汽车三维喷绘系统界面交互设计研究

石婉萍 赵锋 石毅

摘要：汽车产业已经成为我国的重点支柱产业之一，近年来得到了巨大的发展。但随着汽车产能的快速提升，消费者的购车需求发生了变化，从传统的质量、安全性、油耗、舒適度等基本需求来看，同等价位的汽车基本上差异不大，消费者更关注汽车的外观。随着喷绘技术、计算机3D建模技术以及数控技术等的发展，目前喷绘系统仅能够实现大面积喷涂的技术参数调节，无法满足用户对汽车三维喷绘系统的交互操作需要。文章以目标导向设计为基础，旨在探索汽车三维喷绘系统高效易用的交互界面设计方法，以提升用户的操作效率和交互体验，并进一步提高汽车彩色图案的精密喷涂质量和效率。具体方法是基于目标导向设计方法及流程，分析三维喷绘系统的目标用户特征，通过用户研究获取用户对系统的功能需求，根据功能需求及喷绘任务流程划分界面功能模块，以目标为导向，提出汽车三维喷绘系统界面交互设计方法。最后通过五菱宏光MINI EV车身图案喷绘实践，验证汽车三维喷绘系统交互界面的可用性。

关键词：三维喷绘系统；目标导向设计；交互设计；功能模块

中图分类号：U468.22 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）13-0-04

随着制造业的快速发展，汽车涂装行业兴起并发展。人们对车身外观的个性化装饰提出了越来越高的要求，这就对车身外表面的图案喷绘提出了一定的要求。汽车的外观分为三维造型和彩色车身这两个部分，当前汽车的三维造型大同小异，采用人工遮蔽实现“双色车”已经成为批量化喷涂产线的极致工艺。但由于需要人工遮蔽，其效率比单色车身油漆喷涂低，因此能够实现更多变化的焦点逐渐集中到了汽车车身外表的彩色图案上。目前，大多采用彩色喷墨打印贴膜车衣再通过人工粘贴来实现车身外观变化，个别采用人工喷绘的方式实现车身外观变化。但贴膜车衣由油墨打印而成，存在易褪色、易损坏、人工贴膜质量不一等问题，并不能作为大规模改变汽车车身外观的方式，人工喷绘更是满足不了巨大的市场需求。

面对上述问题，研究与落地汽车车身外表的无遮蔽全自动彩色精密油漆喷涂技术，成为行业发展的重中之重。基于曲面微滴喷绘技术的无遮蔽全自动彩色精密喷涂设备，可以根据车身面片造型，采用先进的算法自动生成精确喷绘轨迹，通过计算机系统控制微滴喷头来实现个性图案的三维彩色喷绘，保证最终的图案喷绘更加均匀、高效，实现自动化生产，降低人力成本。为了完成汽车图案喷绘任务，相应的三维喷绘设备需要软件系统配合完成喷绘工作，操作人员通过操作界面控制喷头来完成喷绘工作。

1 三维喷绘系统研究现状

目前，国内外学者对三维喷绘系统的研究取得了一些成果。美国的STM公司在研发领域取得了重要突破，推出了一种先进的彩色地理模型制作系统［1］。该系统能够精细雕刻地理模型，并且能够通过表面上色技术赋予模型丰富的色彩和纹理，从而提供更为真实、立体的三维地理信息和表面颜色信息。该系统主要被应用到军事沙盘和地理模型中［2］。南开大学的张森［3］等人采用模块化设计思想架构设计三维真彩色喷绘软件系统，将软件系统以模块进行划分及布局。高艳敏通过调查和分析不同类型用户在使用3D打印软件界面时的操作行为，了解用户的认知偏好。通过这项研究，她提出了一种基于用户认知偏好的3D打印软件界面交互设计方案，并验证了该设计方案的可行性，为未来的3D打印软件界面交互设计提供了有价值的参考［4］。

目标导向设计是一种面向用户行为的交互设计理论和方法，旨在关注用户的目标和内心需求。其核心是通过有效识别用户的目标，并基于设计目标设计出合理的交互行为。当前，目标导向设计方法被广泛应用于工业软件及B端软件交互界面设计中，但在三维喷绘系统领域未被提及。董晶采用目标导向设计方法，开展地图设计工具平台交互设计研究，有效地提升了地图设计工具平台的高效性与易用性，具有明显的实用价值［5］。黄文倩探究以用户目标为中心的智能招聘面试系统交互设计方法，致力于提升系统全流程用户体验［6］。通过上述分析可知，目标导向设计方法可以深入挖掘用户需求，重视用户体验，实现用户目标。因此，本文基于目标导向设计，设计汽车三维喷绘系统交互界面。

从以上分析可知，当前对三维喷绘系统的研究，更多的是技术的突破和功能的叠加，在系统界面的交互设计方面存在研究空白，导致用户交互体验不佳。因此，运用界面交互设计的相关理论设计三维喷绘系统的交互界面具有重要意义。

2 汽车三维喷绘系统用户需求及目标获取

2.1 汽车三维喷绘系统用户需求的获取

2.1.1 用户特征分析

三维喷绘系统属于B端产品，只服务于企业内部的用户，不面向其他用户，因此将目标用户定位为企业使用设备系统的操作人员。根据操作人员的使用经验，将用户细分为有经验的专业用户和新手用户。新手操作人员具有基础的计算机操作能力，但缺乏机械加工喷绘设备专业知识储备。专业操作人员可以细分为普通用户和专家用户，普通用户具备五轴喷绘设备的基础知识，但对三维喷绘系统的知识储备不足；专家用户具有一定的专业知识沉淀和丰富的加工制造经验，具备明确的目的性和对操作过程及突发情况的把控能力。

2.1.2 用户需求获取

通过用户访谈得到用户对系统界面的不满主要体现在功能不够完善、界面缺乏引导性导致用户认知困难、交互方式不合理等方面，据此将用户需求细分为功能需求、认知需求以及交互需求，具体表现如下。

（1）功能需求：汽车曲面喷涂路径三维呈现；阵列喷头工作状态监测；简化喷头参数设置流程；错误预警提示；喷头运动坐标实时显示；污染性气体实时监测。

（2）认知需求：视觉风格简洁；功能布局合理、有逻辑性；数据可视化设计；功能作用指引说明；信息层级划分清晰；错误提示控件区别于其他控件。

（3）交互需求：操作流畅；控件易用；错误操作反馈；交互方式具有适用性；自动保存输入的信息；减少用户输入，较多输入参考。

2.2 汽车三维喷绘系统功能模块与设计目标的对应与提取

2.2.1 功能模块划分

根据目标用户对汽车三维喷绘系统的具体需求，可以将界面划分为以下五个模块：喷绘设备运动控制模块、参数配置模块、喷绘设备运行状态模块、运动坐标及状态显示模块以及VOCs环保监测模块，结合每一个模块的具体任务，可以明确三维喷绘系统功能模块的子功能元素，更好地梳理系统界面的层级逻辑。具体的功能模块划分见表1。

（1）喷绘设备运动控制模块。喷绘开始前，要先导入编程好的图案文件，在界面中设置喷头移动的位移及速度，以便控制喷头在相应坐标轴上移动，从而使喷头移动到喷绘大致起始位置；设置喷头的打印零位，确定喷绘起始位置，每次重新喷绘色漆时，喷头都需要回到零位。以上功能之间存在一定的流程及逻辑顺序，其目的是在喷绘前期控制喷头位置，因此，将以上功能划分为喷绘设备运动控制模块。

（2）运动坐标及状态显示模块。喷头限位是指X、Y、Z、A轴回零过程中，碰到正负方向限位开关后停止轴运动。发生限位后，系统界面相应的轴方向需要进行预警提示，用户得到反馈后进行操作，使喷头离开限位，喷头限位预警提示是一种错误操作的状态显示及提示。运动坐标实时状态显示能够使用户更直观地获取喷绘作业前后的喷头位移状态，也属于一种状态呈现，因此，将以上功能划分为运动坐标及状态显示模块。

（3）喷绘设备运行状态模块。喷绘设备开始运行时，系统界面需要显示解析编程图案文件的代码运行画面。为了更好地监测汽车不同曲面面片的喷绘状态，界面还需要呈现喷绘图案的路径喷涂轨迹，用户可以通过界面直接获取汽车图案喷绘的真实色彩效果及路径信息。以上功能是喷绘任务运行时的路径状态显示，因此，将其划分为喷绘设备运行状态模块。

（4）参数配置模块。阵列喷头能够满足大面积曲面多色图案喷绘需求，喷绘过程中用户需要实时监测喷头的工作状态，该模块应呈现阵列喷头的控制方式，用户能够选择喷头的组合方式，不同喷头的工作原理有所区别，因此参数设置各不相同。正式喷绘前，还需要设置喷头的打印零位参数。以上功能都是对相关参数进行设置，因此，将其划分为参数配置模块。

（5）VOCs环保监测模块。开展喷绘工作时，会产生大量漆雾和挥发性有机废气，操作人员为了实时监控喷绘状态，需要长期处于该环境中，污染性气体会对操作人员及环境产生一定的危害，而VOCs（挥发性有机化合物）环保监测功能可以准确实现各种挥发性有机化合物等指标的实时在线监测及超标排放报警，有效控制污染性气体的排放。因此，将该功能划分为VOCs环保监测模块。

2.2.2 设计目标获取

基于划分好的汽车三维喷绘系统功能模块，并结合用户对系统在认知及交互方面的具体需求，获取针对具体模块的设计目标（见表2）。

3 汽车三维喷绘系统界面交互设计阶段

3.1 信息架构设计

根据汽车三维喷绘系统界面的用户需求及设计目标，结合具体功能模块，得到系统界面的信息架构（见图1）。

3.2 交互原型及视觉设计

3.2.1 交互原型设计

结合前期5个功能模块及界面操作流程的具体分析，可以将主界面总体划分为“左中右”三栏式，由于三维喷绘系统界面功能较明确，即控制喷头在相应位置进行喷绘工作，因此，主界面集中呈现了大部分功能模块。依据操作流程、功能作用以及视觉效果，左边栏为喷绘设备运动控制模块，也是用户操作喷绘设备的首要步骤；中间栏是运动坐标及状态显示模块；右边栏被划分为上下两个部分，分别为参数配置区域和喷绘设备运行状态区域，喷绘设备运行状态显示区通过子界面完整呈现喷绘图案路径运行画面。“左中右”的三栏布局形式符合系统界面的操作流程，同时符合用户普遍从左到右的浏览习惯。

VOCs环保监测系统可以实现实时监测现场工作环境中油漆、油墨等产生的VOC气体浓度，具有实时GIS地图、实时监测污染性气体浓度、历史数据查询、气体曲线显示、超标报警、超标数据查询、系统设置、用户设置等功能。用户可以通过具体操作来监测工作环境中的气体污染程度，避免挥发性气体超标，从而对环境及人体造成危害。VOCs环保监测系统交互原型页面分为左右两栏，左栏为导航区，右栏为监测数据区。

汽车三维喷绘系统界面交互原型如图2所示。

3.2.2 视觉设计

汽车三维喷绘系统属于B端产品，面向的用户是企业员工，同时属于喷绘设备加工类控制系统，这类产品的界面设计要以功能为主，在此前提下考虑视觉元素。根据产品调性及用户特征，产品视觉设计关键词可以总结为：工业化、简洁、引导、专业及企业文化。由以上分析可得汽车三维喷绘系统完整视觉设计界面（见图3）。

3.3 系统测试

本次一共选取5名对三维喷绘系统了解程度不等的用户，对其开展可用性测试。以五菱宏光MINI EV车身彩色图案喷绘为例，给5名测试人员指定不同的任务，通过操作三维喷绘系统界面完成相应任务，详细记录其使用系统界面的过程，从任务完成率、容错率、效率、易学性、满意度这五个角度进行评估，从而测试系统的可用性。

3.3.1 可用性测试过程

在测试前为不同目标用户设定相应的任务，全程记录用户的任务完成情况，目标用户类型及具体任务如表3所示。

3.3.2 可用性测试分析与评估

可用性测试根据易学性、任务完成率、容错率、效率、满意度这五个标准进行评估，根据所有被测试人员的反应与反馈进行综合分析，得到意见并总结其中的问题，进一步提出解决方案。可用性测试结果与反馈如表4所示。

4 结语

本文基于目标导向设计在汽车三维喷绘系统界面交互设计中的可行性，通过用户研究深入挖掘用户需求与设计目标。根据用户对系统的功能需求将界面划分为具体的功能模块，以目标为导向，针对每一个模块提出具体的设计方法，并依据需求及方法进行汽车三维喷绘系统功能定义与设计实践。最后通过五菱宏光MINI EV车身图案喷绘实践，验证了汽车三维喷绘系统的可行性及有效性，为之后的设计提供借鉴和参考。

参考文献：

［1］ 加索让-皮埃尔，泽格鲁尔，加布里埃尔·拉米雷斯-托雷斯.一种新型的五轴机器人，用于在三维宽表面上打印媒体的高分辨率图片［C］.国际工业技术会议，2009：1-6.

［2］ 翟乃军.三维喷绘系统的设计与研究［D］.北京：北京印刷学院，2017.

［3］ 张森，王鸿鹏，陈新伟，等.基于模块化的三维真彩色喷绘软件系统的设计与实现［C］//第三十二届中国控制会议论文集（D卷）.  ［出版者不详］ ，2013：1552-1557.

［4］ 高艳敏.以用户认知偏好为依据的3D打印软件界面交互设计［J］.电子技術与软件工程，2018（22）：48.

［5］ 董晶.基于目标导向的地图设计工具平台交互设计研究［D］.天津：天津大学，2019.

［6］ 黄文倩.目标导向下的智能招聘面试系统交互设计研究［D］.南京：南京理工大学，2021.

作者简介：石婉萍（1998—），女，陕西渭南人，硕士在读，系本文通讯作者，研究方向：无遮蔽自动化彩色精密喷涂、汽车三维喷绘系统界面交互设计。

赵锋（1974—），男，陕西洛南人，博士，教授，研究方向：工业设计与智能制造、人工智能。

石毅（1972—），男，河南方城人，博士，教授，研究方向：数控技术、精密喷涂、自动控制、测控技术、印刷电子、数字印刷、工业自动化。