基于SET-AHP-FBS 的液压式压合机设计

张学敏 周红宇 张林涵

（湖北工业大学工业设计学院，武汉 430068）

液压式压合机是一种将各种金属以及非金属材料加工成型的设备，广泛用于汽车行业的零配件加工及各行业多种产品的定型、冲边、校正等领域。一般用油为加压介质，采用饱和蒸气、热水、电做加热介质。对于液压式压合机的研究多聚焦在工程设计与结构设计上，缺乏系统性的设计研究[1-3]。现在液压式压合机设备的设计开发流程受多种主观因素的影响，设计过程繁琐且复杂，多由工程师主导，缺乏用户的参与以及对于用户需求的研究，需要结合新的需求信息进行重新设计与分析。

1 液压式压合机概述

液压式压合机是“功能主导”为设计原则的典型产品，主要由机械系统，动力系统以及控制系统组成，可以细分至液压缸、立柱、数控面板、油箱、高压泵、内置液压站等具体结构设计参数。在高温高压条件下工作，对板坯加热、加压，使其胶合成型。因此设计过程中应遵循“形式追随功能”的原则，对产品进行系统性分析。文中所设计的液压式压合机的功能样机，如图1 所示。

图1 液压式压合机功能样机

2 基于SET-AHP-FBS 的液压式压合机设计流程

液压式压合机的设计开发流程是一项复杂的系统工程，其过程受多因素影响。杨勤等基于SET 分析法，分析家庭智能蔬菜种植箱的设计产品机会缺口，结合TRIZ 理论输出了设计方案[4]；石元伍等利用感性工学方法，以SET 因素为约束，完成城市管理无人机设计方案[5]；周红宇等集成了AHP-FAST-FBS 的设计策略，以用户需求入手，完成了遥控式抹光机设计[6]；傅雷等利用AHP 分析用户需求权重，结合QFD 与TRIZ 完成了模块化书柜设计[7]；王时群等使用层次分析法对用户需求进行定性与定向分析，以TOPSIS 对三家医院的自助挂号机的可用性程度进行排序[8]。层次分析法可以对用户需求权重进行排序，降低设计过程中主观因素的影响，FBS 可以将设计需求映射为具体的产品设计结构参数[9-11]。因此，文章构建了基于SET-AHP-FBS 的设计策略，从社会、经济、先进技术三个角度展开设计分析，明确产品设计机会缺口，从中获取隐藏的设计需求以及未来设计研究方向；利用AHP 分析设计开发过程中所涉及的用户需求，经过定性与定量分析后，并对用户需求的重要度进行排序，避免设计过程中决策者、设计师和其他主观因素的影响；借助FBS 展开“功能——行为——结构”映射，将模糊的用户需求映射逐级映射为压合机具体的结构设计参数，结合工业涉及领域相关知识输出液压式压合机方案设计方案。通过李克特量表对设计方案进行有效性验证，提升设计的合理性，以此得到最优设计方案。设计流程如图2 所示。

图2 液压式压合机设计流程

3 液压式压合机设计求解

3.1 SET 分析与求解

传统的设计调研方式无法及时适应环境的变化，而SET 分析法可以从社会、经济与科技三个角度，宏观地对产品设计因素进行综合分析，及时准确发现产品设计机会缺口，满足环境变化的需要。

液压式压合机属于特种装备范畴，相关从业人员较少，调研就有一定的困难性。因此，文章首先进行桌面研究，调研设备存在的一些问题。其次，根据桌面调研情况，依靠实地访谈法、观察法等方式进行用户研究，并制作调查问卷。共选取60 个用户样本发放问卷，其中包括产业工人42 名、工业设计师10名、企业管理者8 名。去除掉无用以及重复问卷5 份，累计收到有效问卷55份，样本合格率为91.67%。最后，对调研问卷进行研究，展开SET 分析，SET 因素占比比重如表1 所示，具体因素分析如表2 所示。由表1 可知，相关调研人群对于液压式压合机设备的关注因素在于经济因素与技术因素。

表1 液压式压合机SET 因素占比

表2 液压式压合机SET 因素分析表

3.2 基于AHP 的用户需求分解与求解

3.2.1 液压式压合机层次模型构建

由于仅用SET 分析法难以直观地获取用户需求重点，文章借助层次分析法对用户需求进行求解与分析。为保证用户需求定位的准确性，对用户需求进行整理，删除掉多余描述的用户需求，把原始的用户需求中的描述性语言转化为功能性语言。

利用AHP 进行问题分析与决策时，需要将液压式压合机所涉及到的用户需求尽可能的系统化，从而构建层次分析模型。文中以SET 因素作为约束，从经济因素、人机准则、功能需求以及美学准则构建层次结构分析模型，如图3 所示。

图3 液压式压合机层次结构分析模型

从因素层中一共梳理出16 种影响液压式压合机的用户需求要素，对这16 种因素进行评价判断16种用户需求要素对于设计方案的影响。该模型主要由三层组成，分别为：目标层，即液压式压合机最优设计方案M；准则层：经济因素M1、人机准则M2、功能需求M3以及美学准则M4；因素层：故障率低M11、价格合理M12、利用率高M13、容易维修M14、利润率高M15、功能分区合理M21、安全性高M22、尺寸合理M23、操作简单M24、设备降噪M31、减少污染M32、设备散热M33、安全警示M34、造型美观M41、材料安全耐用M42、色彩搭配合理M43。其中目标层为最终要实现的设计目标，因素层为整合后的用户需求。

3.2.2 液压式压合机用户需求分析与解读

选取之前调研的60 名目标用户，采用1——9 标度法对目标层、准则层以及因素层中的各设计要素进行多轮打分，构造出各设计要素的层次评价矩阵[12]。各要素的层次评价矩阵如表3——7 所示。文中采取算数平均法进行各设计因素的权重计算[13-15]，具体如下：

表3 准则层判断矩阵及权重

表4 经济因素判断矩阵及权重

表5 人机准则判断矩阵及权重

表6 功能准则判断矩阵及权重

表7 美学准则判断矩阵及权重

将矩阵中各数据进行列归一化处理，即求

将归一化的数值列相加，除以矩阵结束n，得到权重向量Wi。

根据公式CI=、CR=对各设计矩阵一致性进行检验，CR值见表9 平均随机一致性指标表，经过计算后可知矩阵M、M1、M2、M3、M4的CR值分别为0.090、0.094、0.033、0.083、0.052，均小于0.1，因此所有设计矩阵均通过一致性检验。对矩阵中的数值进行排序，形成如表8 所示的总体目标权重排序表。

表8 总体目标权重排序表

3.3 基于FBS 的设计分析与求解

由表8 所示，可以直观地了解到用户需求的重要程度。文章选取排序前10 的用户需求作为功能设计需求，根据需求权重，分别为：容易维修M14、安全警示M34、利润率高M15、设备散热M33、利用率高M13、安全性高M22、造型美观M41、故障率低M11、设备降噪M31、操作简单M24。将设计需求映射至FBS的“功能——行为——结构”模型中，分别记作F1——F10。如图4 所示。

图4 液压式压合机的“功能——行为——结构”关系

针对于功能设计需求选择相对应的设计行为，并映射至液压式压合机的产品结构上。本次设计研究选择拆装的手段达到容易维修的目的，其相对应的产品结构为检修板与检修孔；警示灯和报警器通过安全提醒和故障报警的方式实现安全警示功能；设备散热可映射为主动与被动散热，通过散热扇来实现被动散热，进风口和出风口实现主动散热，散热栅来实现导热；利用率高通过移动方便实现，映射为提手和轮子，安全性分为急停与保护，映射为电源、急停按钮以及防护罩；造型美观映射为符合企业形象与体现企业文化，相对应的结构参数为设备机体外壳；故障检测系统通过故障检测和故障反馈达到故障率低的功能；设备降噪分为主动、被动降噪，其对应的结构参数为隔音棉与降噪器；操作简单映射为符合人机工程并且具有功能分区的操作面板。

4 液压式压合机设计实践

4.1 产品实现

基于SET-AHP-FBS 设计策略，对液压式压合机进行方案设计与输出。为了匹配准则成的用户需求，对设计方案进行优化，设备整体采用金属钣金材料，优点在于金属钣金材料容易加工成型、易拆装、材料安全，同样可以减少企业开发成本。整体造型采用几何外观的形式便于工厂对多个设备实现“组合工序”组合使用。针对原本杂乱的功能布局以及人机操作逻辑进行了重新定义，将功能显示区设计在右手方，将预设值功能集成在预设功能面板中，在设备正常工作的同时，预设面板可折叠收纳而非外露，整体的功能区域放在了设备的右上方，可适应于大多数人的右手操作逻辑。优化外观造型与品牌衍生的配色方案塑造全新的品牌ID。液压式压合机设计方案如图5 所示。

图5 液压式压合机设计方案

4.2 设计验证

文章以5 阶Linker 度量表进行设计方案验证，首先设置专家评语等级与对应标准：E={E1，E2，E3，E4，E5}={很满意、满意、一般、较差、非常差}，计算分值设定为1，2，3，4，5 分，5 分代表非常满意，1 分代表非常差。选取最初用户调研的60 名用户样本，依据图3 液压式压合机层次结构分析模型中因素层的各个需求指标进行评价。经过计算后该设计方案的平均得分为4.52 分，处于很满意与非常满意之间，代表用户对该设计方案表示认可。

5 结论

文章为解决现有液压式压合机产品开发设计流程过程繁琐，且创新性不足的问题，提出了基于SET-AHP-FBS 的产品设计策略。在产品的设计初期阶段引入社会、经济、技术发现产品机会缺口，并将各因素作为设计约束。通过层次分析法从经济因素、人机准则、功能需求、美学准则四个角度建立层次机构模型，解耦产品开发过程中的用户需求，降低设计师主观因素对于最终设计方案的影响，并借助“功能——行为——结构”模型将用户需求映射为具体的设计结构参数，完成了液压式压合机方案设计。该设计策略可以有效地简化的设计开发流程，帮助企业进行产品开发。同时，及时吸取专家和市场的反馈意见，将产品的装配工艺、技术实现以及如何有限延长产品的使用周期作为接下来的研究重点任务。