工控机箱统型设计研究

童立超

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北石家庄 050081)

随着经济的快速发展，现代人类越来越重视产品的质量和含义。人们追求造型优美、质量上乘、人机关系良好的产品。在市场竞争激烈的背景下，企业目前亟待解决的重要性问题主要涉及要保证产品的外形连贯，同时提高其技术升级，或者保证拥有不同功能的产品在形态上具有统一性。工业设计的核心是创新，从使用方式、材料、生产、组装、用户体验层面、服务方式、外观等多个方面不断求创新，并更好地为人服务，达到企业与市场的统一。具体来说，企业首先需要了解市场的实际需求，对产品实施生产以及技术升级。其次，要结合市场信息，对企业进行优化。提高设计能力与技巧，可增强企业的信誉，提高企业活力，促进企业发展。产品系列化能够有效整合产品，使产品实现统一的标准，可增强企业创新能力。企业需要认真调研同一类型产品在市场方面的研发与销售的实际情况，并结合自身企业的技术以及工艺从各个方面进行研究，从而提高产品的性能、外观造型，使其尺寸结构较为合理。总体来说，利用产品系列化设计可以规范产品规格混乱的现象，同时也对产品的未来发展趋势起到有效规划的作用。对于企业来说，上述内容不仅可以保证满足消费者对于产品的不同类、层级等多样性的要求，也可提高企业自身管理水平，推动高新技术的发展，使企业适合市场发展需求，不断增强其规模。

1 工控机箱的产品属性与设计要求

1.1 产品属性

在条件恶劣的环境中，我们通常使用工控机箱实施操作，例如在拥有较多灰尘以及噪音的工作环境中。工控机箱的主板主要涉及底板以及CPU卡。该产品具有一定抗辐射能力、抗灰尘能力，具有良好的抗腐蚀性以及抗振动性能，同时还具备一定的抗挤压能力。因此，被广泛用在环境较为恶劣的工作场合，例如：广泛应用在航海领域、化工电厂领域、地下作业、矿厂等各种环境下工作。工控机箱在散热方面，性能也比较优良，具有较好的可扩展性，稳定性能好较，因此，也被广泛地应用在电视台、广播电台、军队等多种领域中[1]。

工控机箱的标准规格高度单位为U，一般常规的有1U、2U、3U、4U等[2]。

随着科研模式由项目研制向产品研制的逐渐过渡，以技术平台和产品平台为核心的发展思路逐渐树立。作为产品平台组成部分的工业设计，其重要性也逐渐浮现出来。工业设计既包括对产品的色彩、造型等方面的表达，也包括人机工程等更深入的应用。产品一旦赋予了工业设计的力量，就会插上竞争力的翅膀：合理的色彩搭配、精美的产品造型、友好便捷的人机交互都会让用户对产品留下深刻的印象，可以说工业设计将会成为产品的核心竞争力之一。

1.2 设计要求

根据机箱的常用类型，初步决定对1U～6U的机箱进行外形尺寸的系列化设计。基本系列是宽度采用一个尺寸，深度采用两个尺寸。如果基本尺寸部门满足要求，还有一个扩展系列供选用。扩展系列只是深度增加，宽度和基本系列保持一致[3]。

通用机箱的工业设计主要是针对钣金和铣制拼接式机箱的外形进行工业设计，主要包括前面板、把手、盖板和侧面的造型设计。机箱工业设计的另一项重要内容是机箱内部的线束和零部件的固定方式的研究。这主要涉及人机工程的范围，主要目的是结构形式如何便于后续的整机装配，例如螺钉选用组合螺钉，再如压铆在底板上固定板卡和部件的螺柱要选用内螺纹的，而不是外螺纹的，等等。

其中，机箱和包装箱的工业设计，不是针对某一两种机箱进行的特定工业设计，而是对通用机箱进行的家族式工业设计，也就是对通用机箱的造型和色彩等各个方面提出工业设计的要求使其具备典型特征，这些典型特征要通过样机来进行展示。有了这些工业设计要求后，具体的机箱设计可以参照执行，使其具备统一的风格[4]。

2 工控机箱统型设计原则

机箱工业设计的原则是：造型简洁、大方、有设计感；色彩稳重、搭配协调；人机工程方面要方便用户使用。

通用机箱外形尺寸的设计原则是：在现有各机箱常用尺寸的基础上进行归纳整理，选出常用的外形尺寸，形成系列。通用机箱外形尺寸的设计原则是：在现有各机箱常用尺寸的基础上进行归纳整理，选出常用的外形尺寸形成系列。

机箱通用件的设计原则是：对常用零部件进行通用化设计，使其成为系列，并能够适用于不同项目的机箱，设计师直接选用，不再单独设计。根据机箱内常用零部件的情况，主要针对把手、盖板、接地柱、挂轴、松不脱大同螺钉、支柱等常用零部件进行通用化、系列化的设计，形成系列货架产品，方便设计师直接选用[5]。

包装箱的设计原则是：结合通用机箱的系列化尺寸，并只针对常用的纸质包装箱和木质包装箱进行设计。包装箱的图案要简洁大方，并能突出体现企业形象。

国内关于工业设计的理论研究也在不断地深入，其中清华大学柳冠中教授认为，“有目的的造型”是设计者必须恪守的原则。“设计”将更多以整合性、集成性的概念加以定义。“设计不仅仅是生意，而还应为人类可持续生存繁衍担当。”要有“服务设计”的思维，既要发挥“服务设计”是创造和拉动中国市场和社会进步的新的强大力量，也要运用“服务设计”是联合现代科技创新，实现共创共赢的新的有力工具，还要将服务设计作为中国乃至世界文化和产业的发展注入新的活力[6]。

3 工控机箱统型设计分析

3.1 绿色化

21世纪，我们正处于世界百年未有之大变局的大背景下，全球面临着众多亟待解决的问题。新时代我国社会主要矛盾已经变成人民日益增长的美好生活需求同发展不平衡、不充分之间的矛盾，促进可持续发展成为全球下一阶段的重要课题。可持续发展就是要使社会、经济、政治、生态环境、资源等各方面共同发展，要既能够满足现代人的实际需求，同时也给后代留下充足的发展空间。实施可持续发展战略，既要提高经济发展，同时也要保护人类赖以生存的大气、水资源、土地资源、森林资源、海洋资源、淡水资源等各种自然资源，保证资源的可持续利用，能够为后代提供永续发展的空间。因此，在现代化的设计过程中，我们也应着重突出可持续发展战略，提倡绿色设计、环保设计、健康设计、适度设计的原则。

所以，在工业设计中，绿色设计不仅仅表现在绿色材料的选择，回收利用，还包括加工工序是否符合要求、包装是否浪费、材料是否被完全利用。产品造型设计上就需要加入这些方面的思考。例如：通过小面积的削铣量来展示产品造型，减少不必要的加工成品和材料成本就是体现绿色化设计理念的方式。

3.2 人性化

产品终究是服务于人，所以“以人为本”的设计是不可缺少的设计理念。好的设计应该有两个重要特征：可视性及易懂性。也就是说，产品在设计过程中不仅仅要满足工程设计的实际需求，同时，还需要格外注重消费者的整体体验，要保证产品在设计过程中能够提高人机互动的质量，同时也要做到形式美。我们在做设计过程中，要遵循以人为本的设计理念，有效面对市场带来的压力以及挑战，企业需着重分析用户的实际需求、用户的消费能力、用户采取的行为方式。之后，保证采用科学合理的设计，以期最大程度满足消费者的实际需求、消费者的消费能力以及消费者的行为方式。

3.3 交互设计体现人与产品的联系

交互设计主要是以用户为中心，结合用户的实际需求，注重用户的行为以及过程，在此设计过程中，主要强调过程性思考，涉及手段主要采用流程图与状态转换图以及故事板。最重要的是了解软件与硬件原型实现的评估技术与技巧方式。

交互设计在于定义人造物的行为方式（the“interaction”，即人工制品在特定场景下的反应方式）相关的界面。交互设计作为一门关注交互体验的新学科在20世纪80年代产生了，它由IDEO的一位创始人比尔·摩格理吉（Bill Moggridge）在1984年一次设计会议上提出，他一开始给它命名为“软面（Soft Face）”，由于这个名字容易让人想起和当时流行的玩具“椰菜娃娃（Cabbage Patch doll）”，他后来把它更名为“Interaction Design”，即交互设计。

综合来看，未来工业产品的交互设计会与人们的日常生活息息相关，信息技术、物联网技术、嵌入式技术可以为其提供技术支撑，传感器、微型处理器在产品中的实际使用，可以在一定程度上提高交互设计的智能化水平，提高其响应速度，使工业产品更加智能，朝着人性化方向发展。另外，智能化交互产品在未来的发展方向中，可以以解读人的行为、交互意图以及习惯，可使其做到精准的预判。在未来，工业产品设计必须将人性化交互放在首要位置进行创新，使其能够为人民服务，符合人们的实际需求，从多视角宽领域分析人的需求与生活习惯，在发展中使其能够满足人的多元化需求，保证人文、产品与科技有效融合。

4 工控机箱统型设计实践

4.1 市场调研

项目前期进行了大量的调查研究，一方面通过对所内各部门走访调研、研究讨论，了解到各部门的机箱外观风格特征和对机箱的具体使用要求，找到设计切入点；另一方面，针对现在市场上现有的各种品牌、各个类型的机箱产品的外观特征，进行了研究分类。总结到所内机箱的部分问题：面板排布、产品颜色等无法形成统一化的表现；对现有市场上的调研了解结合目前的项目情况，定制了针对机箱外观设计的设计思路：整体外观简洁，要有一定规范化的面板排布规则，有代表性的元素符号形成统一化体现，配色的整体表达符合现在市场的审美习惯。

4.2 头脑风暴

通过对实际产品进行分析可以发现，优秀的产品往往是设计师将自身情感直接表现到产品中，而用户则是在使用产品过程中去感受设计师所传达到这种情感，即设计师要通过产品与消费者之间进行对话，让用户通过产品获得某种特定的情感体验，对于这种设计的需求已经成为了一种趋势。

注重在机箱的设计中融入有意义的表达，关注产品本身的意义价值，设计出让用户拥有完美体验的机箱。对于该产品的设计研究，将功能与造型相结合，符合人对工控机箱的需求，让人在使用产品时更便捷。所以，从产品的统一化元素符号找到突破点：寻找与机箱有关的词语，进行思维发散，再将词语转化为图案造型，这样一个富有语意表达的工控机箱，更符合现代人类的需求。

4.3 草图绘制

草图阶段就是初始化表达设计或者形体概念的阶段，充满了可以继续推敲的可能性和不确定性，但是应该能够表达初期的意向和概念。针对发散思维，总结挑选，将词语转化为初步草图表现，在这一阶段是表现设计价值最重要的一步，草图阶段需要考虑到产品的尺寸约束、加工需求、创意表达等。具体如图1所示。

图1 草图绘制

4.4 建模表现

三维建模就是建立模型，就是为了理解事物而对事物做出的一种抽象，是对事物的一种无歧义的书面描述。建立系统模型的过程，又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。

基于设计师对现代市场的产品造型把控，把绘制的草图造型筛选修改，确定了外观方案并将方案用直观的方式表达出来。

设计说明：灵感来源于电路板布线，从中提炼出直线、短线和折线这3 根线。“三”是一个量词，通常用来表达多，这里利用直线和折线来表达通信信号的传输，上下中心对称的方式也表达相互传输的一个寓意。四角做倒角，体现稳固的感觉，表达出产品独特的力量。

图2是工控机箱设计图。

图2 工控机箱设计图

4.5 产品模块化、系列化表现

模块化设计首先需要对不同功能、不同规格的产品实施功能分析，其次需进行划分与设计功能模块在此过程中，可以利用模块的不同选择以及不同组合，构建出新的产品以此来解决市场的不同需求。首先，模块化设计的功能单元式模块具备一定的独立性，也就是说可以对模块实施独立的设计，修改储存、调试、制造等各种功能，这也有利于不同企业开展不同的生产。其次，它具有一定的互换性，因为接口部分的尺寸、结构、参数等各方面的标准化，可使其实现比较容易的互换，以期保证满足不同产品的实际需求。最后，还具有一定的通用性，可实现不同系列产品之间的模块通用。通过将产品各部件分开来，模块化处理，更加方便维修更换，节省了大量的产品成本和维修成本。

此方案通过几条等宽线条的造型组合，一方面符合产品简洁大方的设计要求，另一方面也降低了加工成品。提炼电路板的布线线路，表达通信的语意，也符合工控机箱的产品属性。中间大面积的留白，也可以适配各部门的安装需求，具有较强的兼容性，并进行统一化表达，具体情况如图3所示。

图3 工控机箱系列设计图

5 结论

针对工控机箱外观设计，造型简洁、大方，还包括融合人机工程的原理，使产品不仅在外观上可以做到最优也极大程度地方便用户使用，文章提供了一套设计方案，使其具备统一的风格。主要表现在：（1）产品外观整体风格统一，造型元素保持一致，均使用线条的设计元素。（2）统型规划面板排布：面板设计基于人机尺寸、人体视觉习惯和使用过程等方面，统一将设备名称置于左上方便查看；产品LOGO置于右下；屏幕置于正中部分统一视觉中心；将按键置于右侧符合人体操作习惯；指示灯和开关键位于左侧一上一下；方便上柜时多个机箱统一打开、关闭；将开关部分和屏幕按键部分左右分开，区域划分明确，防止误操作。（3）综合考虑了产品的外观风格、使用环境、流行趋势、行业特点等，产品颜色选择了经典黑。