產(chǎn)品外觀審美性弱、品牌化弱、無統(tǒng)一視覺形象的問題，以實現(xiàn)該品牌應(yīng)有的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計；數(shù)控機(jī)床外觀；系統(tǒng)設(shè)計

一、緒 論

數(shù)控機(jī)床由美國發(fā)明家John Parkinson在20世紀(jì)50年代末發(fā)明，世界機(jī)床行業(yè)歷經(jīng)了近70年發(fā)展后快速進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在機(jī)器制造業(yè)的地位越發(fā)舉足輕重。

我國數(shù)控機(jī)床技術(shù)在20世紀(jì)80年代開始起步，核心技術(shù)并不遜色于世界先進(jìn)水平。較為可惜的是，雖然國內(nèi)機(jī)床品牌較多，但外觀設(shè)計十分保守，主要問題是對產(chǎn)品系統(tǒng)性考慮較少。以設(shè)計對象陜西諾貝特自動化科技有限公司系列產(chǎn)品為例：其產(chǎn)品外觀無法反映企業(yè)形象，與品牌的視覺聯(lián)系較弱；產(chǎn)品外觀停留在功能滿足上，只有簡單的結(jié)構(gòu)包裹，無審美傾向；機(jī)床上下、前后比例不協(xié)調(diào)；色彩感覺差，對于消費者心理因素考慮不足；違反人機(jī)工程學(xué)要求，不符合操作者的生理結(jié)構(gòu)。而消費者在對產(chǎn)品外觀進(jìn)行評價時往往是綜合以上幾點而進(jìn)行的。為此，國內(nèi)的機(jī)床外觀需要進(jìn)行大的改變。

學(xué)者孔苓燕在文獻(xiàn)《淺談系統(tǒng)設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用》中談道，設(shè)計應(yīng)是理性與感性相結(jié)合，科學(xué)和人文相結(jié)合，不能孤立地側(cè)重某一方面。[1]文獻(xiàn)《基于產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計理論下的兒童相機(jī)設(shè)計》中指出，系統(tǒng)設(shè)計對產(chǎn)品設(shè)計的意義在于人文和經(jīng)濟(jì)兩大方面。[2]文獻(xiàn)《基于系統(tǒng)設(shè)計下的產(chǎn)品識別研究》中提到系統(tǒng)設(shè)計理論運用到設(shè)計中是為了把握設(shè)計方向，規(guī)范設(shè)計流程。[3]

通過這些文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)機(jī)床產(chǎn)品的問題皆是因為缺乏系統(tǒng)設(shè)計理念。前人所研究的皆從系統(tǒng)之整體出發(fā)，對系統(tǒng)的拆解與組合、元素與整體的探討略顯不足，因此，本文決定以此為出發(fā)點。在系統(tǒng)設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，考慮元素與整體的關(guān)系，設(shè)計出三款機(jī)床，為我國數(shù)控機(jī)床的外觀設(shè)計提供參考。

二、相關(guān)理念研究

（一）系統(tǒng)設(shè)計方法概述

系統(tǒng)是為了構(gòu)成一個整體或達(dá)到一個目標(biāo)集合若干要素的總和。系統(tǒng)由三個部分組成：元素、結(jié)構(gòu)和功能。[1]系統(tǒng)設(shè)計理論形成于20世紀(jì)初，其考慮多個因素，而非簡單的工業(yè)化制造，講究每個元素之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而形成穩(wěn)固的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，元素與結(jié)構(gòu)共同作用實現(xiàn)產(chǎn)品的功能性產(chǎn)出。

（二）系統(tǒng)設(shè)計三大原則

系統(tǒng)設(shè)計理論是從整體出發(fā)，充分考慮客觀因素，使產(chǎn)品具有針對性。在具體操作中應(yīng)遵循三大原則：整體性原則；開放性原則；目的性原則。[3]整體性原則要求人、機(jī)、環(huán)境相統(tǒng)一，尋找平衡與整體的最優(yōu)解。開放性原則要求設(shè)計師不斷關(guān)注社會外界的革新變化，做到與新技術(shù)、新理念、新審美、新體驗無縫對接，滿足不同層次的需求。目的性原則要求產(chǎn)品的產(chǎn)出具有針對性，在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上得出合理的設(shè)計。

（三）系統(tǒng)設(shè)計的核心流程

通過對系統(tǒng)設(shè)計方法以及系統(tǒng)設(shè)計原則的了解與掌握，總結(jié)出三點核心流程：1．資料收集；2．系統(tǒng)分析；3．設(shè)計定位。[1]前期的資料收集必須以對行業(yè)、人、產(chǎn)品的深入了解為前提，做好充足且系統(tǒng)的準(zhǔn)備；分析的過程較為重要，必須把設(shè)計對象及其一切有關(guān)問題當(dāng)作一個整體，再對其構(gòu)成元素進(jìn)行解析，從而深刻了解整個系統(tǒng)的特點，為下一步設(shè)計找到可行的方案；最后根據(jù)資料和系統(tǒng)分析的研究結(jié)果確定設(shè)計方向。以下設(shè)計均在此流程指導(dǎo)下完成。

三、系統(tǒng)設(shè)計理念指導(dǎo)下的數(shù)控機(jī)床外觀設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計理論是一種觀念和手段，本研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床外觀系統(tǒng)設(shè)計的具體實踐。系統(tǒng)設(shè)計理念下的產(chǎn)品有六個重要的設(shè)計要素：形態(tài)要素；色彩要素；人因要素；功能要素；結(jié)構(gòu)要素；環(huán)境要素。[1]此六要素結(jié)合社會、企業(yè)、用戶、產(chǎn)品等客觀條件，最終確定設(shè)計方案。

（一）形態(tài)要素

形態(tài)是產(chǎn)品設(shè)計中最為重要的要素之一，通過或方、或圓、或曲的基本特征，點線面的擺放、分割、組合、交疊等方法，將產(chǎn)品的特征及屬性表現(xiàn)出來。在分析形態(tài)要素時有兩個要點：整體形態(tài)要滿足企業(yè)形象，部件造型要滿足基本功能，兩者互為呼應(yīng)。

1．整體造型

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計開放性原則要求，設(shè)計要隨時關(guān)注外部條件。此處著重分析國外同類產(chǎn)品的設(shè)計情況。如圖2所示，將各個部件線性化，會得到較為直觀的造型元素：馬扎克機(jī)床善于運用直線并輔助大圓角進(jìn)行造型；德瑪吉機(jī)床曲線運用較多，用直線或傾斜曲線輔助造型；斯圖特機(jī)床善于運用短線條連接進(jìn)行造型設(shè)計；而哈斯機(jī)床多運用垂直直線造型。德瑪吉機(jī)床給人靈動、活躍之感，而哈斯機(jī)床則更加穩(wěn)重、敦厚。由此判斷，運用直線元素造型可以突出機(jī)床的工業(yè)特性：可靠、精密、穩(wěn)定及剛硬。曲線的運用可以增加機(jī)床科技、律動的屬性。

在此研究基礎(chǔ)上結(jié)合企業(yè)文化和企業(yè)宗旨，為匹配產(chǎn)品形態(tài)，以直線、直面為主，方體穿插為輔，倒角輔助造型，塑造穩(wěn)重、內(nèi)斂之感。以下列出所有可行的穿插方案進(jìn)行備選，并綜合其他要素選出三款機(jī)床最終的整體形態(tài)（圖3）。

2．部件造型

構(gòu)成機(jī)床整體造型的元素還包括操作面板、把手、指示燈、視窗、維修窗口、logo等，眾多元素相互呼應(yīng)才能共同構(gòu)成機(jī)床的整體造型。部件造型的設(shè)計要做到源于整體又服務(wù)于整體，在滿足基本功能的同時，在細(xì)節(jié)上加入共同的設(shè)計語言，從而達(dá)到設(shè)計的系統(tǒng)性。同時要根據(jù)企業(yè)要求融入相應(yīng)的造型特點，如陜西諾貝特自動化科技有限公司企業(yè)文化較為莊重，設(shè)計時則著重表現(xiàn)穩(wěn)重、內(nèi)斂的特點。

3．視覺重心分析

設(shè)計選用體塊穿插的造型語言，不可避免會觸及視覺重心的問題，體塊穿插有諸多變化，重心的位置決定視覺上是否穩(wěn)定，在眾多穿插方案中結(jié)合結(jié)構(gòu)要素選取出以下三個方案（圖4、圖5、圖6），重心皆在落腳點之內(nèi)，視覺觀感較為穩(wěn)定，符合企業(yè)形象和整體造型。

（二）色彩要素

很多學(xué)者都對色彩進(jìn)行了深入研究，據(jù)統(tǒng)計表明，人觀察一個產(chǎn)品的順序為：色彩、形體、質(zhì)地。[4]在工業(yè)產(chǎn)品中，色彩對觀感的影響最為直接有效，觀者對產(chǎn)品的印象程度取決于色彩的質(zhì)量。為此，我們進(jìn)行了大量調(diào)研分析。

1．工業(yè)類產(chǎn)品色彩調(diào)研

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的整體性原則，在進(jìn)行色彩設(shè)計之前先進(jìn)行工業(yè)類產(chǎn)品的色彩調(diào)研，了解色彩現(xiàn)狀及趨勢，做到整體把握。在小型工業(yè)產(chǎn)品中色彩使用比較自由，如音箱、手機(jī)、加濕器、鼠標(biāo)、風(fēng)扇等產(chǎn)品，可以根據(jù)用戶喜好大面積使用一種或多種鮮艷色彩，甚至撞色、熒光色、漸變色等皆可使用。但在大型工業(yè)產(chǎn)品中色彩使用要謹(jǐn)慎，多選用一到兩種較為耐看、偏于理性的低明度冷色，目的是讓使用者心情平靜，不會產(chǎn)生焦躁情緒，鮮艷的色彩多作為點綴出現(xiàn)，目的是在造型的關(guān)鍵處起到裝飾的作用。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，橙色、綠色、藍(lán)色在工業(yè)產(chǎn)品中出現(xiàn)較為普遍，這三種顏色與其他色彩的占比如圖7所示。大型工業(yè)產(chǎn)品中點綴顏色占比在5%～30%之間。由此可知在方案產(chǎn)出時，應(yīng)遵循兩到三種顏色、低飽和度、少量鮮艷色彩的用色規(guī)律。

2．各大機(jī)床品牌色彩研究

分析系列產(chǎn)品的色彩使用頻率，可以了解到各大品牌的用色規(guī)律，如果該品牌已經(jīng)形成了自己的設(shè)計系統(tǒng)，那么其系列產(chǎn)品中的高頻使用色彩很有可能已經(jīng)成為品牌的標(biāo)志。這也是避免產(chǎn)品落入同質(zhì)化的一個可行性方法。筆者在大量收集品牌產(chǎn)品并進(jìn)行分析之后得出下圖數(shù)據(jù)（圖8）。公司LOGO為藍(lán)色，產(chǎn)品視覺觀感必須與企業(yè)相符合，結(jié)合圖7研究可知，企業(yè)主色與各大有影響力的品牌顏色并不沖突。最終點綴色彩確定為藍(lán)色（C：100 M：60 Y：0 K：0）。

（三）人因要素

1．人機(jī)要素

人機(jī)工程學(xué)在產(chǎn)品中的應(yīng)用非常必要，如果沒有按照人體生理構(gòu)造安排產(chǎn)品各個元素的布局，使用者就不能舒適地進(jìn)行操作，甚至有可能造成人體損傷，如肌肉勞損、視覺損傷等。機(jī)床設(shè)計中需要考慮到人機(jī)工程學(xué)的元素，具體有機(jī)床門、把手、操作面板、觀察視窗、維修口、底部內(nèi)凹容腳裝置等。機(jī)床門的大小需要考慮工作臺尺寸、送料機(jī)寬度、人體臂展的寬度，如果工作臺過大，則需要采用雙開門的方式。把手對操作的舒適性有很大影響，根據(jù)手握橫截面尺度，機(jī)床把手橫截面直徑應(yīng)在10～20mm之間。長度不小于100mm安裝位置一般在1000～1600mm之間。操作面板的安裝高度同樣考慮到手的舒適度以及視域，最佳高度為1000～1700mm之間。觀察視窗的高度取決于人的視域。人眼垂直方向上下15°，水平方向左右25°為宜。[5]在以上調(diào)研數(shù)據(jù)的支撐下，做出元素安排，如下圖（圖9、圖10、圖11）。

2．心理要素

照顧到使用者的心理，經(jīng)常可以看到的A級面，即正面頂面，設(shè)計較為感性舒適，不經(jīng)?？吹降腂級面，即側(cè)面和后面，設(shè)計較為理性。從功能劃分上來看（圖12），A級面板含操作區(qū)和觀察區(qū)，所以操作面板和視窗加入曲線元素，并豐富其色彩。B級面板含維修區(qū)、進(jìn)出水電區(qū)等，所以部分機(jī)械結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)外露。

（四）結(jié)構(gòu)要素

數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計過程中不可忽視的一點是機(jī)床的結(jié)構(gòu)要素。系統(tǒng)設(shè)計的目的性原則要求外觀設(shè)計需要有針對性，每款機(jī)床各自的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，以圖13展示的NOG350X-CNC為例，外觀的體塊關(guān)系安排跟隨機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)。面對目標(biāo)產(chǎn)品，需要綜合考慮所有元素，由內(nèi)而外，由大及小，由淺層到深層。

機(jī)床在運轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)部部件的位移對外觀會產(chǎn)生很大影響。因此在進(jìn)行外觀造型設(shè)計時，要熟悉結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)方式，為內(nèi)部部件位移留出足夠的空間。如NAS520X-CNC以及NOG350X-CNC兩款磨床工作臺在運作過程中會有左右方向的位移，在設(shè)計外觀時預(yù)留了空間。

每款機(jī)床除了核心結(jié)構(gòu)之外，還有操作面板、水箱、液壓站、信號燈等部件，這些部件結(jié)構(gòu)特殊，需要結(jié)合工程師意見決定是否進(jìn)行整體化的設(shè)計。如液壓裝置需要大量水和潤滑劑作為消耗品，因此適合外接，散熱效果會更佳。操作面板為減少系統(tǒng)更新帶來的硬件換代，可采用全面屏觸屏操控。

四、結(jié) 語

本研究主要運用系統(tǒng)設(shè)計理念對機(jī)床外觀進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，主要體現(xiàn)在對企業(yè)、人、產(chǎn)品的綜合考慮，以及經(jīng)過分解各個元素的考慮上。將系統(tǒng)設(shè)計三大原則運用其中，設(shè)計過程著重探討元素與整體的拆解組合，元素和整體的互相反饋。最后設(shè)計產(chǎn)出有效提高了機(jī)床的品牌化、系列化和美觀性。明確機(jī)床設(shè)計應(yīng)遵循設(shè)計的三大原則，應(yīng)協(xié)調(diào)元素與整體兩方面，這對國內(nèi)機(jī)床的發(fā)展起到積極的引導(dǎo)作用。

（西安美術(shù)學(xué)院設(shè)計藝術(shù)學(xué)院、陜西省文化館）

參考文獻(xiàn)

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