基于造型认知意象的数控机床多维特征设计研究——以V-11型数控机床为例

杜文武，潘建伟

(安徽工业大学艺术与设计学院，安徽 马鞍山 243000)

数控机床是一个国家制造业的基石，《中国制造2025》战略规划中，高档数控机床被列为十大重点发展领域之一[1]。目前，数控机床产业竞争激烈，产品同质化现象较为严重，对数控机床的产品造型特征认知弱化的问题研究较为不足，在工业设计转型形势下，数控机床产品的设计创新尤为重要。

因此，本文在数控机床的造型设计中融入用户认知和造型意象，针对数控机床产品多维特征和造型认知方式进行细化分析，寻找数控机床造型意象设计要点，探究基于造型认知意象的数控机床产品多维特征的设计方法，以提升数控机床产品的用户感性认知和品牌核心竞争力。本文以国产V-11型数控机床为例，进行基于造型认知意象的数控机床多维特征设计实践，得出一套具体的数控机床设计方案。V-11型数控机床原产品如图1所示。

图1 V-11型数控机床原产品

V-11型数控机床主要用于零件的精密加工，机身采用铸件材料，确保产品的刚性和加工时的稳定性；工作台采用箱体结构，四角使用斜拉筋，能较好地提高刚性、稳定性及精度。但产品形象造型较为简单传统，缺乏一定的造型意象设计，产品造型的用户认知较弱，产品辨识度较低，缺乏市场竞争力。因此对该型数控机床进行产品特征和用户造型认知的造型意象优化设计改进。

1 数控机床多维特征的分析

随着时代的变迁和科技的进步，数控机床的产品特征也在不断地进行迭代和发展，在设计生态转型下，数控机床较为优秀的产品造型，更加符合用户的审美需求和情感需要，可带给用户较为愉悦的心情，从而激发人的潜能，提高工作效率[2]。

因此，从多维角度出发研究数控机床的产品特征，综合分析数控机床产品多维特征对造型设计的影响，以此来进行数控机床的造型设计具有重要意义，对产品造型特征元素的提取分析可以更好地为数控机床的设计提供理论指导。

1.1 数控机床形态特征

分析产品的形态元素，可以从几何学的相关概念、构成要素出发。在数控机床产品造型形态的构成中，整体轮廓的线型和外罩形面是决定数控机床产品造型风格的关键要素，不同的线型形面对数控机床形态特征会产生特定的影响。研究市场上著名机床品牌的典型数控机床样本形态特点和造型风格，对数控机床整体造型特征线、形面进行提取分析，得出数控机床特征线和形面与对应形态特征语义的影响关系，如表1所示。

表1 特征线、形面元素对数控机床形态特征语义的影响

1.2 数控机床色彩特征

色彩元素是产品所具有的最直观、最明显的外部特征，作为产品多维特征的组成部分之一，在外显性方面能够直观反映产品的外在形象。把数控机床产品色彩作为产品特征部件进行配色研究，并对配色进行区域划分。选取国内某型号数控机床产品——V-11型立式加工中心为样本，配色区域如图2所示。根据机床外罩的作用和相对位置布局，将数控机床配色区域划分为6个部分，如图3所示。 其中第1、2、3部分组合成数控机床防护罩，第4部分为推拉门，第5部分为上部主轴防护罩，第6部分为床身底座。

图2 V-11型数控机床配色区域示意图

图3 数控机床配色区域划分

对数控机床的色彩构成特点进行探究，结合数控机床色彩功能区域的划分，得出数控机床产品配色一般体系，如表2所示。

表2 数控机床功能区域划分与色彩应用

表2(续)

1.3 数控机床材质特征

材料是产品最基本的构成元素，不同的材料所表现出的产品特征也有所不同，如表3所示。结构是产品的骨架，数控机床的整体性需要不同的结构来支撑，其中数控机床作为精密加工的高端装备，材质特征在材料强度、铸造性能、减震性能以及稳定性方面有更高的要求，加工精度以及成品率都需要更加稳定、更加坚固的结构材料来保障，因此铸铁和钣金材料是机床的首选材料。良好的基座铸造、外壳钣金的成型，可以直观呈现数控机床的优质特征。

表3 数控机床材料与特征的关系

1.4 数控机床交互特征

关注用户与产品之间的交互行为，关键是要关注用户如何认知、接触和使用产品[3]。在数控机床产品造型设计中，用户与产品的交互关系主要体现在用户的常规操作、习惯性动作等用户行为上。数控机床操作构成中的用户行为主要分为两个部分：一是推拉门的操作，二是数控面板的操作。将用户的交互动作进行细化，分析研究数控机床人机交互与语义特征转换，如图4所示。

图4 数控机床人机交互部件语义特征转换

2 数控机床造型认知的分析

2.1 数控机床造型的认知概述

用户认知是关于产品使用者的特定认知心理。诺曼等人将用户对产品的认知层级分为三层：美学印象、语意判断和符号联系[4-5]。Paivio[6]提出的双重编码理论认为，认知加工方式分为两种，第一种是外在表征信息的视觉识别加工过程，第二种是符号语义信息加工过程，这两种加工方式彼此之间具有一定的融合性，相辅相成共同完成认知任务。

在数控机床造型认知中，认知的视觉通道表现为以产品直观的物理层面的表征信息即形态造型特征为载体的形态认知；语义通道表现为以心理层面的基于视觉表象信息即视觉感官效果与心理感受为载体的感知意象的语义认知[7]。

2.2 造型形态认知

利用沙利文提出的形式追随功能的设计理念，可以通过推断数控机床产品特定的功能来确定相应的造型和结构，进而确定相应的整体造型大小和尺寸等形态元素即物理层面的表征信息。心理层面包含的表象信息即基于视觉的感知意象、整体造型的认知信息，可以归纳为数控机床产品的比例、姿态等信息，在视觉上能够更加直观地给用户带来整体沉稳、坚固稳定的心理感受，同时在情感上又具有外观优美协调的审美体验。

产品造型特征是用户在进行产品识别和分辨时最直接有效的、可视化的外部识别要素[8]。数控机床产品整体造型形态以方正、圆润两大类风格为主，不同的造型风格特征给人的视觉心理感受是不同的。棱角分明较为方正的机床造型在突出机械产品硬朗特征的同时缺乏一定的人情味；相对圆润的机床造型可打破机械装备生硬、冰冷的造型特征，更能体现产品的温度以及情感化设计。

2.3 线型色彩与语义认知

“线”作为产品造型构成要素中最基本的元素之一，也是产品造型设计的出发点，视觉特征上具有较为丰富的表现力和最直观的视觉吸引力。在数控机床造型形态的构成中，线型和形面作为关键元素，对数控机床形态特征和整体造型风格的塑造会产生特定的影响。不同的线型具有不同的审美特征，产生不同的视觉效应，给人带来不一样的心理感受。直线给人硬朗、稳重、整洁、朴素的感觉；曲线给人优美、运动、圆润、亲和的感觉。线型的特征可以塑造数控机床产品的造型风格，同时也可以展现产品的人性化设计，表达产品所要呈现的温度和情感。

线型的划分及对数控机床语义认知的影响，如表4所示。各种线型在塑造产品风格及造型装饰方面皆发挥着重要的作用，可丰富产品设计的细节，加强造型设计的层次感等。

表4 线型的划分及对数控机床语义认知的影响

数控机床的颜色除了在外显性方面直观地反映了数控机床产品的外部特征和在内隐性方面展现产品的质量、企业的风格及品牌外，在用户的视觉认知方面，不同的色彩给人带来的感知意象是不同的。主体外罩采用较浅的颜色，以白色系和灰色系为主，较为简洁并具有生动活泼的意象，可减少对操作者的心理冲击和降低视觉认知负荷，带来愉悦的用户体验。底座和推拉门加入部分深色系颜色，可突出数控机床的稳定性和层次感。因此，不同的结构部件在色彩上的不同搭配所赋予的情感是不同的，可丰富情感认知的需求。数控机床不同结构部件的色彩情感认知，如表5所示。

表5 数控机床不同结构部件的色彩情感认知

2.4 细节图形认知

数控机床的细节图形是指整体造型形面上附加的平面化特征。其中，防护外罩、推拉门、观察窗的造型风格，装饰带的处理，线型的一致，直角圆角的过渡等细节图形最为重要。

针对数控机床的细节图形认知，采用化整为零的方法进行分析，将数控机床进行主体和辅件的划分，主体和辅件在功能上相辅相成，在造型风格上即线型、色彩的搭配等也要保持协调一致。当主体采用直角或圆角处理时，辅件也采用相应的风格，以此达到主辅件之间的协调一致，让形体组合成一个有机整体。其中，切角角度要保持一致，色块和装饰色要与企业的logo相一致，使产品的辨识度、企业的品牌识别度更高，这对提升产品的用户认知和塑造数控机床产品品牌家族化的形象具有重要的作用和意义。

3 基于造型认知意象的数控机床多维特征设计方法

通过对数控机床多维特征的分析，并结合对数控机床造型认知方式的分析，将数控机床多维特征与造型认知意象进行映射，构建“产品特征”和“认知”之间的关系。其中，数控机床外在物理层面的视觉表征信息是设计师进行数控机床产品特征设计的出发点，因此数控机床产品特征设计表现为一种创造活动。认知是用户在特定情境下的感知和对产品交互行为的认知活动，表现为一种行为性或活动性。设计师通过整合数控机床的造型认知，进一步融合用户的认知与需求信息，进行数控机床产品语义信息转换，从而设计出符合用户在数控机床造型形态、色彩、交互等多维特征层面的认知与需求的数控机床产品。

4 基于造型认知意象的数控机床多维特征设计实践

4.1 认知意象语义筛选

通过网络及相关文献资料进行数控机床意象词语的收集，共获取60个意象描述词语。采用SD调查问卷的方式，发放问卷60份，收回有效问卷54份，对60个意象描述词语进行调查筛选，将问卷调查得到的数据加以统计汇总，筛选出能够表现数控机床造型特征的意象词语，勾选次数超过20次的15组意象词语有：圆润的、硬朗的、时尚的、和谐的、现代的、流线的、干净的、几何的、模块的、洁净的、整洁的、方正的、沉稳的、流畅的、阳刚的。

4.2 样本选取与特征解构

通过网络查询全球数控机床企业TOP10排行榜，从山崎马扎克、德玛吉、牧野、哈斯等知名数控机床品牌中进行数控机床样本图片的收集和筛选，列举出10个数控机床样本，如图5所示。

图5 数控机床代表样本

首先，通过语义差异调查问卷，对以上筛选出的代表性样本进行认知意象语义评分调查。然后，利用主成分分析法对15组感性认知意象词语进行二次筛选，综合对比这15组感性词语与数控机床样本造型的对应关系，筛选出数控机床造型特征的首要考量因素为现代的、整洁的、圆润的、沉稳的。

对用户来说，考虑到数控机床的日常操作，产品造型在具有一定变化的同时，更要符合现代的、整洁的、圆润的、沉稳的用户感性认知需求要素。通过认知意象语义评分调查以及焦点小组进行讨论，筛选出3个数控机床造型代表性样本进行数控机床造型特征解构分析，如图6所示。

图6 数控机床造型特征解构分析

4.3 设计实践

4.3.1 设计意象特征选择

设计风格意象选择。根据对数控机床感性认知意象词汇的收集和筛选，并通过数控机床代表性样本的意象词汇认知调查与主成分分析，最终确定数控机床整体造型风格意象为现代的、整洁的、圆润的、沉稳的。

设计造型特征选择。根据对数控机床产品造型特征的风格意象分析，以及数控机床家族化的产品造型特征，选择符合造型风格表达的造型特征。

防护罩：直面、装饰带、圆角加切角。

推拉门：直面、直角。

观察窗：折线形、装饰带。

数控面板：矩形、直型、单向旋转。

色彩：冷色调，以乳白色和黑色为主。

4.3.2 设计定位

根据造型意象和对代表性样本形态特征的解构分析，运用美学法则的比例与尺度、对称与均衡来进行数控机床产品的整体造型结构的优化设计，构建现代、整洁、圆润、沉稳的数控机床产品造型特征。

整体造型体块采用相对对称的长方体，线型采用直线和折线，外轮廓采用圆角加45°切角的包裹式造型丰富的优化设计方案；推拉门采用内藏式中心对称分布、观察窗加以45°切角和红色装饰的细节图形设计；数控面板采用旋转式设计，便于用户以合适的视角观察数控屏；颜色上，机身的主色采用冷色调，以白色和黑色为主,辅助和装饰色以企业logo标识使用的红色为主。

4.3.3 方案设计

造型形态整合与草图方案优选。对数控机床代表性样本产品造型特征的可用特征和该系列数控机床造型的核心遗传特征进行提取，进行造型形态的整合与变化，使获得的设计方案具有一定的指导作用，然后绘制方案草图，如图7所示,并进行草图方案优选。从效果来看，草图方案一造型采用上部轮廓横向倒角设计，模块感欠缺，外罩包裹感较差；草图方案二造型采用包裹设计，装饰和细节图形的设计相对凌乱，易产生一定的视觉疲劳感；草图方案三整体造型较为圆润，45°切角设计，层次感、包裹感较强，细节图形、装饰色块的视觉识别效果较好。因此，综合以上分析，最终选取草图方案三，并进行三维模型的构建与渲染仿真效果展示。

(a)草图方案一

数控机床设计方案输出展示。以优选的数控机床草图方案为基础，利用三维建模软件，将草图方案转化为三维立体模型，如图8所示。在建模过程中，仔细把握数控机床整体造型形态和尺寸，对方案进行产品造型与内部机械结构关系的优化，避免各特征部件之间、特征部件与内部结构之间不必要的干涉。对产品模型的细节不断进行完善，可更好地满足用户需求和产品定位，完成建模方案。

图8 V-11型数控机床方案建模

在前文对数控机床产品的形态、色彩、材质、交互以及特征与认知意象之间的关系做了详细分析研究的基础上，对数控机床方案进行渲染，色彩以乳白色和黑色为主，以红色为装饰色加以辅助，最终V-11型数控机床造型优化设计如图9所示。

图9 V-11型数控机床造型优化设计效果图

5 结论

本文从数控机床的多维特征及其造型认知出发，综合运用产品特征、形态解构、产品语义、用户认知方式等相关理论和产品研究方法，分析归纳数控机床产品设计的造型意象。在保证整体造型和比例一定的原则下，注重圆角、切角及细节形面的设计，再加以装饰色块的搭配，使产品的辨识度、企业的品牌识别度更高。这些典型的家族化细节图形元素的创新与应用，对提升产品的用户认知和数控机床产品品牌家族化形象的塑造具有重要的指导意义和参考价值。