模块化设计思想在工业产品造型设计中的运用_尚淼

1、包装工程 PACKAGINGENGINEERINGVo.l28No.42007.04模块化设计思想在工业产品造型设计中的运用尚淼(武汉工业学院,武汉430023)摘要:模块化是协调设计中多个需求,实现整体系统、创造多个不同的形态并降低产品成本的一种有效方法,采用模块化设计思想对工业设计系统进行探讨,有利于标准化的设计和规范的管理,能充分运用现代科学技术 计算机进行快速成型技术和虚拟表达、多媒体技术等手段。通过二极管泵浦固体激光器结构设计的分析,说明了在机械设计中模块化设计形成的特点,探讨工业设计在产品造型系统化设计中,运用模块化设计思想的可行性。关键词:模块化设计;模块树;模块接口;软模块中图

2、分类号:TB472;TB482 文献标识码:A 文章编号:1001-3563(2007)04-0096-03ModulationDesignConceptinIndustryProductModelingDesignUtilizationSHANGMiao(WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan430023,China)Abstract:Modulationisaneffectivemethodtocoordinatediversifieddemandsindesign,andrealizesystemintegration,createsdifferentshape

3、,andreducestheproductcost.Theindustrialdesignsystemwasdiscussedwithmodulationdesignconcept.Itwasputforwardthatmodulationdesignhasadvantagesinstand ardizeddesignandmanagement,canfullycarryonfastmethodssuchasfastprototype,virtualexpression,andmultimedia.Diodepumpsolidstatelaserstructuraldesignanalysis

4、wastakenasexampletoexplainthecharacteristicsofmodulationdesigninindustrialdesign.Thefeasibilityandsuperiorityofapplyingmodula tiondesignconceptinindustrialdesignwasdiscussed.Keywords:modulardesign;moduletree;moduleconnection;softmodule1 机械加工的特征第一次工业革命后,机械加工逐步成为产品加工成型的主要手段,特别是机械工业产品。机械加工以产品的系列化,加工的标准

5、化,形成零、部件具有通用化、互换性,显示了它强大的生命力。系列化的目的在于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求方对产品的要求。组合化是采用一些通用系列部件与较少数量的专用部件、零件组合而成的专用产品。通用化是借用原有产品的成熟零部件,不但能缩短设计周期,降低成本,而且还增加了产品的质量可靠性。标准化零部件实际上是跨品种、跨厂家甚至跨行业的更大范围零部件通用化。由于这种高度的通用化,使得该零部件可以由工厂的单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造。2 机械的设计特征孕育了模块化设计思想一般产品设计都具有一个明确的使用功能,机械产品的总体使用功能是通过各个结构来实现的。由于机械

6、产品的结构与功能之间并非是一一对应的关系,一个结构实体通常可以实现若干种功能,一个功能往往又可通过若干种结构实体予以实现。可以视机械产品中的实体结构为结构模块,将机械产品的总体功能分解若干个子功能,功过结构模块将功能模块转化成实体模块,从而实现总体功能。模块化设计方法视产品具有某种功能的实现为整体结构模块,通过各个结构模块的组合,实现产品的整体方案设计。对于特定种类的机械产品,由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定,结构模块的划分比较容易,因此,采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计,结构模块的划分和选用都比较困难,而且要求设计人员具有相当丰富

7、的收稿日期:2006 10 19作者简介:尚淼(1955-),女,武汉人,工学硕士,武汉工业学院高级工程师、副教授,主要从事工业产品造型设计的设计方法、发展趋势、人机工程学的应用等方面的研究和教学,获得专利8项,发表论文数篇。尚淼 模块化设计思想在工业产品造型设计中的运用设计经验和广博的多学科领域知识。综上所述,模块化设计思想是建立在系统化设计方法的基础之上,将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分,拟定出每一层欲实现的目标和方法,由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起,整个设计过程系统化,设计有规律可循,有方法可依,易于设计过程的计算机辅助实现。

8、可见,运用建立在系列化基础上的模块化设计思想,已成为现今机械产品设计的一个趋势。在保持产品基本模块的基础上,通过模块化、系列化设计,可以方便地实现内部功能的整合、外部功能的扩展,既保持了成熟产品的内在优势,又大大拓宽了产品创新发展的空间。产品系列化、组合化、通用化和标准化孕育了模块化设计技术2。图1 四级系统模块图Fig.1Fourlevelsofsystemmodulechart机械的设计、降低制造风险十分有利。提倡在产品功能分析的基础上,将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构,通过选择和组合这些模块化基本结构,组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件,甚至是一个系统。理

9、想的模块化基本结构应该具有标准化的接口,并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化,具有互换性、相容性和相关性。结合软件构件技术和CAD技术,将变形设计与组合设计相结合,根据分级模块化原理,将工业产品由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级,并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块,再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。在进行机械系统的方案设计中,用"功能建立"模块对功能进行分解,并规定功能分解出与机构型式最佳相对应功能子模块。"结构建立"模块则作为满足功能要求,选择对象以便于实现总体功能的结构设计3。3 模

10、块化设计思想对工业设计的影响模块化思想起源大工业生产,其目的在于简化设计程序和制造过程,缩短产品研制和设备准备的时间。工业设计涉及的内容较广,曾经对世界经济的发展做出过重大的贡献,工业设计主要任务是研究产品与人之间相互协调的关系,工业产品的结构形态是工业产品造型的载体。伴随着现代科学技术深入和分工进一步地细化,将在机械加工方面获得成功的模块化设计思想引入工业设计,能协调设计中多个需求,实现整体系统、创造多个不同的形态并降低产品成本的一种有效方法和有力的尝试1。工业设计专业是基于机械化大工业的基础上诞生发展的,在他身上带有明显机械的标准化、批量化、组合化、通用化等痕迹,在现代加工成型的3种主要手

11、段中,机械加工成型,在企业中至今仍占有一定的比例。模块化设计思想在机械加工中成功地运用,必然会影响工业设计的模式;产品的成型与产品设计程序、产品形态的美观与实用效果、加工工艺、材料选择、运用何种科学技术,用什么样的加工设备、使用的环境和要求、经济定位等因素都会对产品的造型设计形成阶段性的影响。随着科学技术的深化和知识的爆炸,现代产品往往是集多种技术于一身,通常是由多个专家组成的研发小组或专家组共同协作和打造,特别是高新技术含量较高的电子、家电、通讯器材等产品,这已形成现代高科技产品的设计特点,见图2。二极管泵浦固体激光机的产品造型设计,就是一个典型的例子。5 模块化设计思想在产品造型设计中的运

12、用4 模块化设计原则机械产品的模块设计,是以功能化的产品结构为基础,引用已有的产品通用零、部件等,描述设计任务,即分解系统时就考虑每个分模块是否对应的产品功能目标,这样,能够在产品规划阶段就消除设计模块中可能存在的矛盾,早期预测生产能力、费用,以及开发设计过程中计划的可调整性,由此提高设计效率和设计的可靠性,同时也降低新产品的成本。传统的机械设计将模块设计的功能化产品结构分为4层,产品功能组成主要功能组件功能元件。见图1,并采用面向应用的结构化特征目录,对功能元件进行更为具体的定性和定量描述,因此,在专用机械设计中采用功能化的产品结构,对于评价专用图2 二极管泵浦固体激光机(改进前)Fig.2

13、ThediodepumpsolidX raymachine根据机械产品模块化分级思想,二极管泵浦固体激光机在外形上看,主要由机座、输入、输出控制部件、激光部件等几个主要部件组成,所涉及的技术有激光、结构工艺、冷却系统、液压系统、计算机软件编成和接口、电工、电子技术等,每一个专业技术系统都由相关的专家负责,这些技术系统最后,通过工业设计师根据造型设计组合到由机座、控制部件、激光部件所包装工程 PACKAGINGENGINEERINGVo.l28No.42007.04组成的整体机体中去。由于专业功能系统形成的组合界面,又时呈硬形态(固定形态),有时呈出软形态(非固定形态),这为工业设计师设计多种形

14、态创造了良好的条件4。由于专业的限制,特别是在高新产品造型设计中,工业设计师不能直接参与实现产品总功能的各个专业子系统的设计,而是将产品的总体功能设计目标转化为多个总体结构形态模块,见图3。然后将产品的总体功能,分解成为各个二级专业品整体功能目标系统分解成各个专业子系统模块体系,见图5;(3)各个专业的专家根据二级功能模块的要求,进一步分解图5 二极管泵浦固体激光机技术系统图Fig.5ThetechnologysystemofdiodepumpsolidX raymachine功能子系统。当然,简单的产品造型设计(如:实木家具、服装等产品),可以直接通过功能模块体系转化成总体形态模块来实现。在

15、现代产品造型设计中,整机的造型及结构设计,二级以下的专业系统模块主要是由各专业设计师,根据产品总功能,在系统内进一步分解形成结构单元模块(其中可以是硬模块、也可以是软模块)。运用模块设计思想,对在同一个工业图3 二极管泵浦固体激光机整体功能模块转化成多种整体形体模块产品造型设计中,各个子模块因追求不同功能目标,而导致各模块之间在方法与结构形式方面形成相互冲突,综合考虑、权衡、合理分配各目标,取得相对满意的结果是行之有效的方法,解决系统中模块之间在形态、技术、结构的衔接和协调的问题,专家系统、模块设计、优化等手段都在这一领域获得了充分的发展空间。Fig.3Thetransformationofd

16、iodepumpsolidX raymachineintegratedfunctionmoduletomanykindsofoverallphysiquemodule功能模块,如:根据现在科学技术的分工,二极管泵浦固体激光机根据所涉及的技术分为激光、结构工艺、冷却系统、液压系统,计算机软件编成和接口、电工、电子技术等专业模块。工业设计师根据总体造型设计要求和系统功能要求,综合考虑、权衡、合理设计整体形态造型与专业功能子系统之间的相容关系,工业设计师根据人机工程学法则和美学法则,进一步分解形态模块,二级以下的专业功能系统,则由各个专业的专家进一步分解形成,见图4。可见,工业产品造型设计中的模块建

17、6 结 语从总的产品造型设计方面来看,国内工业设计专业模块化设计应用并不是十分广泛。究其原因,在于工业产品造型本身的复杂性及多样化,虽然模块化设计在工业设计中已有成功的先例,但在工业设计中广泛运用模块化设计方法,还需要做大量的基础工作,其中最主要的是大多数工业设计师,目前还不能运用现代科学技术加工成型知识,以及大量机械加工模块化成功的经验,推动工业产品造型设计模块化的发展。在工业产品整体造型设计中,针对产品整个生命周期各个目标的模块化设计方法,可用于新产品的模块化设计、非模块化产品的模块化设计,以及现有模块化产品的改进模块化设计来实现。其步图4 二极管泵浦固体激光机组件系统图骤设计方法如下:(

18、1)确定该模块化产品的目标域。包括:要达到的目标、功能、目标的重要性程度;对总目标总功能起作用,同时与模块化设计相关的各种因素进行描述、定义;设计种类(全新设计、适应型设计、变型设计);生命周期;设计规模等。(2)分解和划分整体功能模块。首先,根据产品所涉及的技术范围,分解出二级功能模块和部件模块。若是开发性设计,则构造出功能结构框架;对适应性设计,则从现有产品中构出各模块之间接口形式。然后,确定各模块的目标。(下转第112页)Fig.4Diodepumpsolidlaserunitdiagram立的思想与机械设计中谈到的模块建立稍有不同:机械产品设计是有明显的功能目的性的,将产品根据制造合理

19、、加工容易实现等条件,分为各个相应的零、部件,形成模块,其功能与结构之间的关系较稳定,模块可以由实体结构呈现,也可以由功能块来实现。而工业产品造型设计总体功能目的的实现,有以下几个特点:(1)首先必须由工业设计师将系统功能目的转换成系统整体形态系统,(2)根据各个专业子模块的要求,将产包装工程 PACKAGINGENGINEERINGVo.l28No.42007.0420世纪80年代由西德人为发育迟缓的儿童设计的学步车,曾获国际工业设计大奖。该设计没有选用伤残人器械上常使用的那种闪着寒光的铝合金材质,而采用打磨柔滑的木材制作,再涂上鲜亮美丽的红漆,配上一部玩具的积木车。产品工艺虽然简单,却受到

20、国际工业设计界的好评。其根本原因在于设计者通过对材料的用心选择、色彩的精心搭配和功能的合理配置,表现了一种正直的思想和对人性的关怀:让孩子不再感到它是医疗器械,而是令人亲近和叫人喜爱的玩具,从而打消自卑感,增加生活的勇气,也有利于孩子健康人格的形成。在适应机械化大生产技术条件的前提下,适当的采用或加进自然材料,通过材料的调整和改变,以增加自然情趣或温情脉脉的情调,可以使设计物灿然生色,使人产生强烈的情感共鸣。3.4 操作界面操作界面包括实体界面、图形界面和声音界面,它们是产品与消费者交流的重要部分,因此也是人们情感诉求的重要手段。人性化的操作界面在带给人们方便性的同时,还可以使人感觉到一种为我

21、而设计的关爱,使人们产生对产品的信任,从而达到诉求的目的,引起消费者的共鸣。由于人的情感是相当的丰富和复杂的,因此想要在产品设计的过程中准确地把握目标群体的情感,也是一个非常繁琐的过程,它不但要综合工程心理学,消费心理学等学科的知识,还要在设计前充分了解用户,包括用户的年龄层次、文化背景、审美情趣、时代观念、心理需求等,并且还要充分了解用户的使用环境,以便设计出的产品能够真正融入到用户的生活和使用环境中,从而引起消费者的情感共鸣。参考文献:1 鲁道夫 阿恩海姆.艺术与视知觉M.滕守尧,朱疆源,译.成都:四川人民出版社,1998.2 陈放.理性的浪漫M.深圳:海天出版社,2000.3 童庆炳.艺

22、术创作与审美心理M.天津:百花文艺出版社,1999.4 尹定邦.图形与意义M.长沙:湖南科学技术出版社,2001.5 吴丹.包装设计中人文思想的再思考J.包装工程,2002,23(6):94-96.准、态度也不同,因此对于同一个产品会有完全不一样的情感反应就不足为奇了5。因此,设计师在进行设计之前,必须要指定明确的目标群体,然后来进行情感的诉求。2)时效性。每个人随着年龄的增长,其周围的环境在不断变化,个人的期望目标、衡量标准、态度也随之变化,对于同一产品在不同的阶段也经常会有不同的反应。3)复合性。对于一个产品可能会有几种不同的感觉。这是由于对于一款产品的评估,有着多元的复杂的影响因素,因此产生的情感也通常不会是单一的一种。5 结 语4 情感诉求的特点由于人与人的经验与感觉不同,因此,产品所引发的情感也因人而异,产品所带给人的刺激会与人自身对产品的期望目标、审美标准以及态度进行评估衡量,并且最终产生对于该产品的情感反应。这种情感反应具有以下特点:1)明显针对性。产品引发的情感因人而异,不同的人对于相同产品的体验和