基于系統設計理念的數控機床外觀研究

張振凱 梅紹國

摘 要：本文主要在系統設計理論指導下闡述數控機床的外觀設計問題。首先對系統設計理論進行探討，明確設計產出應以三點核心流程為指導，遵循系統設計理論三大原則；然后對各大品牌機床外觀的元素使用、色彩使用進行調研分析，對人機工程學數據進行收集；最后在調查研究的基礎上進行形態要素、色彩要素、人因要素和結構要素的分析，把產品的功能性和審美性相結合，以此提升產品的核心競爭力和品牌效應。在整個設計過程中，需要考慮所有與產品外觀相關的因素，如工程原理、工藝結構、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系列產品外觀審美性弱、品牌化弱、無統一視覺形象的問題，以實現該品牌應有的品質。

關鍵詞：產品設計；數控機床外觀；系統設計

一、緒 論

數控機床由美國發明家John Parkinson在20世紀50年代末發明，世界機床行業歷經了近70年發展后快速進入了產業化進程，在機器制造業的地位越發舉足輕重。

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

學者孔苓燕在文獻《淺談系統設計在產品設計中的應用》中談道，設計應是理性與感性相結合，科學和人文相結合，不能孤立地側重某一方面。[1]文獻《基于產品系統設計理論下的兒童相機設計》中指出，系統設計對產品設計的意義在于人文和經濟兩大方面。[2]文獻《基于系統設計下的產品識別研究》中提到系統設計理論運用到設計中是為了把握設計方向，規范設計流程。[3]

通過這些文獻可以發現，國內機床產品的問題皆是因為缺乏系統設計理念。前人所研究的皆從系統之整體出發，對系統的拆解與組合、元素與整體的探討略顯不足，因此，本文決定以此為出發點。在系統設計理論的基礎上，考慮元素與整體的關系，設計出三款機床，為我國數控機床的外觀設計提供參考。

二、相關理念研究

（一）系統設計方法概述

系統是為了構成一個整體或達到一個目標集合若干要素的總和。系統由三個部分組成：元素、結構和功能。[1]系統設計理論形成于20世紀初，其考慮多個因素，而非簡單的工業化制造，講究每個元素之間進行協調，從而形成穩固的系統結構，元素與結構共同作用實現產品的功能性產出。

（二）系統設計三大原則

系統設計理論是從整體出發，充分考慮客觀因素，使產品具有針對性。在具體操作中應遵循三大原則：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、環境相統一，尋找平衡與整體的最優解。開放性原則要求設計師不斷關注社會外界的革新變化，做到與新技術、新理念、新審美、新體驗無縫對接，滿足不同層次的需求。目的性原則要求產品的產出具有針對性，在充分調查研究的基礎上得出合理的設計。

（三）系統設計的核心流程

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

三、系統設計理念指導下的數控機床外觀設計

系統設計理論是一種觀念和手段，本研究在此基礎上進行了數控機床外觀系統設計的具體實踐。系統設計理念下的產品有六個重要的設計要素：形態要素；色彩要素；人因要素；功能要素；結構要素；環境要素。[1]此六要素結合社會、企業、用戶、產品等客觀條件，最終確定設計方案。

（一）形態要素

形態是產品設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，將產品的特征及屬性表現出來。在分析形態要素時有兩個要點：整體形態要滿足企業形象，部件造型要滿足基本功能，兩者互為呼應。

1．整體造型

根據系統設計開放性原則要求，設計要隨時關注外部條件。此處著重分析國外同類產品的設計情況。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：馬扎克機床善于運用直線并輔助大圓角進行造型；德瑪吉機床曲線運用較多，用直線或傾斜曲線輔助造型；斯圖特機床善于運用短線條連接進行造型設計；而哈斯機床多運用垂直直線造型。德瑪吉機床給人靈動、活躍之感，而哈斯機床則更加穩重、敦厚。由此判斷，運用直線元素造型可以突出機床的工業特性：可靠、精密、穩定及剛硬。曲線的運用可以增加機床科技、律動的屬性。

在此研究基礎上結合企業文化和企業宗旨，為匹配產品形態，以直線、直面為主，方體穿插為輔，倒角輔助造型，塑造穩重、內斂之感。以下列出所有可行的穿插方案進行備選，并綜合其他要素選出三款機床最終的整體形態（圖3）。

2．部件造型

構成機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，眾多元素相互呼應才能共同構成機床的整體造型。部件造型的設計要做到源于整體又服務于整體，在滿足基本功能的同時，在細節上加入共同的設計語言，從而達到設計的系統性。同時要根據企業要求融入相應的造型特點，如陜西諾貝特自動化科技有限公司企業文化較為莊重，設計時則著重表現穩重、內斂的特點。

3．視覺重心分析

設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定，在眾多穿插方案中結合結構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，視覺觀感較為穩定，符合企業形象和整體造型。

（二）色彩要素

很多學者都對色彩進行了深入研究，據統計表明，人觀察一個產品的順序為：色彩、形體、質地。[4]在工業產品中，色彩對觀感的影響最為直接有效，觀者對產品的印象程度取決于色彩的質量。為此，我們進行了大量調研分析。

1．工業類產品色彩調研

根據系統設計的整體性原則，在進行色彩設計之前先進行工業類產品的色彩調研，了解色彩現狀及趨勢，做到整體把握。在小型工業產品中色彩使用比較自由，如音箱、手機、加濕器、鼠標、風扇等產品，可以根據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。但在大型工業產品中色彩使用要謹慎，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，不會產生焦躁情緒，鮮艷的色彩多作為點綴出現，目的是在造型的關鍵處起到裝飾的作用。經調研發現，橙色、綠色、藍色在工業產品中出現較為普遍，這三種顏色與其他色彩的占比如圖7所示。大型工業產品中點綴顏色占比在5%～30%之間。由此可知在方案產出時，應遵循兩到三種顏色、低飽和度、少量鮮艷色彩的用色規律。

2．各大機床品牌色彩研究

分析系列產品的色彩使用頻率，可以了解到各大品牌的用色規律，如果該品牌已經形成了自己的設計系統，那么其系列產品中的高頻使用色彩很有可能已經成為品牌的標志。這也是避免產品落入同質化的一個可行性方法。筆者在大量收集品牌產品并進行分析之后得出下圖數據（圖8）。公司LOGO為藍色，產品視覺觀感必須與企業相符合，結合圖7研究可知，企業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色（C：100 M：60 Y：0 K：0）。

（三）人因要素

1．人機要素

人機工程學在產品中的應用非常必要，如果沒有按照人體生理構造安排產品各個元素的布局，使用者就不能舒適地進行操作，甚至有可能造成人體損傷，如肌肉勞損、視覺損傷等。機床設計中需要考慮到人機工程學的元素，具體有機床門、把手、操作面板、觀察視窗、維修口、底部內凹容腳裝置等。機床門的大小需要考慮工作臺尺寸、送料機寬度、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，根據手握橫截面尺度，機床把手橫截面直徑應在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]在以上調研數據的支撐下，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，經常可以看到的A級面，即正面頂面，設計較為感性舒適，不經常看到的B級面，即側面和后面，設計較為理性。從功能劃分上來看（圖12），A級面板含操作區和觀察區，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、進出水電區等，所以部分機械結構可以適當外露。

（四）結構要素

數控機床系統設計過程中不可忽視的一點是機床的結構要素。系統設計的目的性原則要求外觀設計需要有針對性，每款機床各自的內部結構不同，以圖13展示的NOG350X-CNC為例，外觀的體塊關系安排跟隨機床內部結構。面對目標產品，需要綜合考慮所有元素，由內而外，由大及小，由淺層到深層。

機床在運轉過程中，內部部件的位移對外觀會產生很大影響。因此在進行外觀造型設計時，要熟悉結構的運轉方式，為內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，在設計外觀時預留了空間。

每款機床除了核心結構之外，還有操作面板、水箱、液壓站、信號燈等部件，這些部件結構特殊，需要結合工程師意見決定是否進行整體化的設計。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更新帶來的硬件換代，可采用全面屏觸屏操控。

四、結 語

本研究主要運用系統設計理念對機床外觀進行系統設計，主要體現在對企業、人、產品的綜合考慮，以及經過分解各個元素的考慮上。將系統設計三大原則運用其中，設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。最后設計產出有效提高了機床的品牌化、系列化和美觀性。明確機床設計應遵循設計的三大原則，應協調元素與整體兩方面，這對國內機床的發展起到積極的引導作用。

（西安美術學院設計藝術學院、陜西省文化館）

參考文獻

[1] 孔苓燕，謝慶森．淺談系統設計在產品設計中的應用[J]．設計，2013（6）：184-185.

[2] 曾勇，高涵茜．基于產品系統設計理論下的兒童相機設計[J]．科技視界，2019（9）：40-41.

[3] 陳力，慕璐璐．基于系統設計下的產品識別研究[J]．科技視界，2020（10）：241-242.

[4] 袁雪嬌，程鯤，王基生，等．基于構成要素的數控機床造型特征研究[J]．機械設計，2014（8）：118-121.

[5] 林敬亭，李嬌．基于要素分析的機床產品外觀設計研究[J]．設計，2013（10）：42-45.