梳棉機外觀參數化設計與評價研究

楊寧　陳永超　張陽

摘要：本文旨在提出一套梳棉機參數設計的優化方案，以提升梳棉機外觀設計的品質。基于等參增量方式，由主創作面驅動，采用參數化方法得到多組優化方案，運用層次分析法進行設計方案評價，得出每個方案的評價分值，實現多方案擇優。結果得出九套梳棉機線型設計方案，基于簡潔、統一、穩重、科技感四個語義評價變量，得到最優設計方案。該方法適用于解決產品研發過程中的參數化設計與多方案局部擇優與決策的問題。

關鍵詞：工業設計;層次分析法;參數優化;梳棉機

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）06-0159-02

紡織工業是中國最有潛力率先跨入世界制造強國行列的工業部門之一[1]。我國紡織裝備技術性能已接近國際先進水平，但外觀設計仍然簡陋，使其產品附加值無法充分發揮，利潤空間被壓縮。本文旨在關注梳棉機外觀造型并提出新的設計思路與方法。

參數化設計現廣泛應用于各個領域[2]，參數化設計方法因其系統可控性與可修改性，極大地提高了設計效率，也因結果的動態性與多樣性為設計提供更多可能性。紡織機械設備因其外觀結構相對簡單，線型結構清晰，主次分明，易于采用參數驅動法來優化設計，以高效地獲得多套設計方案。層次分析法（AnalyticHierarchy Process，AHP）起源于20世紀70年代中期，廣泛應用于與決策相關的各領域[3]。此方法是可對較復雜、模糊問題做出決策的簡單方法，適用于難以完全定量分析的評價與決策問題[4、5、6]。因此，梳棉機參數化設計的后期評估過程中，用層次分析法可實現多方案擇優。

1 梳棉機外觀設計的參數化實現

梳棉機是對棉（纖維）卷或油棉（化纖）層進行開松和除雜工序的一類紡織機械。目前，市面上的梳棉機外觀呈全包裹箱型結構，部件劃分清晰，造型語言單純。因此適用于由主創作面驅動進行參數化設計。通過以下三個步驟實現梳棉機設計的參數化：主創作面的確定、參數關系的構建、多方案的生成。

1.1 主創作面的確定

主創作面即大多數設計元素所在的正交平面，通過對該面上的設計元素處理，構建與其它創作面設計元素間的關系，實現對整體設計的驅動，以完成整體設計方案。Ghun-Heng Ho等作者在研究曲率對移動設備形象影響時，就將造型處理方式聚焦在移動設備俯視圖角度[7]。參照該方法，本文選用梳棉機的側視面為主創作面（如圖1），主要設計元素包括線CF、輪廓線AB、曲線PC。

1.2 參數關系的構建

由線型設計分析可得，在機身后部箱體功能區固定的前提下，通過改變前側箱體造型語言，即使機身整體變化，從而呈現多種線型設計方案。通過定義角度大小，能夠驅動整體線型變化生成多個設計方案，實現梳棉機線型造型的參數化設計。

由圖1可得，線條簡化后的梳棉機前側結構中，輪廓線CF為造型語言核心之一，而∠C的角度大小則控制著線CF的傾斜度，也由此影響著造型方向，從而決定了機床整體的變化風格。

基于Creo軟件平臺構建設計參數關系：線段GD、線段DE、線段GF、∠A、∠B、∠C為強約束，線段AG為弱約束（其它線段均無約束）。至此，當更改∠C，則∠A，∠B均不發生變化;線段AB增長。

觀察窗同樣是決定造型風格的核心語言之一，據形式美法則中“統一與變化”原則，在線型設計初始即定義側部觀察窗應與前部輪廓線AB具有呼應聯系，前部觀察窗與側部觀察窗輪廓線呼應。而AB的傾斜變化可由∠B加以控制，因此將控制觀察窗底部造型的曲線PC與∠B建立約束時，即可實現以∠B驅動觀察窗造型弧線和開口面積的變化，也即整體造型風格變化。

引入觀察窗初始矩形Z1、Z2、Z3，邊緣切割曲線PQ，同時延長AB至M。建立強約束關系如下：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6與AM的距離、l1、l2。至此，更改∠B，則曲線PQ位置發生變化，使得曲線PQ與矩形Z1、Z2、Z3所圍成的面積即觀察窗的面積產生變化。

1.3 多方案的生成

應用等參增量的方法實現多方案的生成。Janneke Blijlevens等作者在研究倒圓角的角度大小對面包機外觀形態即產品典型性的影響時，通過設定角度跨度的方法，顯著地突出了角度對典型性的效用[8]。因此，本文在對梳棉機造型參數優化過程中，可參考該方法獲得多種方案。設定驅動條件∠C角度跨度范圍10°，間隔角度5°，分別為95°、100°與105°;而∠B角度跨度范圍為4°，間隔角度2°，分別為15°、17°與19°。由此搭配組合生成共計九套梳棉機造型方案。示意圖如下（圖2）：

參數化得出的多個方案必有優劣之分，這也就涉及到最優方案選取即后期評估擇優的問題，下文通過層次分析法獲得最優方案。

2 基于層次分析法的梳棉機外觀參數化設計評價

采用語義維度的層次分析法，能夠依照心理情感傾向，通過語義上的歸類，很好地解決復雜形態產品的多種方案中的評價擇優問題[9]。因此，在對上述所得的九套梳棉機造型方案進行的后期評估中，采用語義維度層次分析法。

課題組于2019年4月在北京國際機床展覽會上，對30名與會人員進行問卷調研，其年齡在30-45歲（其中女性13人），所從事工作均與紡織機械相關。初步得出每人三個共計90個梳棉機外觀評價語義詞。經過同義合并簡化后，對重復詞匯進行頻率排布，得出如下五個高頻語義，即簡潔（Conciseness）、統一（Unity）、穩重（Steady）、科技感（High-tech）。上述語義變量也是在多個設計研究項目中應用的高頻語義[10]。組織從事工業設計行業工齡3-5年的專業人員2名，工業設計專業科研人員1名，紡織行業工作人員1名以及機床代理銷售人員1名共計5名行業專家構成評議組，其中女性2人。對上述五個語義變量進行比較，得出如下主觀重要性判斷矩陣（表1，其中α1為簡潔，α2為統一，α3為穩重，α4為科技感）。

由綜合語義分值矩陣、根據冪歸一化法得出權值向量（0.2468，0.5606，0.1077，0.0849），矩陣一致性檢驗指標C.R=0.0659，滿足C.R

其中得分最高的組為3.5834分，即組⑦∠C=105°，∠B=15°的方案為最優方案，其渲染圖如圖3。

3 結論

通過等參增量方式，設定角度跨度區間，由主創作面驅動得到多組參數優化方案，運用層次分析法進行后期評估，可實現在多方案中的局部擇優，得出最優方案。本文提供一種針對紡織機械的參數化設計方法，其在適當的范圍內可實現設計品質的提升，增量過大或過小都可能降低設計品質，這也說明多設計方案必然存在一個最優結果，因此設計創新應在一定程度范圍內進行。本文還提供了有效而理性的后期評估思路，但僅限于有限方案的局部擇優。后續研究可繼續探索全局擇優的評價方法。

參考文獻

[1]同花順財經.孫瑞哲目標：沖刺世界紡織強國[EB/OL]https：//baijiahao.baidu.conVs？id-l630598354236808617&wfr-spider&ior-pc.201904-12

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[9]陳永超，邵永凱，安琦，基于主成分層次分析的產品設計語義差分評價研究[J]，包裝工程，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