装备制造业工业设计程序研究与应用

任勇威

(中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 410100)

1 引言

“装备制造业”的概念可以说是我国所独有。它的正式出现，见诸于1998年中央经济工作会议明确提出的“要大力发展装备制造业”[1]。我国的装备制造产品经过数十年不断迭代发展，目前已进入到高端制造阶段。因此，提出适合的设计创新原理和方法，对我国高端装备行业的未来战略发展极具现实意义[2]。

目前，工业设计在国内装备制造业的重要作用已经凸显，国内大型的装备制造企业几乎均配备了专业的工业设计团队，但在工业设计程序具体开展方面尚未成熟，还仍处于探索阶段。工业设计程序不能完全“拿来主义”，必须根据装备制造业特征和产品属性进行细致深入地研究，从而在企业乃至行业内探索出一套行之有效的工业设计程序。

2 工业设计程序限制因素

装备制造业涉及众多行业门类，但现有文献中的装备制造企业多是指生产和销售装备类产品的制造类企业[3]。装备制造产品因其多用途、多系统、多操控的复杂性，在一定程度上制约了工业设计程序的展开。因此，此类产品的工业设计需求要从其功能结构、工艺成本、开发周期等各个方面进行多维度的综合考量，以便达到最优的设计方案。结合装备制造产品的特殊性，其工业设计程序限制因素主要有:功能主导形式、制造工艺限制、开发周期限制。

2.1 功能主导形式

装备制造业产品是国之重器，是实施国家战略和发展经济的重要保障，它不同于其他消费类商品，物质功能是支撑，也是最基本的需求[4]。装备制造业产品技术方案和总体设计要经过反复的推敲和评审，主结构件和关重件需要经过科学地计算分析、实验验证，才能保障产品主要功能的顺利实现。基于此，在进行工业设计时应首先考虑产品的功能实现，外观上单纯追求美学范畴的“美”，就容易产生原则性的错误，反而喧宾夺主。将实现功能技术与设计美学有机结合，形成工程美学，才是好的工业设计。

2.2 制造工艺限制

装备制造产品多为重型工业机械，零部件多、焊接量大、质量可靠性要求高。通常采用行业常规的成熟工艺路线，多以金属板材、型材、复合型工程材料为主要用材；以剪切、折弯、冲压、铸锻、铆焊等为主要制造加工工艺，产品的产量需求将直接决定其工艺成本。另外，根据部分产品实际产量需求，如非标、定制化装备，不会考虑投入批量化模具，而采用简单的加工工艺或一次性成型工艺。因此，在工艺因素限制下，产品的工业造型空间和设计自由度也会相应减小。

2.3 开发周期限制

装备制造业中的产品开发，与企业参与工程投标、参加行业展会、产品升级换代等品牌发展战略息息相关。目前，各装备制造企业在国内基础设施建设，尤其是大型建设工程投标中竞争日益激烈。企业为了赢得竞标机会，会加速产品研发，对企业产品加工生产周期的压缩提出了更高要求[5]。另外，如bauma工程机械展、BICES北京工程机械展等行业盛会，各企业争相借机进行新品发布，以求提升品牌影响力。除品牌发展战略因素外，产品研发周期也受产品本身功能特性的制约。例如农用机械需根据农作物收获季节计划上市最佳时间，由此会限制产品的开发周期。

3 工业设计程序

工业设计是运用各学科知识，对产品功能结构、外观形态、涂装色彩、内饰材料和人机交互等方面进行创新的设计活动，而具有逻辑性地开展工业设计工作的一系列步骤就是工业设计程序。工业设计程序是结合产品开发输入条件，按照一定顺序形成的流程式作业步骤，流程中的每个环节都有其目的性和必要性，其作用就是使工业设计工作有条不紊地开展。装备制造业的工业设计过程就是对各种装备产品在设计过程中所可能发生的各种设计活动、设计环节按一定的逻辑顺序有机组合，从而构建一套完备的设计过程。结合装备类产品开发全过程，工业设计程序可分为设计调研、方案设计、方案评估、样机评估、设计定型五个部分，见图1。

图1 工业设计程序

3.1 设计调研

设计调研区别于市场调研，市场调研是指系统地、客观地收集、整理和分析市场营销活动的各种资料或数据[6]。而工业设计强调设计本身的研究和调查，是要了解用户的需求和取得新产品规划的要素[7]。例如，一个新产品如何从外观上就能体现出高档次?驾驶室座椅是选择皮革还是混合织物?金属件是用亮面还是亚光面?色彩是用低纯度还是高纯度?这些问题都需要经过调研取样的统计检验才能测定，工业设计师通过对设计调研渠道掌握了所有的用户和需求信息，使得用户的意见在产品规划和设计初期就能渗透其中，它们将会成为产品是否获得用户好评的重要因素。而大部分的装备制造企业，则主要通过图文资料的分析研究，来完成前期的设计调研环节。少数项目的工业设计环节，相关人员可以参与项目组的实地调研，从市场及用户的角度，分析和总结设计切入点。

装备制造产品种类繁多，并且各自功能用途、性能特点、外形特征迥异。因此，设计需要有一个清晰精准的方向，调研的最终目的旨在设计定向，即确定产品设计造型偏好和设计重点等框架性内容。设计定向是产品设计阶段的重要环节，这也是产品能够开发成功的关键。设计定向首先要对所开发产品的同类型竞品或近似产品进行国内外标杆研究，竞品专利检索和资料分析后再把研究工作全面展开。除看得见的造型元素、色彩设计、CMF外，还要对设计理念、企业文化的体现等进行详实的研究与讨论。前期的调研工作，都是基于项目的具体技术要求进行开展。

3.2 方案设计

方案设计环节是基于前期设计定向进行的设计创作。设计本身就是一种主观上的创造性活动，而非一种天马行空的自由臆想，是需要在一系列客观条件限定下进行的。对于装备制造产品的设计来说，前期设计定向中的各个研究结论作为输出结果就是客观条件限定。方案设计则是将客观条件限定与设计自由度控制在最佳的协调状态。通常方案设计可以分为创意设计和计算机辅助设计两个阶段，见图2。

图2 青贮收获机手绘草图和三维效果图

创意设计阶段一般采用意向图片、手绘草图、手绘效果图等来表达工业设计师的设计意图及理念。该环节常用头脑风暴法、归纳法、比较法等工业设计方法，经过多次讨论筛选和验证，最终将会从众多初稿中选取优选方案进行后续深入设计。

计算机辅助设计阶段，是对创意设计阶段优选方案的三维数字化、视觉化、工程化。首先通过工程软件进行人机工程布置设计并建立三维模型，而后利用渲染软件对模型材质及色彩进行效果渲染，以得到模拟产品最佳视觉效果，极大提升了设计的直观性、准确性[8]。此阶段的输出物主要为产品效果图，是后期方案评估的主要素材依据。

3.3 方案评估

方案评估是对以上已完成工作环节的一种阶段验证，也是作为一项严谨科学的工作流程中必须的步骤。装备制造业的工业设计程序中，方案评估环节具有重要意义。国内企业常用的工业设计评价方法是核心决策制和群体决策制。核心决策即召集企业产品开发相关部门领导和研发骨干，在会议上进行讨论和评议，选择最终方案和优化意见；群体决策则在各部门抽取一定比例样本，采用问卷或投票方式确定方案或设计方向。

有些企业会拿来现成的评价系统实施方案评估，但生搬硬套往往适得其反，并不适用于装备制造业。不同的评价方法对被评价对象是有偏好的[9]，因此，应该结合行业特点来构建装备制造业工业设计程序的评价体系，以得到相对公正客观的评审结果。目前国内装备制造企业的工业设计程序中的方案评估方法研究还处于起步阶段，仍需要做大量的探索和研究工作。由于本文重在研究设计程序，且工业设计评价方法是一套独立的较为复杂的体系，因此本文对方案评估的内容不作展开论述。

3.4 样机评估

装备制造企业的工业设计师，需要具备多学科综合知识，承担多样化整合性工作，除前文论述的三个环节外，还需跟进样机试制、参与样机评估，以验证设计方案的转化率，为后续项目实施积累实战经验，提升个人及团队的设计能力、设计质量。样机评估分为虚拟样机评估和试制样机评估两个方面。虚拟样机是需要以计算机和软件系统为载体建立数字原型，具有模拟真实度高的特点。通过CAD、CAM和CAE等计算机技术对数字模型进行工程建模和仿真计算，以便对备选的多个设计方案进行测试和评估，根据导出结论报告不断优化和改进。虚拟样机是工业造型设计方案的仿真验证。此环节中，工业设计师需实时跟进结构计算、工艺转化等各环节，充分利用各环节专业人员的专业能力促进设计效果达到科学性、合理性、可操作性[10]。

试制样机即实物样机，是装备制造业产品正式投产前的必要验证，见图3。试制样机评估是对试制出来的实物样机进行功能、性能、操控等技术参数各方面进行实地试验以验证设计的可靠性，与虚拟样机评估相比，使用实物样机验证更形象、更具有针对性。工业设计师跟进样机试制及评估环节，是对设计方案的工程性、工艺性、转化率最直接的验证。其评估结果可结合设计输入阶段的各项技术要求、虚拟样机评估结果有效整合，对产品设计的多个方案都可以进行验证评估，不断优化和改进，最终获取最佳方案。可按需进行多次评估，促使产品不断完善，是产品量产前的工业考核重要内容之一。

图3 铁建重工4QZ-6000青贮收获机试制样机

3.5 设计定型

工业设计工作程序的最后环节是设计定型，也是产品研发设计的最后关键步骤。由于装备制造业产品研发都需要投入相当高的资金成本、时间成本、人力和物力成本等，这就要求在最后的环节严格把控、排除风险，此环节的目标就是对产品设计整体过程进行全面复盘并确认，以便为后续产品批量实施打下良好基础。

设计定型工作的具体展开是确认产品开发项目预定的技术要求和经济指标是否已全面达成，例如产品的工艺性是否合理，生产方案是否可行；各项设计图纸和技术文件是否符合生产使用要求；产品整体布置、结构、人机及外观等是否合理协调等等。以上所有工作需要进行设计定型评审，组织战略、研发、制造、营销等部门最终讨论确定，产品即可投入正式小批量生产。

以上为工业设计程序五个重要节点，它们按照产品开发逻辑组合展开，但又具有各自独立属性。在产品开发过程中，要根据实际情况灵活应用。

4 工业设计程序在产品开发中的应用

装备制造企业中实施工业设计程序需要紧密结合产品开发流程，企业结合市场和营销，对产品进行规划、设计、生产、宣传等，不同职能部门负责一系列的活动[11]总和即产品开发流程，就工业设计对于产品设计的介入时间关系来说总体分为前置、后置和全周期三类应用方式。

4.1 前置程序

前置程序是指在产品设计前导入工业设计程序，在此过程中，工业设计程序作为产品开发中的第一个环节，见图4。通常，产品项目负责人会将前期产品规划的要求作为输入条件，工业设计师根据输入转化为设计语言进行展开，利用手绘草图、二维或者三维的效果表现手法提供可视化的创意概念方案，对产品机电液布置提出建议，通过一系列评审确定最终方案，以便于后续的工程转化。

图4 前置程序

前置程序主要适用于老产品的改良或系列产品的持续开发，即产品工业设计在保留原设计风格和视觉特征的基础上，改进一些局部设计，或在系列产品上增加符合产品品牌特征的设计元素。由于该形式的产品设计已有原型机，在保持企业品牌统一视觉特征的前提下进行新的改良和系列化设计，因此，前置程序是工业设计师只在产品规划阶段输出概念方案，后续工程转化和产品设计由产品项目组的机电液工程师完成。其优势是工业设计能够较早介入产品开发，在总体方案时期进行产品的全面设计规划，但劣势也即前道环节的细微缺陷，都会在后道环节加倍放大，会造成产品质量的风险。

4.2 后置程序

后置程序是指在产品设计方案评审定型后，将工业设计导入产品设计，见图5。该形式目前较普遍地应用于产品开发，即总体方案、产品布置和结构定型后，工业设计再介入产品设计进程。工业设计师根据产品机电液布置和结构，对产品工业造型、涂装、人机安全和便捷性等进行设计，再通过评审将方案定型固化。

图5 后置程序

由于装备制造产品开发多数是以实现功能为首要目标，因此，装备制造企业的工业设计程序多以后置程序为主，该形式优势在于保证产品功能用途实现的基础上，又具备一定的工业美学属性，并且规避了工业设计后续工程转化的不确定风险。然而其不足就是产品的外观与功能结构相对脱节，停留在“美化装饰”的层面。另外，在布置结构定型的情况下，工业设计范围和创意发散空间也已非常有限。

4.3 全周期程序

全周期程序，顾名思义则是工业设计程序贯穿产品开发始终，即在产品规划阶段输出概念方案，在产品正式设计阶段，工业设计师与机电液工程师协同设计，细化和调整之前的概念方案，产品试制后，结合评审结论进一步深化完善方案，见图6。

图6 全周期程序

全周期程序结合了前置程序和后置程序优势，弥补了单一的“前”或“后”的不足，其又分为串行程序和离散型程序。串行程序是按工业设计程序的顺序在产品开发流程中按部就班展开，主要用于产品的顺向开发。此过程是一个从无到有的创造过程，在此过程中，工业设计经过不断创意设计和调整评估，最终得出方案。离散型程序则是根据产品开发流程中的实际需求，将工业设计程序按需分配在某些环节，该形式主要应用于产品的逆向开发，即根据既有目标产品，通过扫描或测绘还原出三维模型，经过数据修正、参数改进后输出结果，工业设计可以参与产品规划、三维模型搭建、产品再设计等。逆向工程有助于节约研发成本和产品创新设计[12]。

全周期程序主要适用于企业全新产品或具有里程碑意义的产品开发，工业设计作为产品开发中重要创新方法，释放强大的创意活力，可以为新产品开发提供全新的思维模式，在很大程度上拓展产品开发的视野。由于工业设计全周期程序贯穿始终，与产品开发流程结合紧密，环环相扣，因此，需要在各个衔接环节做好专业对接，才能使优势得到最大限度发挥。

5 结束语

国家“十四五”规划已开局，目前是实施工业战略的关键时期，也是装备制造业转型发展的又一个良好机遇。在装备制造业中，工业设计关联产品研发全周期和全价值链，针对目前装备制造业研发各项工作，必须要有严谨的工作程序来组织进行，以保障研发工作的高效有序开展。因此，通过在企业内建立一套行之有效的工业设计程序并严格执行，可有效促进装备制造企业的创新设计和产品完善，进而激发企业研发活力和提高产品竞争力，有力推动行业提质和国家经济的整体发展。