梳棉机外观参数化设计与评价研究

杨宁　陈永超　张阳

摘要：本文旨在提出一套梳棉机参数设计的优化方案，以提升梳棉机外观设计的品质。基于等参增量方式，由主创作面驱动，采用参数化方法得到多组优化方案，运用层次分析法进行设计方案评价，得出每个方案的评价分值，实现多方案择优。结果得出九套梳棉机线型设计方案，基于简洁、统一、稳重、科技感四个语义评价变量，得到最优设计方案。该方法适用于解决产品研发过程中的参数化设计与多方案局部择优与决策的问题。

关键词：工業设计;层次分析法;参数优化;梳棉机

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）06-0159-02

纺织工业是中国最有潜力率先跨入世界制造强国行列的工业部门之一[1]。我国纺织装备技术性能已接近国际先进水平，但外观设计仍然简陋，使其产品附加值无法充分发挥，利润空间被压缩。本文旨在关注梳棉机外观造型并提出新的设计思路与方法。

参数化设计现广泛应用于各个领域[2]，参数化设计方法因其系统可控性与可修改性，极大地提高了设计效率，也因结果的动态性与多样性为设计提供更多可能性。纺织机械设备因其外观结构相对简单，线型结构清晰，主次分明，易于采用参数驱动法来优化设计，以高效地获得多套设计方案。层次分析法（AnalyticHierarchy Process，AHP）起源于20世纪70年代中期，广泛应用于与决策相关的各领域[3]。此方法是可对较复杂、模糊问题做出决策的简单方法，适用于难以完全定量分析的评价与决策问题[4、5、6]。因此，梳棉机参数化设计的后期评估过程中，用层次分析法可实现多方案择优。

1 梳棉机外观设计的参数化实现

梳棉机是对棉（纤维）卷或油棉（化纤）层进行开松和除杂工序的一类纺织机械。目前，市面上的梳棉机外观呈全包裹箱型结构，部件划分清晰，造型语言单纯。因此适用于由主创作面驱动进行参数化设计。通过以下三个步骤实现梳棉机设计的参数化：主创作面的确定、参数关系的构建、多方案的生成。

1.1 主创作面的确定

主创作面即大多数设计元素所在的正交平面，通过对该面上的设计元素处理，构建与其它创作面设计元素间的关系，实现对整体设计的驱动，以完成整体设计方案。Ghun-Heng Ho等作者在研究曲率对移动设备形象影响时，就将造型处理方式聚焦在移动设备俯视图角度[7]。参照该方法，本文选用梳棉机的侧视面为主创作面（如图1），主要设计元素包括线CF、轮廓线AB、曲线PC。

1.2 参数关系的构建

由线型设计分析可得，在机身后部箱体功能区固定的前提下，通过改变前侧箱体造型语言，即使机身整体变化，从而呈现多种线型设计方案。通过定义角度大小，能够驱动整体线型变化生成多个设计方案，实现梳棉机线型造型的参数化设计。

由图1可得，线条简化后的梳棉机前侧结构中，轮廓线CF为造型语言核心之一，而∠C的角度大小则控制着线CF的倾斜度，也由此影响着造型方向，从而决定了机床整体的变化风格。

基于Creo软件平台构建设计参数关系：线段GD、线段DE、线段GF、∠A、∠B、∠C为强约束，线段AG为弱约束（其它线段均无约束）。至此，当更改∠C，则∠A，∠B均不发生变化;线段AB增长。

观察窗同样是决定造型风格的核心语言之一，据形式美法则中“统一与变化”原则，在线型设计初始即定义侧部观察窗应与前部轮廓线AB具有呼应联系，前部观察窗与侧部观察窗轮廓线呼应。而AB的倾斜变化可由∠B加以控制，因此将控制观察窗底部造型的曲线PC与∠B建立约束时，即可实现以∠B驱动观察窗造型弧线和开口面积的变化，也即整体造型风格变化。

引入观察窗初始矩形Z1、Z2、Z3，边缘切割曲线PQ，同时延长AB至M。建立强约束关系如下：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6与AM的距离、l1、l2。至此，更改∠B，则曲线PQ位置发生变化，使得曲线PQ与矩形Z1、Z2、Z3所围成的面积即观察窗的面积产生变化。

1.3 多方案的生成

应用等参增量的方法实现多方案的生成。Janneke Blijlevens等作者在研究倒圆角的角度大小对面包机外观形态即产品典型性的影响时，通过设定角度跨度的方法，显著地突出了角度对典型性的效用[8]。因此，本文在对梳棉机造型参数优化过程中，可参考该方法获得多种方案。设定驱动条件∠C角度跨度范围10°，间隔角度5°，分别为95°、100°与105°;而∠B角度跨度范围为4°，间隔角度2°，分别为15°、17°与19°。由此搭配组合生成共计九套梳棉机造型方案。示意图如下（图2）：

参数化得出的多个方案必有优劣之分，这也就涉及到最优方案选取即后期评估择优的问题，下文通过层次分析法获得最优方案。

2 基于层次分析法的梳棉机外观参数化设计评价

采用语义维度的层次分析法，能够依照心理情感倾向，通过语义上的归类，很好地解决复杂形态产品的多种方案中的评价择优问题[9]。因此，在对上述所得的九套梳棉机造型方案进行的后期评估中，采用语义维度层次分析法。

课题组于2019年4月在北京国际机床展览会上，对30名与会人员进行问卷调研，其年龄在30-45岁（其中女性13人），所从事工作均与纺织机械相关。初步得出每人三个共计90个梳棉机外观评价语义词。经过同义合并简化后，对重复词汇进行频率排布，得出如下五个高频语义，即简洁（Conciseness）、统一（Unity）、稳重（Steady）、科技感（High-tech）。上述语义变量也是在多个设计研究项目中应用的高频语义[10]。组织从事工业设计行业工龄3-5年的专业人员2名，工业设计专业科研人员1名，纺织行业工作人员1名以及机床代理销售人员1名共计5名行业专家构成评议组，其中女性2人。对上述五个语义变量进行比较，得出如下主观重要性判断矩阵（表1，其中α1为简洁，α2为统一，α3为稳重，α4为科技感）。

由综合语义分值矩阵、根据幂归一化法得出权值向量（0.2468，0.5606，0.1077，0.0849），矩阵一致性检验指标C.R=0.0659，满足C.R

其中得分最高的組为3.5834分，即组⑦∠C=105°，∠B=15°的方案为最优方案，其渲染图如图3。

3 结论

通过等参增量方式，设定角度跨度区间，由主创作面驱动得到多组参数优化方案，运用层次分析法进行后期评估，可实现在多方案中的局部择优，得出最优方案。本文提供一种针对纺织机械的参数化设计方法，其在适当的范围内可实现设计品质的提升，增量过大或过小都可能降低设计品质，这也说明多设计方案必然存在一个最优结果，因此设计创新应在一定程度范围内进行。本文还提供了有效而理性的后期评估思路，但仅限于有限方案的局部择优。后续研究可继续探索全局择优的评价方法。

参考文献

[1]同花顺财经.孙瑞哲目标：冲刺世界纺织强国[EB/OL]https：//baijiahao.baidu.conVs？id-l630598354236808617&wfr-spider&ior-pc.201904-12

[2]杜思远，基于参数化的系列灯具造型设计[D].南昌大学，2016.

[3]张亮，黄艳群.运用层次分析法进行工业设计的方案设计评价[J]，长春理工大学学报，2006（03）：105-108+81.

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[8]Blijlevens Janneke， Carbon Claus Christian， Mugge Ruth. Aesthetic appraisal of productdesigns： Independent effects of typicality and arousal. British Journal Of Psychology.2012.1030）：44-57

[9]陈永超，邵永凯，安琦，基于主成分层次分析的产品设计语义差分评价研究[J]，包装工程，2018， 39 （22）：138-143.

[10]Hsiao Shih-Wen， Chen ChingHai. A sernantic and shape grammar based approach for productdesign. Design Studies. 1 997.18（3） ：275-296