（设计艺术学专业论文）数控机床外观件造型设计研究及其在ICAID系统中的实现.pdf

硕十学位论文 摘要 本论文是在参加国家“十五”科技攻关项目“基于设计知识和用户知识的网 络化数控机床造型设计与人性化界面技术及应用研究”的基础上完成的，主要研 究数控机床外观件的造型设计方法，以及如何在i c a i d 系统中建立外观件图库， 运用外观件图库实现辅助工程师进行数控机床造型设计的目的。 本文从设计思维入手，探讨了两种主要的造型设计的思维方法。通过工程师 数控机床造型设计的口语分析法实验研究，比较工程师与工业设计师进行数控机 床造型设计的思维过程差异，并且在此基础上对建立适合于辅助数控机床造型设 计的i c a i d 系统的框架提出了构想。 文中对数控机床的造型风格与形态进行研究，探讨了数控机床造型风格的形 成和形态的构成，并且对外观件影响整体造型风格与形念的因素进行了详细的分 析，总结出外观件的造型设计方法。本文还通过对数控机床造型设计过程的进一 步研究，提出了数控机床外观件造型设计过程模型，为i c a i d 系统的基本框架初 步形成打下了坚实的理论基础。 为了建立高质量的数控机床外观件造型图库，文中对外观件的造型设计方法 进行研究，分析了外观件的造型特征；并且对外观件造型设计中的人机工程与色 彩设计以及机床标牌设计方法进行深入的讨论，为设计出高质量且便于使用的外 观件造型提供了行之有效方法作为指导，也为i c a i d 系统外观件图库和配色器模 块的建立提供了理论的支持。 在对数控机床造型设计深入研究的基础上，建立了数控机床i c a i d 系统。文 中列系统的外观件图库和配色器模块的功能和用法进行了详细的说明，论述了这 两大功能模块对数控机床整体造型和色彩搭配的优化过程，体现了i c a i d 系统中 外观件图库与配色器辅助数控机床造型设计的强大功能。最后，文章在总结现有 成果的基础上，对外观件图库的完善和发展提出了建议与构想，以探讨未来外观 件图库辅助机床造型设计的实现。 关键词：c a i d ；l c a i d ；数控机床；外观件：口语分析法；外观件图库 数控机床外观什造型设计研究及其住i c a i d 系统中的实现 a b s t r a c t t h i st h e s i si sf i n i s h e do nt h eb a s i so fs t u d yo ft h es t a t e st e n t hf i v e y e a r ”s c i e n c e a n d t e c h n o l o g yp r o j e c t - - r e s e a r c ho ni n t e r n e t b a s e dc n c m a c h i n et o o l sf o r m d e s i g n a n dh u m a n i z e di n t e r f a c e t e c h n o l o g i e s a n d i m p l e m e n t a t i o n b a s e do n d e s i g n k n o w l e d g ea n du s e rk n o w l e d g e i tf o c u s e so nt h em e t h o d so ff o r md e s i g no fc n c m a c h i n et o o l sa n de s t a b l i s h m e n to ff e a t u r e - - c o m p o n e n t l i b r a r y i ni c a i ds y s t e m w h i c hi su s e dt oa i de n g i n e e rt od of o r md e s i g nw o r ko fm a c h i n et o o l s s t a r t i n g o i lt h ed i s c u s s i o no fd e s i g nt h i n k i n g ，t h i st h e s i s a n a l y z e s t w om a i n t h i n k i n gm e t h o d s o ff o r md e s i g n f r o mt h es t u d yo ft h ep r o c e s so f e n g i n e e rd o i n g f o r m d e s i g nw o r k ，w ec o m p a r e t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ni n d u s t r i a ld e s i g n e ra n de n g i n e e ri n d e s i g np r o c e s st h r o u g ht h er e s e a r c ho f v e r b a lp r o t o c o le x p e r i m e n ta b o u tm a c h i n et o o l s f o r md e s i g n b a s e do nt h es t u d yo ft h e e x p e r i m e n t ，w eb r i n g f o r w a r dt h ei d e ao f i c a i d s y s t e mf r a m e w o r kw h i c h i ss u i t a b l ef o ra i d i n ge n g i n e e rt od of o r md e s i g nw o r k o fc n cm a c h i n et o o l s f r o mt h es t u d yo f s t y l ea n df o r mo f c n cm a c h i n et o o l s ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h e c r e a t i o no fs t y l ea n dt h ec o m p o s i n go ff o r m w ea n a l y z et h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s o f f e a t u r e - - c o m p o n e n t s t ot h e s t y l e a n df o r mo fm a c h i n et o o l s ，a n ds u m m a r i z et h e m e t h o d so f f e a t u r e - - c o m p o n e n t sf o r md e s i g n t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h em o d e lo f f e a t u r e - - c o m p o n e n t sf o r md e s i g nt h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ep r o c e s s o fc n cm a c h i n e t o o l sf o r md e s i g n ，a n db u i l d st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e1 c a i ds y s t e mb a s i c f r a m e w o r k t oe s t a b l i s hh i g hq u a l i t yc n cm a c h i n et o o l s f e a t u r e - - c o m p o n e n tl i b r a r y ，w e s t u d ) , t h em e t h o d s o f f e a t u r e - - c o m p o n e n t sf o r md e s i g n ，a n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c s o ff e a t u r e - - c o m p o n e n t sf o r m i nt h e t h e s i s ，w e d i s c u s st h e d e s i g n m e t h o d so f f b a t u r e c o m p o n e n t si nt e r m so fh u m a nf a c t o r c o l o rd e s i g na n dl o g od e s i g n t h e s e m e t h o d sw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rf e a t u r e - - - - c o m p o n e n t sf o r md e s i g na n d t h ee s t a b l is h m e n to ff e a t u r e - - c o m p o n e n t l i b r a r ya n dc o l o rm a t c h i n gm o d u l ei nt h e i c a i d s y s t e m b a s e do nt h ed e e p l ys t u d yo fc n cm a c h i n et o o l sf o r m d e s i g n ，w ee s t a b l i s hi c a i d s y s t e m t h i st h e s i si l l u s t r a t e s t h ef u n c t i o na n du s a g eo ff e a t u r e - - - c o m p o n e n tl i b r a r y a n dc o l o rm a t c h i n gm o d u l e ，a n dd i s c u s s e st h eo p t i m i z i n gp r o c e s so ff o r md e s i g na n d l i 硕士学位论文 c o l o rm a t c h i n go fm a c h i n et o o l s ，w h i c hs h o w st h e p o w e r f u l f u n c t i o n so ft h e mo n a i d i n gc n c m a c h i n et o o l sf o r m d e s i g n f i n a l l y ，t h i st h e s i sb r i n gf o r w a r d st h ep r o p o s e f o rt h ed e v e l o p m e n ta n d p e r f e c t i o no ff e a t u r e - - c o m p o n e n tl i b r a r yo nt h ef o u n d a t i o no f t h ec o n c l u s i o nh a sb e e n m a d e ，a n dp r o b e s t h er e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o no f f e a t u r e - - c o m p o n e n tl i b r a r yt oa i dc n c m a c h i n et o o l sf o r md e s i g ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c a i d ；i c a i d ；c n cm a c h i n et o o l s ；f e a t u r e - - - c o m p o n e n t ；v e r b a l p r o t o c o l ；f e a t u r e - - c o m p o n e n tl i b r a r y l i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：i 崩时 日期：7 口悔年月弓- 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“- 4 ”) 作者签名：淌叶 导师签爱! 叁啦3 6 旷 - _ _ _ _ - _ _ - 一 日期：? 。a 拜年月多。日 日期：伽c f 年u 月；o 日 硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 数控机床的工业设计 进入2 l 世纪，世界经济格局发生了巨大的变化，全球产业的兴衰也愈分明。 靠天然资源与廉价劳工的经济势力f 1 趋衰退，而靠创造力、脑力与创新的经济则 同趋强大。人类社会已从0 e m 时代进入以知识为核心的0 d m 时代，并且更致力于 o b m 的发展。面对激烈的市场竞争，工业设计这门综合性新兴交叉学科在产品开发 中日益受到人们的重视。工业设计不只是一门应用科学，更是一种综合的技术， 设计师常常需要综合集成各种行业信息来优化工业设计，如图1 1 所示。 工业设计技术既有独特性，又与其它技术相关，其 工辩技术 应用、发展需要不断地与其它相关技术配套与协调， 。，1 人文# l q r 从而构成有效的设计体系。 l 、l k 蹬汁 1 9 8 0 年国际工业设计学会联合会( i c s l d ) 第 ，1 ) 理掌一， 、篮学 1 1 次年会上公布了修改后的工业设计的定义：就批人帆工程学 量生产的工业产品而言，凭借训练、技术知识、经圈1i 丁业设计的知识综合 验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工以及装饰以新的品质和 资格，叫做工业设计o 。从工业设计的定义可以看出，工业设计是企业产品开发的 重要组成部分，在促进产品升级换代，提高国际市场占有率，树立企业形象等方 面起着不可取代的重要作用。 随着我国机床行业的蓬勃发展，工业设讨在数控机床设计与制造领域中的地 位和作用更为突出。现代机床设计已由传统的片面强调功能的设计观念向功能与 形式相协调的人性化设计方向发展，工业设计的作用在机床的研发过程中也显得 越来越重要： ( 1 ) 工业设计能提高机床美学质量。 所谓机床的美学质量是指机床的外观质量，包括形态、色彩、质感和装饰等综 合整体给予人们的审美形象。数控机床是多种技术的综合体，因而在设计过程中 仅仅局限于使其安全、快捷以及功能性的提高已经无法满足人们的需求，设计师 还应注重其操作过程的舒适性、宜人性的要求。要使我国机床制造业能在激烈的 国际市场上具有竞争力、需要在保持其高质量的、低成本的同时，还要充分发挥 工业设计的在机床设计中的作用，赋予机床“从内到外的”高品质。 ( 2 ) 工业设计法则对机床造型设计起着指导作用。 要塑造美的形式在很大程度上受到相对独立的审美法则的制约，机床造型设计 数控机床外观l ，| ：造型设计研究及其在j c a d 系统中的实现 | 司样也需要一些审美法则束加以指导”1 。在数控机床造型设计中贯彻例如：对立与 统、比例与尺度等等造型设计法则，有利于处理好机床局部部件造型与整体造 型之间的关系，以获得风格统、比例协调的机床造型。 工业设计将技术与艺术完美的结合，在机床设计与制造领域中发挥着重要的作 用。我国的机床行业现己进入新的发展时期，但我国数控机床的造型以及制造工 艺等方面与国外同类产品相比有着明显的差距，这将直接影响了我国机床产品的 市场竞争力。要实现我国机床行业的腾飞，必须运用工业设计的理论与方法，提 商数控机床产品的外观质量和宜人性，增强产品的附加值与整体造型效果，以满 足市场竞争的需要。 1 2 数控机床外观件的工业设计 数控机床的整体造型是由外观件组成。数控机床外观件可以定义为：组成数 控机床外观造型的所有部件，包括机床的外罩、门、观察窗、把手、数控装置、 排屑装置、水箱、油箱、电控柜、标牌等等部件，但是在我们所建立的l c a d 系 统中着重研究机床门( 包括门上的观察窗) 、把手和标牌等对机床外观造型影响较 大的外观件。数控机床整体造型与外观件造型、外观件与外观件造型之间的关系 是有机的协调关系，整体造型是通过外观件造型的有机统一来实现其造型的目的。 外观件的设计对数控机床整体外观质量以及机床使用的操作性能有着重要的影 响，因此外观件造型设计是数控机床的造型设计重点。 外观件的造型设计实际上主要是针对组成数控机床的各个部件分别进行设 训i 。由于数控机床的外观件数量较多，而且不同的外观件的造型设计方法大不相 同，因此外观件造型设计需要考虑的因素较多，涉及到工业设计相关理论与方法 的多个方面。工业设计是对产品形态、结构、色彩、人机工程等全方面的完善。 在外观件的造型设计中，需要以审美法则作为指导，使得外观件造型与机床整体 比例尺度适当，风格协调统一。目前的数控机床是以单件、小批量的生产纲领组 织生产，外观件不采用模具冲压成型，而是采用钣金工艺生产。钣金工艺上的特 性与造型单元的处理和表现有着紧密的联系。外观件的造型设计要考虑材料的特 点，使得机床造型结构合理，能更好地反映其功能的要求。数控机床作为大型的 机电产品，其性质决定色彩搭配力求简洁。外观件的色彩设计中运用配色的理论 来指导，使得机床各部件色彩搭配协调，以提高机床的整体外观质量。另外，由 于数控机床的操作比较复杂，用户在使用的过程中接触较多的是机床的门、把手、 观察窗、数控面板等操作部件，因此在外观件设计中需要重点考虑设计对象使用 的人机工程因素，造型设计要以便于用户使用为基本前提，以提高机床的人性化 程度。 工业设计在数控机床外观件造型设计中有着重要的作用，外观件的设计将直 硕十学位论文 接影响数控机床的整体造型效果和使用性能。冈此外观件的造型设计要以丁j 业设 计的方法为指导，全面提高外观件的形态、结构、色彩等方面的质量，通过外观 仲的设计来进一步完善机床整体造型，以获得较好的机床造型设计效果。 1 3 数控机床外观件造型设计研究现状与“十五”课题的提出 1 3 1 数控机床外观件造型设计研究现状 数控机床是主导性的机床产品，数控机床的造型设计是具有典型性和代表性 的，而数控机床外观件的造型正是体现机床整体造型风格的主要部分，因此研究 数控机床外观件的造型设计有着重大的理论价值和现实意义。研究数控机床外观 件的造型设计方法，旨在探索数控机床造型设计行之有效的途径，从而提高数控 机床产品的外观质量，增强产品的整体效果和附加值，以满足市场竞争的需要。 对于数控机床的造型设计方法，在国内已有许多院校和科研机构进行了这方面 的研究。但对于数控机床外观件的造型设计方法以及外观件造型与机床整体造型 之间的相互关系的研究在国内开展的还比较晚。但从国内的一些高校和科研机构 发表的论文中可以找到与此相似的关于产品造型方面的研究。这些研究虽然不是 针对数控机床的造型方面，但提出了把产品的功能部件进行“模块化”的概念。 为了满足市场对产品多样化的需要，把组成产品的部件划分为独立的功能单元， 通过不同功能单元的排列组合，以实现产品造型与功能的多样化“1 。 数控机床的外观件造型的研究也可参考类似的方法，数控机床的整体造型是由 特征部件的造型整合而成，把影响机床整体造型的外观件按照不同的功能单元进 行划分，运用计算机辅助工业设计技术( c a d ) ”，把不同的功能单元在c a i d 系统 中进行排列组合，以实现数控机床造型的多样化，并且通过c a i d 系统中的评价模 块对众多造型进行专业的评价，最终筛选出符合用户需要的造型方案。 在国内，关于数控机床外观件组合的造型研究， 除了湖南大学工业设计系作了相关的一些研究与实 践活动以外，其他院校和科研院所还没有公开文献 涉及到这方面，本课题的研究在我国还处于起步阶 段。“九五”时期，湖南大学工业设计系结合国家科 研课题“数控机床的辅助造型技术及外观件图库研 究”，根据当时信息技术和互联网产业的发展状况， 自主开发了国内第一个基于因特网的计算机辅助工 业设计平台“基于i n t e r n e t 的数控机床辅助造型设 计网站”，在计算机辅助数控机床造型设计这领 域进行了富有成效的研究”3 。在研究期间进行了数 图1 2 “九五”i c a i d 系统意象尺度检索 数控机床外观件造，鞋设计研究及其在i c a i d 系统中的实现 控机床快速造型设计技术的探讨，包括了对机床外观件图库辅助机床整体造型设 计的研究，完成了数控机床造型图库系统和基于意象尺度研究的图库检索系统， 其中存储数控机床整体造型参考图约1 1 0 0 个，外观件造型图约3 0 0 个。 “九五”期间建立的外观件造型图库是根据意象尺度图进行造型检索，外观 件图库主要包括了机床的门把手和机床的数控系统两种部件，只是按照用，：i 对造 型风格的需要提供给用户一些可替换的配件作为机床造型的参考。外观件图库的 量是有限的，因此其功能也有一定的局限性。但这些研究却是对数控机床外观件 图库辅助机床整体造型设计研究的起步阶段，为今后这方面更加深入的研究打下 了举实的基础。 1 3 2 “十五”时期研究课题的提出 本次课题研究来源于国家“十五”重点科技攻关项目一一“精密制造与数控机 床关键技术研究和应用示范”的子课题一“基于设计知识与用户知识的网络化数 控机床造型设计与人性化界面技术及应用研究”。本课题是在国家“九五”攻关项 目“数控机床的计算机辅助工业造型技术及外观件图库研究”的基础上进行的， 充分发挥与主机厂的技术合作关系，开发出可用、实用、高水平的数控机床造型 设计与人性化设计平台。 “十五”课题的研究相对“九五”期间的研究，无论是在理论还是在研发程 度上都有很大的提高。该项目继承了“九五”创造性提出的i c a i d ”1 系统成果，将 重点解决4 个关键问题：第一，基于设计知识与用户知识的建模理论与方法”1 ； 第二，网络协同工业设计过程的规划、集成与优化；第三，人性化界面设计技术； 第四，数控机床快速造型设计技术。该项目是“i c a i o ”理论在计算机辅助工业设 计领域中的具体应用与不断完善的过程，随着网络化进程与信息产业化的不断发 展，该研究将具有广泛的应用前景。 1 4 研究的目标与主要工作 本论文是该项目课题的一部分，则重于i c a i d 系统中数控机床外观件图库对机 床整体造型的辅助设计方面的研究。本论文以数控机床的工业设计方法研究为基 础，通过对工程师进行机床造型过程的研究，分析工业设计师与工程师对数控机 床造型方法的异同，以便于总结出在i c a i d 系统中建立数控机床外观件图库的规 则与方法，使得外观件图库能够更好的辅助工程师进行数控机床造型设计。 本论文主要进行如下研究工作： ( 1 ) 研究数控机床造型设计思维，比较工业设计师与工程师对机床造型设计的 思维差异，总结出数控机床造型设计思维特征，为i c a i d 系统的构建打下基础。 ( 2 ) 研究数控机床造型设计中整体与局部的关系，论述外观件对机床整体风格 硕七学位论文 与形态的影响，总结出在数控机床造型设计中如何把握外观件与机床整体的关系， 并且得出外观件的设计过程模型，这将作为i c a i d 系统辅助造型设计的主线。 ( 3 ) 研究数控机床外观件造型设计的具体方法，对i c a l d 系统中外观件的造型 设计提供理论基础。 ( 4 ) 建立含有外观件造型图5 0 0 个的外观件图库，并且研究在i c a i d 系统中数 控机床外观件图库辅助机床整体造型设计的实现过程，论述外观件图库是i c a i u 系统辅助数控机床造型设计平台中不可缺少的重要部分。 数控机眯外观件造型设计研究及其在i c a i d 系统中的实现 第2 章数控机床造型设计思维研究 2 1 设计思维 思维是人们头脑对自然界事物的本质属性及其内在联系的问接的、概括的反 映；而设计则是通过改变自然物的性质，形成为人所用的物品。人借助于思维将 自己的本质力量对象化，因此设计与思维在设计的过程中是个完整的概念，“设 计”是前提，限定了的思维的范畴，“思维”是手段，借助于各种表现形式，最终 形成设计产品。设计师在长期的设计实践中逐渐认识了设词对象与客观环境之 间的各种联系，逐渐熟悉设计规律，从而形成一定的设计思维形式。在围绕问题 的解决而展开意念创造的设计过程中，建立在抽象思维和形象思维基础上的各神 思维形式相当活跃，并产生着积极的影响。从某种意义上讲，设计思维是发散思 维、收敛思维、逆向思维等等多种思维形式协调统一、综合运用的过程。设计不 是各种信息的积累和集中，设计思维的重要任务是如何将原始信息通过积极的思 维转换为新的信息输出，并且满足设计的约束条件，得到合乎要求的结果。 设计思维按照其解决问题和决策过程的不同可分为两种方式： 第一，分析式思维。即在思维的过程中采用系统的规划方法，使用理性的形式 分析过程，系统的、有方法步骤的决策，一般会从问题对象构划出清楚的定量模 型。这种思维方式往往是对问题的解答过程已经比较清楚，并且总结出了定的 求解规则。在此过程中按照知识的逻辑关系对问题进行分析，按照确定规则来解 决问题，最后能得到一个确定的答案。这种思维方法在本质上是一种通过学习丽 获得的。 第二，探索式思维。这种思维方式是由于人们不知道问题求解的逻辑规则，或 者不存在逻辑规则，人们不能依靠现有的算法求解，只能通过尝试进行探索。探 索式思维的步骤是不确定的，没有明确的系统知识基础，只能进行寻找、探索、 尝试、以求有所发现和突破，逐渐向预定的目的靠近。这种思维的过程一般使用 经验常识和赢觉，把问题看成一个整体进行思考，最终需要获得一个整体的解决 方案；而不是把问题看成是由若干部分构成的一种结构，把注意力集中在各个部 分问题的解决上，后者是分析式的思维方法。探索思维方式是解决新问题、积累 新知识经验的主要方法之一，也是导致创新的主要方法，但是这神方法不能保证 一定会获得预期的效果。 以上是两种设计过程中典型的思维方式，我们把这两种思维进行比较，其区别 可以从图2 1 中清楚地看到。两种设计思维的差异主要是由对所需解决问题的不同 认知所引起的。采用分析式思维的人对问题的发展和解决过程已经有了比较清楚 6 硕十学位论文 分析式思维擦素武思维 按照知识逻辑 缺乏系统知识基础 进行理性分析 和理性的分析方法 依靠记忆，检索大脑依靠记忆检索大脑 按照确定规则解决问题无确定规则解决问题只能靠尝试 有确定答案无确定答案 幽2 1 两种思维方式的区别 的了解，可以预计到问题解决的结果，因此他们总是按照知识的逻辑来对问题进 行理性的分析，然后通过检索大脑中以往的相关经验，按照确定的规则来解决类 似的问题，以得出合乎设计要求的确定的答案。而使用探索式思维方式的人则对 问题的发展和解决都没有个清楚的认识，他们不知道问题求解的规则，更加无 法预计问题解决的结果，因此他们没有明确的系统知识基础，缺乏分析方法，只 能通过尝试进行探索。他们同样会检索大脑储存的信息，通过解决类似问题的经 验去预计这个问题的解决方法，在不断的尝试中寻求突破。这种思维方式在解决 问题的初期是没有确定的答案，只能在探索方法的过程中不断地向预定的目标逼 近。因此探索式思维主要是用来发现和积累过程性知识，以便用来解决实际的问 题“。 由于思维是人脑对客观事物间接的、概括的反映，因此人们在认识和改造窖观 世界的过程中所应用的思维方式是有个人的知识背景和工作经验所决定的。本文 探讨设计的思维旨在研究工业设计师与工程师在数控机床造型设计过程中的思维 的差异，用来指导数控机床i c a i d 系统的建立。由于工业设计师与工程师的知识背 景和工作经验不相同，因此他们各自运用的设计思维也不一样。工业设计师偏向 于使用探索式思维方式，而工程师则倾向于使用分析式的思维。但是在设计的过 程中这两种思维方式经常会被一起使用，工业设计师有时需要采用分析式思维对 问题进行理性分析，同样工程师也需要探索式的思维以激发其创造性的灵感。因 此我们有必要对： 业设计师与工程师的设计思维作深入的研究，为i c a i d 系统设计 流程的规划打下坚实的基础。 2 工业设计师造型设计思维 工业设计是一个创造性很强的活动，其思维过程是一个形象思维和抽象思维 综合作用的结果1 。工业设计从方法上可以分为多种类型，如开发型设计、改良 型设计等等，对于不同的类型，设计思维方法不尽相同。在工业设计中，设计师 数控机床外观件造型设计研究及其在i c m d 系统中的实现 所运用的不是单一的思维方法，经常是多种思维综合运用，相互协调的过程。设 计是种问题解决的活动，其过程包括了问题理解、整体策划以及方案构思等阶 段，这些阶段都存在于个体的设计思维过程中“： 工业设计师的思维方式是由他们的知识背景和 ：作经验所决定的。工业设计 师所拥有的知识是一些与造型设计相关的法则，这些法则不能照搬硬套到具体的 设计中去，需要对设计的要求进行具体分析，他们只能通过运用相关设计法则， 并且结合以往的设计经验，对设计任务进行整体规划和方案构思，向着预想的设 计目标不断靠近。因此，工业设计师在设计过程中较多地运用探索式的思维方法， 他们在进行方案构思时总是不断地尝试，通过与客户的交流，试图找到适合于设 计问题解决的方向，然后对方案进行不断地修改和评价，以达到最接近设计目标 的求解。 图2 2 是工业设计师设计活动的一般程序，从中可以看出工业设计师的设计 过程包含了不断尝试、反复修改的过程。工业设计师在接到设计任务后，首先要 对设计问题进行综合分析，主要包括明确产 品的结构与功能要求，造型设计要注意的事 项，以及委托方的意向等。接下来的一步就 是要对现有产品进行设计调研，了解现有产 品的发展状况以及设计的趋向，为后续的设 计工作做好准备。设计调研完成后，设计师 根据现有的资料，运用设计知识和技能对产 品的整体造型进行概念草图设计。这时设计 师以手绘的方式作出多个创意草图，对可能 适合于产品的造型方案进行构思，以探索各 种解决设计问题的方向。然后，设计师将通 过与客户和专家的交流，确定具有发展前 景的设计方案，继续进行深入设计。设计 师在每个设计阶段的工作都是以探索式思 图2 2 工业设计师设计 活动的一般程序 维来指导的，寻求整体方案的解决。首先探索问题解决的方向，把握造型的大体 感觉，其次再对各个局部研究其细节的表现。每当发现某条恩路不利于问题的解 决，他们将继续寻找合适的求解出路。工业设计师在设计方案的探索中，总是重 复地进行着评价、修改、再设计的过程，直到得到客户满意的最终方案为止。另 外，由于工业设计属于多学科交叉的综合性应用科学，设计师常常要综合集成各 种行业的信息来优化工业设计。设计师从对现有产品的分析到对最终造型方案的 评价的设计过程中，都要听取各个相关领域专家的建议。专家的意见常常能指导 设计师对问题进行理性的分析，调动其大脑中分析思维的运作，引导设计师向着 8 硕j ：学位论文 f 确的问题发展方向前进，以至于最终的设计结果能够符合结构与功能的要求。 j 业设计师 i | 其特殊的知识背景决定了其解决设计问题所采用的思维方式。 从以j ：的分析可以看到，工业设计师的思维方式是以探索式思维为主的，不断地 尝试以寻求合适的求解方案，但同时也伴随着分析式思维的运用，对设计方案进 行理性的分析。 2 3 工程师数控机床造型设计思维研究 2 3 1 数控机床造型设计口语分析法实验研究 在研究了工业设计师对产品造型设计的般程序的基础上，我们设计了个 基于口语分析法“研究工程师与工业设计师在列数控机床造型设计过程中的设计 思维差异的实验。 本次实验是要求工程设计人员自主思考，利用我们提供的软硬件条件，在工 业设计师的帮助下完成一款数控机床的造型设计。这次实验目的是通过比较工程 师与工业设计师在对数控机床造型设计过程中设计思维过程的异同，总结出既能 与工程师造型设计方法相适合的同时也能被工业设计师接受的数控机床造型设计 思维过程，并且应用与i c a i d 系统中，以实现建立网络化合作设计平台的目标， 辅助工程师更好的完成数控机床造型设讨的工作。 在实验中，我们选用一款小型立式加工中心为对象，提供详细的工程图纸、 a u t o c a d 文件以及按照机床布局建立的三维模型。要求提交的成果是这款立式 加工中心的造型设计方案。实验周期共 计五天，每天由一名被试( 工程师) 与 一名配合人员( 工业设计师) 共i 司完成 数控机床的造型方案。实验采用全程摄 像与主试现场观察记录相结合的形式， 要求被试尽可能地将自已的思维过程 和注意的焦点说出来，通过分析被试的 口语报告，以了解工程技术人员完成机 床造型设计的步骤”。在任务完成后 被试需要填写问卷，通过问卷追述被试 在完成任务的过程中所遇到的困难以 及如何解决等问题。同时，针对工业设圈23 工程技术人员完成数控 计辅助人员，我们也设计了专门问卷，机床造型设计流程主线 分析工业设计师与工程师对于同一问题的不同解决方式，了解其问的异同以及他 们在合作设计中的模式。 9 数控机床外观什造型设计研究及其住i c a i d 系统中的实现 此次实验是一一个小样本实验，实验中被试的选取都是具有三年以上的数控机 床设计经验的工程师，具有一定的代表性。通过对实验所得资料约分析，可以总 结出工程师完成数控机床造型设计的流程主线如图2 3 所示，我们也可以从中了 解他们造型设计的思维方式。 我们从工程师完成设计的过程可以提取到他们数控机床外观件造型设计的步 骤。五位被试的外观件设计流程如图2 4 所示。从图中可以看出，：位被试在数 控机床造型设计过程中对外观件设计的考虑方式和重点各有= i i 同，但从中可以看 出某些外观件在机床造型设计过程中是比较关键的。工程师总是对重要外观件优 先进行考虑，他们认为这些外观件设计的是否成功，将直接影响机床整体造型设 计的效果。 被试一： 数控系统一主体一把手一门一观察窗 被试二： 主体一门一观察窗一把手一数控系统一主轴外罩 被试三： 主体一门一观察窗一把手一数控系统一平面标识 被试四： 数控系统一f 1 一理察密一油水箱 被试五： 主体一门一观察窗一数控系统 图2 4 五位被试外观件设计流程留 通过被试的外观件设计流程比较与分析，可以得到数控机床外观件设计的流 程主线，如图2 5 所示。在建立数控机床i c a i d 系统时，主线中的关键的部件在 外观件图库的构建中应有所体现与侧重。 l ：堑 _ “豆卜避氡 _ | ：垂e 卜 甄垂垂孙叫疆塑匠 幽2 5 外观件设计流程主线 外观件对数控机床造型设计影响巨大，从外观件造型设计的过程可以分析二】： 程师的外观件造型设计思维过程。数控机床i c a i d 系统的主要辅助对象是机床设 计1 = 程师。因此，工程师的设计思维研究对i c a i d 系统中数控机床造型设计流程 的构建，使其以适合工程师的思维模式辅助工程师进行数控机床的造型设计有着 重要的意义。 2 3 2 工程师数控机床造型设计思维 通过对数控机床造型设计口语分析法实验的研究。可以从五位被试工程师造 型设计的过程中总结出工程师对数控机床造型设计的具有代表性的思维方法。 硕士学位论文 工程师在数控机床造型设计中对机床部件的设计比较重视，五位被试q ，有两 位是从数控系统和机床门等部件出发，通过局部部件的设计来完善整体造型。工 程师首先考虑某些部件的设计并不代表他们对机床整体造型没有考虑，其实在他 们心中已经对机床的大体形态较有把握，而把重点放在了他们f 认为对机床整体造 型影响较大的部件上。工程师对机床造型设计的方法是长期从事机床设计j 作经 验的总结。工程师虽然列形态的感觉不如工业设计师，但是他们接触过的数控机 床较多，大量现有机床的造型在他们的脑海罩已有较深的印象，因此工程师对机 床整体造型的构想是来源于现有的机床，有些工程师的造型设计过程是想不对机 床造型的大体感觉做过多的改动，只改变机床的局部部件以满足机床造型设计多 样化的需要。另外也有些工程师希望设计出新颖的机床整体造型，但是他们基本 上是按照自己总结出来的造型设计规则，有方法、有步骤地进行。工程师的造型 设计思维，可以说是以分析式思维为主的，他们对造型设计的过程有系统的认识， 按照自己总结的规则一步一步地实现。 通过对工程师造型设计过程的研究，我们可以对工程师的设计思维进行深入 地分析。从图2 3 工程师完成数控机床造型设计的主线可以看出，工程师造型设计 过程有很强的逻辑关联性，按照特定的规则和程序去实现目标。对工程师造型设 计过程中处理具体问题的想法进行分析，可以把工程师的思维方法归纳为以下几 点： 第一，原型修改法。从实验的记录资料中可以看出，某些工程师在进行数控 机床造型设计时，希望从现有的机床资料中找到一款能与自己期望的造型风格相 匹配的机床造型。工程师需要把机床整体造型确定下来，再对各个部件进行设计。 工程师对于机床整体造型设计没有把握，他们希望通过参考现有的资料，从中找 到所期望的机床造型的“雏形”，接下来的设计过程都是围绕着对“雏型”的修改 而展开的。直到造型设计完成后，工程师则希望工业设计师等从事造型设计的专 业人员对其所得的结果进行评价，如有不足则继续修改，直到得到满意的答案为 止。 第二，约束满足法。工程师把造型设计看成是一个逐步满足要求的过程，其 思考的焦点是如何解决对每一个约束的满足。工程师进行数控机床造型设计时， 受到机床结构和功能的约束较大。工程师在对机床结构理解的基础上所设想的形 态常常是对机床内部结构的包络，其造型过程受到了内部结构尺寸和功能布局的 限制。工程师在进行机床部件造型的过程中，考虑部件的尺寸与位置等方面比起 设计其形态所花费的精力要多，而且在初步造型设计完成后，工程师对机床造型 的修改是通过对外观部件尺寸的参数化修改实现的。可以看出，工程师对机床造 型设计的过程，实际上就是对机床功能结构约束满足的过程。 第三，案例法。这种思维方法是基于事例的，其思想是通过借鉴先前成功或 数控机床外观什造型设计研究及其在i c a i d 系统中的实现 不成功的范例来指导现在的问题求解。有经验的工程师在进行机床造型设计时， 其方案来源往往是他对曾经见过的设计成功的机床造型的特征提取。但是，一些 不成功的案例也会提示他以避免犯类似的错误。例如，工程师在实验中总是强调 机床的门要设计成内门，因为内门的防水、防油的性能比外门好。这就是工程师 在长期使用和设计机床过程中的经验总结，将在他们的造型设计中起指导作用。 另外，工程师进行机床色彩设计时，对自己的色彩感觉不够自信，他们希望从现 有资料中找到成功的色彩搭配方案，并查得所需色彩的r o b 色值，通过直接输入 色值来完成机床的色彩设计。这也是基于案例法的思维方法的应用。 以上是从工程师的机床造型设计实验中总结出来的，工程师在进行造型设计 时较为常见的思维方法。对工程师造型设计思维方法的研究有助于数控机床 1 c a i d 系统的构建，系统功能模块的建立与系统设计流程的设置应以工程师的思 维方法为理论基础，才能更好地实现辅助工程师造型设计的目标。 2 4 工业设计师与工程师在数控机床造型设计中思维过程的差异 数控机床i c a i d 系统的建立是以辅助工程师进行数控机床造型设计为主要目 的，但是对系统的建立进行研究的人员以工业设计师为主，这将不可避免地把一 些工业设计师对数控机床造型设计的主观想法加入到系统的构建中。因此需要比 较工业设计师与工程师的数控机床造型设计思维过程差异，以便研究出既适合工 程师又能被工业设计师所接受的数控机床i c a i d 系统设计模式。 工程师与工业设计师造型设计的方法不同主要是由他们的设计思维差异造成 的。工程师是以分析式思维为主，而工业设计师则是以探索式思维为主的思维方 法。设计思维方式伪差异将直接导致设计思维过程的不同。我们研究设计思维的 重点是工程师与工业设计师在设计中，如何从设计的要求和约束条件出发，得到 合乎要求的设计思维过程。设计思维过程的研究将从设计步骤入手，以比较设计 师与工程师各个步骤的思考方式的差异。 从工程师造型设计的口语分析法试验可以总结出工程师与工业设计师思维过 程的几点不同： ( 1 ) 造型构思方法不同。 在理解了所要设计的机床的结构与功能之后，工业设计师对造型的构想是基 于许多过去感知过的事物的形象，通过对各种事物形象的综合加工和改造，便形 成新的造型方案，但是设计师创造的新方案并不一定能够满足机床功能与结构的 要求，因此设计师要从约束条件出发不断尝试各种方案，通过不断的修改以满 足设计要求。工程师对机床整体造型的构想是基于机床内部结构与功能布局的， 他们设计的机床造型经常是对内部结构的包络。工程师对造型考虑多来源于现有 的机床造型，这些机床的造型方案是他们认为设计得较成功的且与需要设计的机 硕十学位论文 床结构与功能相似的案例，希望通过对现有机床造型的修改以得出满足设计要求 的新造型。可见工程师在方案构思时就希望得到确定的造型设计结果而1 ：业设 计师则倾向于不断地探索。 ( 2 1 造型设i i 过程不同。 工业设计师有较强的全局观，他们把机床造型设计看成。个整体进行思考， 最终需要获得一个整体方案的解决。他们从整体感觉出发，首先把握整体的造型 风格，再设计与整体风格相协调的部件造型，以实现整体造型风格统一的外观效 果。工程师把机床整体造型看成是由若干部件构成的一种结构，把注意力集中在 各个部件造型问题的解决上。工程师是通过各个部件的完善来实现整体的造型设 计效果，但对于各个部件之间和部件与整体之间造型的协调方面，工程师较难把 握。 ( 3 ) 造型修改方