小批量生产的工业产品造型设计方法研究

胡 冰 ，谢云峰

(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

制造业的快速发展和经济全球化，以及产品的生命周期进一步缩短、消费者需求日益多样化，改变了企业的竞争环境，因而可以满足消费者个性需求的小批量柔性生产模式得到迅速的发展。资料显示，一些发达国家75%左右的产品都属于中小批量生产类型。

目前对小批量生产的研究大多集中在其质量、成本、工艺及产品线管理上，而对小批量产品造型的研究则非常缺乏。目前对小批量产品造型的研究只针对特定的产品，如张海雁[1]对糙木家具造型的研究，不具有对工业产品的普遍适用性。 本文对小批量工业产品造型的研究，可填补这方面的空白。

1 小批量生产存在的问题

1.1 小批量生产的特点

小批量生产具有以下特点：1)产品为小批量设计、制造和销售，有较大的灵活性和较小的风险性；2)生产和工艺设备是一次性投入，产品不具有批量优势，均摊在每件产品上的设备和工艺成本较高[2]；3)因为不同批次产品的需求不同，设计和工艺方案也会有差异，使产品的设计周期长、生产效率低。

1.2 小批量产品的设计限制

小批量生产的特点决定了其产品造型设计会受到成本和工艺的限制。小批量生产的产品单件成本较高，受限的成本会造成完全不同的材料选择和加工方式，进而形成完全不同的造型。

例如，塑料和钢板是工业产品常用的材料，钢板的成本低，强度高，造型限制性大；塑料的成本高，强度较低，造型自由。钣金折弯工艺是小批量产品中常用的加工方法，一般用于加工具有简单二维形状如L形、U形、V形等产品。注塑工艺生产的产品造型较自由，形状和大小没有限制，且尺寸公差比较精确，但由于需要制作专用模具，注塑加工的费用较高，且大尺寸的模具对工艺水平的要求也很高。挤塑工艺操作简单、加工质量好、成本较低廉，一般用于制作条状、管状、片状形态的塑料制品，具有特定截面形状的小塑料件的制作可以采用该方法。

2 造型设计流程

解决小批量产品成本高、设计周期长、生产效率低的问题，规避成本和工艺的限制，需要从设计阶段就加以考虑。本文以小批量生产的工业产品为研究对象，探索出一套可以解决上述问题的造型设计流程。

2.1 确定产品的关键设计要素

运用感性工学的方法，确定人们对产品的感性认知影响较大的设计要素[3]，将其作为设计的重点。其步骤如下：

1)通过形态分析法，将产品分成若干个互相独立的形态要素，可分为定量要素和定性要素，前者有数量的大小变化，后者有不同的表现形式。

2)从网络、书刊等渠道搜集描述产品的词汇，即产品的感性意象。去除意义相似的词汇后，通过问卷调查选出票数最高的若干词汇，并找出与之配对的反义词汇。这几组词汇对构成产品的感性意象空间。

3)尽量搜集多样化的国内外产品样本，选取彼此间差异较大的样本作为调研样本。对调研样本图片进行归一化处理，去除颜色、背景、亮度等可能对调研结果造成影响的因素，选取相同的展示角度。

4)采用李克特量表制作感性意象调查问卷，调查人们对于样本的感性意象的认知强度。对包含使用者、设计者、行业专家在内的受试者进行问卷调查，整理有效的问卷结果，计算各个样本的感性程度平均得分。

5)对产品样本的形态要素取值和感性程度得分进行回归分析，其中感性程度得分为线性回归的因变量，形态要素取值为自变量。运用SPSS软件，将自变量和因变量导入多元线性回归分析模型中，可得到形态要素和感性意象的回归关系。

2.2 产品造型设计

在得到回归分析结果的基础上，根据形态设计要素对感性意象的影响程度大小，可以得到一些定性的设计建议。对感性意象影响程度较大的形态要素，是设计时要考虑的重点要素。

1)根据设计建议，对每个形态要素做若干个造型方案，并指明该方案所使用的材料和工艺。对感性意象影响大的设计要素，可以考虑采用较高成本的工艺、手段，如用注塑工艺使产品的造型丰富；对感性意象影响较小的设计要素，应尽量采用钣金、挤塑等成本较低的工艺、手段。

2)对不同设计要素组合所形成的不同的造型方案按估算成本进行排列组合，筛去成本超标的方案。

3)剩下的若干套设计方案，成本既在可控制范围内，彼此造型又有差异。

4)对不同客户的个性化需求根据特定的要素进行重新设计，其他设计要素可保持不变，重复2)、3)，此举可以缩短设计周期。

2.3 产品造型方案评价

运用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和模糊综合评价相结合的产品评价方法，从美学、使用性、经济性3个方面对得到的造型设计方案进行评价[4]，选择最优设计方案。

1)将美学、使用性、经济性3个评价原则分别展开进行细化，如图1所示。

图1 评价指标层次关系

2)运用YAAHP软件，创建模糊综合评价评测表，生成包含各项评价指标的调查问卷。邀请专家和设计人员对所有评价指标进行重要性评定，将评定结果导入YAAHP软件中，得到各评价指标的权重分配。

3)制作调查问卷，邀请专家和设计人员，依据各评价指标对产品的造型设计方案进行评价。评价分若干等级，分别对应不同的分值，可得到造型设计方案对于评价等级的隶属度矩阵。

4)将评价指标的权重矩阵、设计方案的模糊评价矩阵、隶属度矩阵进行数据运算，可得方案的综合评分，分数最高的方案即为最优设计方案。

3 实例应用

以医用生物安全柜为例。生物安全柜是用于医院静脉滴注药物配置的柜体，通过外部不断补充洁净空气使柜内保持正压，从而保护药品不受外界空气的污染，同时保证医护人员免受毒性药物伤害。依据企业销售数据，客户每批次订做的数量约在200台，符合小批量生产的特点。生物安全柜外形和结构如图2、图3所示。

图2 生物安全柜外形

运用形态分析法对生物安全柜进行解构，将其分为图4所示的7个形态要素。依据具体样本的形态差异，7个形态要素又细分为12个形态设计要素，见表1。

图3 生物安全柜结构

图4 形态要素图示

表1 生物安全柜的设计要素取值

通过问卷调查确定产品的感性意象，得票数排在前面的意象词汇对为污浊的—洁净的、危险的—安全的、落后的—先进的、刚硬的—柔和的、压抑的—轻松的、简洁的—复杂的。

将搜集到的生物安全柜样本依据形态差异性进行分类筛选，得到13个彼此差异较大的生物安全柜样本，样本1的感性意象问卷调查结果见表2。回归分析结果见表3。

表2 样本1感性意象调研结果

表3 线性回归分析结果

线性回归分析结果即标准系数，其值的大小代表该设计要素对感性意象的影响程度，正、负号代表增强或削弱产品的感性意象。从表3可以得出以下建议：1)增加产品安全感可以采用板式支架；2)增加产品柔和感可以采用弧面的控制面板及玻璃侧板；3)增加产品轻松感可以采用弧面的控制面板，避免采用弧形的前罩；4)增加产品简洁感要避免采用弧形的前罩。

至此，得到产品的关键设计要素为支架形式、控制面板形状、前罩形状，这3个设计要素在进行生物安全柜造型设计时需要予以重点考虑。

整理评价指标问卷调查结果，得到评价指标的权重如图5所示。

图5 评价指标权重

生物安全柜的造型设计方案1如图6所示。

图6 生物安全柜造型设计

把对方案的评价分为5个等级，分别是很差、差、一般、好、很好，各评语的分值分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0，得到评语集V=(0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)T。方案1的评价结果见表4。

表4 设计方案1评价结果

用每个评价指标所得的票数除以受测人数40，得到方案1评价结果的模糊评价矩阵:

设计指标的权重矩阵W=(0.102 1，0.129 7，0.214 7，0.080 7， 0.052 6，0.025 5，0.029 0，0.211 6，0.093 1，0.061 0)，各评价指标对评判集合的隶属度向量B1=W×R1=(0.141，0.230，0.324，0.214，0.090)。综合评分X1=B1×V=(0.141，0.230，0.324，0.214，0.090)×(0.2，0.4， 0.6，0.8，1.0)T=0.577。同理得到方案2综合评分X2=0.563，方案3综合评分X3=0.569，产品原造型的综合评分X4=0.544。方案1综合得分最高，为最优设计方案。

方案1的控制面板采用注塑工艺，搭手采用挤塑工艺，其他部分采用钣金工艺，此方案既规避了全部采用钣金的冰冷感觉，又解决了全部采用注塑工艺的高成本和强度不足的问题。与原产品相比，方案1在美观性和品质感方面有较大的提升。依据模块进行个性化差异设计，缩短了为特定客户重新设计方案的周期。实践证明，本文提出的针对小批量生产工业产品的造型设计方法是可用且有效的。

4 结束语

如今，个性化定制和小批量生产成为制造业的热点话题。本文提出了一种基于感性工学和模糊层次分析的产品造型设计方法，通过回归分析得到产品的设计建议和造型方案，对方案进行成本验证，然后通过模糊层次评价法得到最优的设计方案。该方法避免了因成本超标而需要反复修改设计，达到控制成本、缩短生产周期的目的。按照此方法，进行了生物安全柜的设计实践，验证了本文的研究效果。本文对小批量生产方式的分析和造型设计流程的探索，对企业的设计过程优化以及关于小批量产品造型设计的学术研究，都有一定的参考意义。