裝備制造業工業設計程序研究與應用

任勇威

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

“裝備制造業”的概念可以說是我國所獨有。它的正式出現，見諸于1998年中央經濟工作會議明確提出的“要大力發展裝備制造業”[1]。我國的裝備制造產品經過數十年不斷迭代發展，目前已進入到高端制造階段。因此，提出適合的設計創新原理和方法，對我國高端裝備行業的未來戰略發展極具現實意義[2]。

目前，工業設計在國內裝備制造業的重要作用已經凸顯，國內大型的裝備制造企業幾乎均配備了專業的工業設計團隊，但在工業設計程序具體開展方面尚未成熟，還仍處于探索階段。工業設計程序不能完全“拿來主義”，必須根據裝備制造業特征和產品屬性進行細致深入地研究，從而在企業乃至行業內探索出一套行之有效的工業設計程序。

2 工業設計程序限制因素

裝備制造業涉及眾多行業門類，但現有文獻中的裝備制造企業多是指生產和銷售裝備類產品的制造類企業[3]。裝備制造產品因其多用途、多系統、多操控的復雜性，在一定程度上制約了工業設計程序的展開。因此，此類產品的工業設計需求要從其功能結構、工藝成本、開發周期等各個方面進行多維度的綜合考量，以便達到最優的設計方案。結合裝備制造產品的特殊性，其工業設計程序限制因素主要有:功能主導形式、制造工藝限制、開發周期限制。

2.1 功能主導形式

裝備制造業產品是國之重器，是實施國家戰略和發展經濟的重要保障，它不同于其他消費類商品，物質功能是支撐，也是最基本的需求[4]。裝備制造業產品技術方案和總體設計要經過反復的推敲和評審，主結構件和關重件需要經過科學地計算分析、實驗驗證，才能保障產品主要功能的順利實現。基于此，在進行工業設計時應首先考慮產品的功能實現，外觀上單純追求美學范疇的“美”，就容易產生原則性的錯誤，反而喧賓奪主。將實現功能技術與設計美學有機結合，形成工程美學，才是好的工業設計。

2.2 制造工藝限制

裝備制造產品多為重型工業機械，零部件多、焊接量大、質量可靠性要求高。通常采用行業常規的成熟工藝路線，多以金屬板材、型材、復合型工程材料為主要用材；以剪切、折彎、沖壓、鑄鍛、鉚焊等為主要制造加工工藝，產品的產量需求將直接決定其工藝成本。另外，根據部分產品實際產量需求，如非標、定制化裝備，不會考慮投入批量化模具，而采用簡單的加工工藝或一次性成型工藝。因此，在工藝因素限制下，產品的工業造型空間和設計自由度也會相應減小。

2.3 開發周期限制

裝備制造業中的產品開發，與企業參與工程投標、參加行業展會、產品升級換代等品牌發展戰略息息相關。目前，各裝備制造企業在國內基礎設施建設，尤其是大型建設工程投標中競爭日益激烈。企業為了贏得競標機會，會加速產品研發，對企業產品加工生產周期的壓縮提出了更高要求[5]。另外，如bauma工程機械展、BICES北京工程機械展等行業盛會，各企業爭相借機進行新品發布，以求提升品牌影響力。除品牌發展戰略因素外，產品研發周期也受產品本身功能特性的制約。例如農用機械需根據農作物收獲季節計劃上市最佳時間，由此會限制產品的開發周期。

3 工業設計程序

工業設計是運用各學科知識，對產品功能結構、外觀形態、涂裝色彩、內飾材料和人機交互等方面進行創新的設計活動，而具有邏輯性地開展工業設計工作的一系列步驟就是工業設計程序。工業設計程序是結合產品開發輸入條件，按照一定順序形成的流程式作業步驟，流程中的每個環節都有其目的性和必要性，其作用就是使工業設計工作有條不紊地開展。裝備制造業的工業設計過程就是對各種裝備產品在設計過程中所可能發生的各種設計活動、設計環節按一定的邏輯順序有機組合，從而構建一套完備的設計過程。結合裝備類產品開發全過程，工業設計程序可分為設計調研、方案設計、方案評估、樣機評估、設計定型五個部分，見圖1。

圖1 工業設計程序

3.1 設計調研

設計調研區別于市場調研，市場調研是指系統地、客觀地收集、整理和分析市場營銷活動的各種資料或數據[6]。而工業設計強調設計本身的研究和調查，是要了解用戶的需求和取得新產品規劃的要素[7]。例如，一個新產品如何從外觀上就能體現出高檔次?駕駛室座椅是選擇皮革還是混合織物?金屬件是用亮面還是亞光面?色彩是用低純度還是高純度?這些問題都需要經過調研取樣的統計檢驗才能測定，工業設計師通過對設計調研渠道掌握了所有的用戶和需求信息，使得用戶的意見在產品規劃和設計初期就能滲透其中，它們將會成為產品是否獲得用戶好評的重要因素。而大部分的裝備制造企業，則主要通過圖文資料的分析研究，來完成前期的設計調研環節。少數項目的工業設計環節，相關人員可以參與項目組的實地調研，從市場及用戶的角度，分析和總結設計切入點。

裝備制造產品種類繁多，并且各自功能用途、性能特點、外形特征迥異。因此，設計需要有一個清晰精準的方向，調研的最終目的旨在設計定向，即確定產品設計造型偏好和設計重點等框架性內容。設計定向是產品設計階段的重要環節，這也是產品能夠開發成功的關鍵。設計定向首先要對所開發產品的同類型競品或近似產品進行國內外標桿研究，競品專利檢索和資料分析后再把研究工作全面展開。除看得見的造型元素、色彩設計、CMF外，還要對設計理念、企業文化的體現等進行詳實的研究與討論。前期的調研工作，都是基于項目的具體技術要求進行開展。

3.2 方案設計

方案設計環節是基于前期設計定向進行的設計創作。設計本身就是一種主觀上的創造性活動，而非一種天馬行空的自由臆想，是需要在一系列客觀條件限定下進行的。對于裝備制造產品的設計來說，前期設計定向中的各個研究結論作為輸出結果就是客觀條件限定。方案設計則是將客觀條件限定與設計自由度控制在最佳的協調狀態。通常方案設計可以分為創意設計和計算機輔助設計兩個階段，見圖2。

圖2 青貯收獲機手繪草圖和三維效果圖

創意設計階段一般采用意向圖片、手繪草圖、手繪效果圖等來表達工業設計師的設計意圖及理念。該環節常用頭腦風暴法、歸納法、比較法等工業設計方法，經過多次討論篩選和驗證，最終將會從眾多初稿中選取優選方案進行后續深入設計。

計算機輔助設計階段，是對創意設計階段優選方案的三維數字化、視覺化、工程化。首先通過工程軟件進行人機工程布置設計并建立三維模型，而后利用渲染軟件對模型材質及色彩進行效果渲染，以得到模擬產品最佳視覺效果，極大提升了設計的直觀性、準確性[8]。此階段的輸出物主要為產品效果圖，是后期方案評估的主要素材依據。

3.3 方案評估

方案評估是對以上已完成工作環節的一種階段驗證，也是作為一項嚴謹科學的工作流程中必須的步驟。裝備制造業的工業設計程序中，方案評估環節具有重要意義。國內企業常用的工業設計評價方法是核心決策制和群體決策制。核心決策即召集企業產品開發相關部門領導和研發骨干，在會議上進行討論和評議，選擇最終方案和優化意見；群體決策則在各部門抽取一定比例樣本，采用問卷或投票方式確定方案或設計方向。

有些企業會拿來現成的評價系統實施方案評估，但生搬硬套往往適得其反，并不適用于裝備制造業。不同的評價方法對被評價對象是有偏好的[9]，因此，應該結合行業特點來構建裝備制造業工業設計程序的評價體系，以得到相對公正客觀的評審結果。目前國內裝備制造企業的工業設計程序中的方案評估方法研究還處于起步階段，仍需要做大量的探索和研究工作。由于本文重在研究設計程序，且工業設計評價方法是一套獨立的較為復雜的體系，因此本文對方案評估的內容不作展開論述。

3.4 樣機評估

裝備制造企業的工業設計師，需要具備多學科綜合知識，承擔多樣化整合性工作，除前文論述的三個環節外，還需跟進樣機試制、參與樣機評估，以驗證設計方案的轉化率，為后續項目實施積累實戰經驗，提升個人及團隊的設計能力、設計質量。樣機評估分為虛擬樣機評估和試制樣機評估兩個方面。虛擬樣機是需要以計算機和軟件系統為載體建立數字原型，具有模擬真實度高的特點。通過CAD、CAM和CAE等計算機技術對數字模型進行工程建模和仿真計算，以便對備選的多個設計方案進行測試和評估，根據導出結論報告不斷優化和改進。虛擬樣機是工業造型設計方案的仿真驗證。此環節中，工業設計師需實時跟進結構計算、工藝轉化等各環節，充分利用各環節專業人員的專業能力促進設計效果達到科學性、合理性、可操作性[10]。

試制樣機即實物樣機，是裝備制造業產品正式投產前的必要驗證，見圖3。試制樣機評估是對試制出來的實物樣機進行功能、性能、操控等技術參數各方面進行實地試驗以驗證設計的可靠性，與虛擬樣機評估相比，使用實物樣機驗證更形象、更具有針對性。工業設計師跟進樣機試制及評估環節，是對設計方案的工程性、工藝性、轉化率最直接的驗證。其評估結果可結合設計輸入階段的各項技術要求、虛擬樣機評估結果有效整合，對產品設計的多個方案都可以進行驗證評估，不斷優化和改進，最終獲取最佳方案。可按需進行多次評估，促使產品不斷完善，是產品量產前的工業考核重要內容之一。

圖3 鐵建重工4QZ-6000青貯收獲機試制樣機

3.5 設計定型

工業設計工作程序的最后環節是設計定型，也是產品研發設計的最后關鍵步驟。由于裝備制造業產品研發都需要投入相當高的資金成本、時間成本、人力和物力成本等，這就要求在最后的環節嚴格把控、排除風險，此環節的目標就是對產品設計整體過程進行全面復盤并確認，以便為后續產品批量實施打下良好基礎。

設計定型工作的具體展開是確認產品開發項目預定的技術要求和經濟指標是否已全面達成，例如產品的工藝性是否合理，生產方案是否可行；各項設計圖紙和技術文件是否符合生產使用要求；產品整體布置、結構、人機及外觀等是否合理協調等等。以上所有工作需要進行設計定型評審，組織戰略、研發、制造、營銷等部門最終討論確定，產品即可投入正式小批量生產。

以上為工業設計程序五個重要節點，它們按照產品開發邏輯組合展開，但又具有各自獨立屬性。在產品開發過程中，要根據實際情況靈活應用。

4 工業設計程序在產品開發中的應用

裝備制造企業中實施工業設計程序需要緊密結合產品開發流程，企業結合市場和營銷，對產品進行規劃、設計、生產、宣傳等，不同職能部門負責一系列的活動[11]總和即產品開發流程，就工業設計對于產品設計的介入時間關系來說總體分為前置、后置和全周期三類應用方式。

4.1 前置程序

前置程序是指在產品設計前導入工業設計程序，在此過程中，工業設計程序作為產品開發中的第一個環節，見圖4。通常，產品項目負責人會將前期產品規劃的要求作為輸入條件，工業設計師根據輸入轉化為設計語言進行展開，利用手繪草圖、二維或者三維的效果表現手法提供可視化的創意概念方案，對產品機電液布置提出建議，通過一系列評審確定最終方案，以便于后續的工程轉化。

圖4 前置程序

前置程序主要適用于老產品的改良或系列產品的持續開發，即產品工業設計在保留原設計風格和視覺特征的基礎上，改進一些局部設計，或在系列產品上增加符合產品品牌特征的設計元素。由于該形式的產品設計已有原型機，在保持企業品牌統一視覺特征的前提下進行新的改良和系列化設計，因此，前置程序是工業設計師只在產品規劃階段輸出概念方案，后續工程轉化和產品設計由產品項目組的機電液工程師完成。其優勢是工業設計能夠較早介入產品開發，在總體方案時期進行產品的全面設計規劃，但劣勢也即前道環節的細微缺陷，都會在后道環節加倍放大，會造成產品質量的風險。

4.2 后置程序

后置程序是指在產品設計方案評審定型后，將工業設計導入產品設計，見圖5。該形式目前較普遍地應用于產品開發，即總體方案、產品布置和結構定型后，工業設計再介入產品設計進程。工業設計師根據產品機電液布置和結構，對產品工業造型、涂裝、人機安全和便捷性等進行設計，再通過評審將方案定型固化。

圖5 后置程序

由于裝備制造產品開發多數是以實現功能為首要目標，因此，裝備制造企業的工業設計程序多以后置程序為主，該形式優勢在于保證產品功能用途實現的基礎上，又具備一定的工業美學屬性，并且規避了工業設計后續工程轉化的不確定風險。然而其不足就是產品的外觀與功能結構相對脫節，停留在“美化裝飾”的層面。另外，在布置結構定型的情況下，工業設計范圍和創意發散空間也已非常有限。

4.3 全周期程序

全周期程序，顧名思義則是工業設計程序貫穿產品開發始終，即在產品規劃階段輸出概念方案，在產品正式設計階段，工業設計師與機電液工程師協同設計，細化和調整之前的概念方案，產品試制后，結合評審結論進一步深化完善方案，見圖6。

圖6 全周期程序

全周期程序結合了前置程序和后置程序優勢，彌補了單一的“前”或“后”的不足，其又分為串行程序和離散型程序。串行程序是按工業設計程序的順序在產品開發流程中按部就班展開，主要用于產品的順向開發。此過程是一個從無到有的創造過程，在此過程中，工業設計經過不斷創意設計和調整評估，最終得出方案。離散型程序則是根據產品開發流程中的實際需求，將工業設計程序按需分配在某些環節，該形式主要應用于產品的逆向開發，即根據既有目標產品，通過掃描或測繪還原出三維模型，經過數據修正、參數改進后輸出結果，工業設計可以參與產品規劃、三維模型搭建、產品再設計等。逆向工程有助于節約研發成本和產品創新設計[12]。

全周期程序主要適用于企業全新產品或具有里程碑意義的產品開發，工業設計作為產品開發中重要創新方法，釋放強大的創意活力，可以為新產品開發提供全新的思維模式，在很大程度上拓展產品開發的視野。由于工業設計全周期程序貫穿始終，與產品開發流程結合緊密，環環相扣，因此，需要在各個銜接環節做好專業對接，才能使優勢得到最大限度發揮。

5 結束語

國家“十四五”規劃已開局，目前是實施工業戰略的關鍵時期，也是裝備制造業轉型發展的又一個良好機遇。在裝備制造業中，工業設計關聯產品研發全周期和全價值鏈，針對目前裝備制造業研發各項工作，必須要有嚴謹的工作程序來組織進行，以保障研發工作的高效有序開展。因此，通過在企業內建立一套行之有效的工業設計程序并嚴格執行，可有效促進裝備制造企業的創新設計和產品完善，進而激發企業研發活力和提高產品競爭力，有力推動行業提質和國家經濟的整體發展。