基于系统设计理念的数控机床外观研究

张振凯 梅绍国

摘 要：本文主要在系统设计理论指导下阐述数控机床的外观设计问题。首先对系统设计理论进行探讨，明确设计产出应以三点核心流程为指导，遵循系统设计理论三大原则；然后对各大品牌机床外观的元素使用、色彩使用进行调研分析，对人机工程学数据进行收集；最后在调查研究的基础上进行形态要素、色彩要素、人因要素和结构要素的分析，把产品的功能性和审美性相结合，以此提升产品的核心竞争力和品牌效应。在整个设计过程中，需要考虑所有与产品外观相关的因素，如工程原理、工艺结构、用户操作、维修运输和制造成本。在以上工作的支撑下，本文研究解决了企业系列产品外观审美性弱、品牌化弱、无统一视觉形象的問题，以实现该品牌应有的品质。

关键词：产品设计；数控机床外观；系统设计

一、绪 论

数控机床由美国发明家John Parkinson在20世纪50年代末发明，世界机床行业历经了近70年发展后快速进入了产业化进程，在机器制造业的地位越发举足轻重。

我国数控机床技术在20世纪80年代开始起步，核心技术并不逊色于世界先进水平。较为可惜的是，虽然国内机床品牌较多，但外观设计十分保守，主要问题是对产品系统性考虑较少。以设计对象陕西诺贝特自动化科技有限公司系列产品为例：其产品外观无法反映企业形象，与品牌的视觉联系较弱；产品外观停留在功能满足上，只有简单的结构包裹，无审美倾向；机床上下、前后比例不协调；色彩感觉差，对于消费者心理因素考虑不足；违反人机工程学要求，不符合操作者的生理结构。而消费者在对产品外观进行评价时往往是综合以上几点而进行的。为此，国内的机床外观需要进行大的改变。

学者孔苓燕在文献《浅谈系统设计在产品设计中的应用》中谈道，设计应是理性与感性相结合，科学和人文相结合，不能孤立地侧重某一方面。[1]文献《基于产品系统设计理论下的儿童相机设计》中指出，系统设计对产品设计的意义在于人文和经济两大方面。[2]文献《基于系统设计下的产品识别研究》中提到系统设计理论运用到设计中是为了把握设计方向，规范设计流程。[3]

通过这些文献可以发现，国内机床产品的问题皆是因为缺乏系统设计理念。前人所研究的皆从系统之整体出发，对系统的拆解与组合、元素与整体的探讨略显不足，因此，本文决定以此为出发点。在系统设计理论的基础上，考虑元素与整体的关系，设计出三款机床，为我国数控机床的外观设计提供参考。

二、相关理念研究

（一）系统设计方法概述

系统是为了构成一个整体或达到一个目标集合若干要素的总和。系统由三个部分组成：元素、结构和功能。[1]系统设计理论形成于20世纪初，其考虑多个因素，而非简单的工业化制造，讲究每个元素之间进行协调，从而形成稳固的系统结构，元素与结构共同作用实现产品的功能性产出。

（二）系统设计三大原则

系统设计理论是从整体出发，充分考虑客观因素，使产品具有针对性。在具体操作中应遵循三大原则：整体性原则；开放性原则；目的性原则。[3]整体性原则要求人、机、环境相统一，寻找平衡与整体的最优解。开放性原则要求设计师不断关注社会外界的革新变化，做到与新技术、新理念、新审美、新体验无缝对接，满足不同层次的需求。目的性原则要求产品的产出具有针对性，在充分调查研究的基础上得出合理的设计。

（三）系统设计的核心流程

通过对系统设计方法以及系统设计原则的了解与掌握，总结出三点核心流程：1．资料收集；2．系统分析；3．设计定位。[1]前期的资料收集必须以对行业、人、产品的深入了解为前提，做好充足且系统的准备；分析的过程较为重要，必须把设计对象及其一切有关问题当作一个整体，再对其构成元素进行解析，从而深刻了解整个系统的特点，为下一步设计找到可行的方案；最后根据资料和系统分析的研究结果确定设计方向。以下设计均在此流程指导下完成。

三、系统设计理念指导下的数控机床外观设计

系统设计理论是一种观念和手段，本研究在此基础上进行了数控机床外观系统设计的具体实践。系统设计理念下的产品有六个重要的设计要素：形态要素；色彩要素；人因要素；功能要素；结构要素；环境要素。[1]此六要素结合社会、企业、用户、产品等客观条件，最终确定设计方案。

（一）形态要素

形态是产品设计中最为重要的要素之一，通过或方、或圆、或曲的基本特征，点线面的摆放、分割、组合、交叠等方法，将产品的特征及属性表现出来。在分析形态要素时有两个要点：整体形态要满足企业形象，部件造型要满足基本功能，两者互为呼应。

1．整体造型

根据系统设计开放性原则要求，设计要随时关注外部条件。此处着重分析国外同类产品的设计情况。如图2所示，将各个部件线性化，会得到较为直观的造型元素：马扎克机床善于运用直线并辅助大圆角进行造型；德玛吉机床曲线运用较多，用直线或倾斜曲线辅助造型；斯图特机床善于运用短线条连接进行造型设计；而哈斯机床多运用垂直直线造型。德玛吉机床给人灵动、活跃之感，而哈斯机床则更加稳重、敦厚。由此判断，运用直线元素造型可以突出机床的工业特性：可靠、精密、稳定及刚硬。曲线的运用可以增加机床科技、律动的属性。

在此研究基础上结合企业文化和企业宗旨，为匹配产品形态，以直线、直面为主，方体穿插为辅，倒角辅助造型，塑造稳重、内敛之感。以下列出所有可行的穿插方案进行备选，并综合其他要素选出三款机床最终的整体形态（图3）。

2．部件造型

构成机床整体造型的元素还包括操作面板、把手、指示灯、视窗、维修窗口、logo等，众多元素相互呼应才能共同构成机床的整体造型。部件造型的设计要做到源于整体又服务于整体，在满足基本功能的同时，在细节上加入共同的设计语言，从而达到设计的系统性。同时要根据企业要求融入相应的造型特点，如陕西诺贝特自动化科技有限公司企业文化较为庄重，设计时则着重表现稳重、内敛的特点。

3．视觉重心分析

设计选用体块穿插的造型语言，不可避免会触及视觉重心的问题，体块穿插有诸多变化，重心的位置决定视觉上是否稳定，在众多穿插方案中结合结构要素选取出以下三个方案（图4、图5、图6），重心皆在落脚点之内，视觉观感较为稳定，符合企业形象和整体造型。

（二）色彩要素

很多学者都对色彩进行了深入研究，据统计表明，人观察一个产品的顺序为：色彩、形体、质地。[4]在工业产品中，色彩对观感的影响最为直接有效，观者对产品的印象程度取决于色彩的质量。为此，我们进行了大量调研分析。

1．工業类产品色彩调研

根据系统设计的整体性原则，在进行色彩设计之前先进行工业类产品的色彩调研，了解色彩现状及趋势，做到整体把握。在小型工业产品中色彩使用比较自由，如音箱、手机、加湿器、鼠标、风扇等产品，可以根据用户喜好大面积使用一种或多种鲜艳色彩，甚至撞色、荧光色、渐变色等皆可使用。但在大型工业产品中色彩使用要谨慎，多选用一到两种较为耐看、偏于理性的低明度冷色，目的是让使用者心情平静，不会产生焦躁情绪，鲜艳的色彩多作为点缀出现，目的是在造型的关键处起到装饰的作用。经调研发现，橙色、绿色、蓝色在工业产品中出现较为普遍，这三种颜色与其他色彩的占比如图7所示。大型工业产品中点缀颜色占比在5%～30%之间。由此可知在方案产出时，应遵循两到三种颜色、低饱和度、少量鲜艳色彩的用色规律。

2．各大机床品牌色彩研究

分析系列产品的色彩使用频率，可以了解到各大品牌的用色规律，如果该品牌已经形成了自己的设计系统，那么其系列产品中的高频使用色彩很有可能已经成为品牌的标志。这也是避免产品落入同质化的一个可行性方法。笔者在大量收集品牌产品并进行分析之后得出下图数据（图8）。公司LOGO为蓝色，产品视觉观感必须与企业相符合，结合图7研究可知，企业主色与各大有影响力的品牌颜色并不冲突。最终点缀色彩确定为蓝色（C：100 M：60 Y：0 K：0）。

（三）人因要素

1．人机要素

人机工程学在产品中的应用非常必要，如果没有按照人体生理构造安排产品各个元素的布局，使用者就不能舒适地进行操作，甚至有可能造成人体损伤，如肌肉劳损、视觉损伤等。机床设计中需要考虑到人机工程学的元素，具体有机床门、把手、操作面板、观察视窗、维修口、底部内凹容脚装置等。机床门的大小需要考虑工作台尺寸、送料机宽度、人体臂展的宽度，如果工作台过大，则需要采用双开门的方式。把手对操作的舒适性有很大影响，根据手握横截面尺度，机床把手横截面直径应在10～20mm之间。长度不小于100mm安装位置一般在1000～1600mm之间。操作面板的安装高度同样考虑到手的舒适度以及视域，最佳高度为1000～1700mm之间。观察视窗的高度取决于人的视域。人眼垂直方向上下15°，水平方向左右25°为宜。[5]在以上调研数据的支撑下，做出元素安排，如下图（图9、图10、图11）。

2．心理要素

照顾到使用者的心理，经常可以看到的A级面，即正面顶面，设计较为感性舒适，不经常看到的B级面，即侧面和后面，设计较为理性。从功能划分上来看（图12），A级面板含操作区和观察区，所以操作面板和视窗加入曲线元素，并丰富其色彩。B级面板含维修区、进出水电区等，所以部分机械结构可以适当外露。

（四）结构要素

数控机床系统设计过程中不可忽视的一点是机床的结构要素。系统设计的目的性原则要求外观设计需要有针对性，每款机床各自的内部结构不同，以图13展示的NOG350X-CNC为例，外观的体块关系安排跟随机床内部结构。面对目标产品，需要综合考虑所有元素，由内而外，由大及小，由浅层到深层。

机床在运转过程中，内部部件的位移对外观会产生很大影响。因此在进行外观造型设计时，要熟悉结构的运转方式，为内部部件位移留出足够的空间。如NAS520X-CNC以及NOG350X-CNC两款磨床工作台在运作过程中会有左右方向的位移，在设计外观时预留了空间。

每款机床除了核心结构之外，还有操作面板、水箱、液压站、信号灯等部件，这些部件结构特殊，需要结合工程师意见决定是否进行整体化的设计。如液压装置需要大量水和润滑剂作为消耗品，因此适合外接，散热效果会更佳。操作面板为减少系统更新带来的硬件换代，可采用全面屏触屏操控。

四、结 语

本研究主要运用系统设计理念对机床外观进行系统设计，主要体现在对企业、人、产品的综合考虑，以及经过分解各个元素的考虑上。将系统设计三大原则运用其中，设计过程着重探讨元素与整体的拆解组合，元素和整体的互相反馈。最后设计产出有效提高了机床的品牌化、系列化和美观性。明确机床设计应遵循设计的三大原则，应协调元素与整体两方面，这对国内机床的发展起到积极的引导作用。

（西安美术学院设计艺术学院、陕西省文化馆）

参考文献

[1] 孔苓燕，谢庆森．浅谈系统设计在产品设计中的应用[J]．设计，2013（6）：184-185.

[2] 曾勇，高涵茜．基于产品系统设计理论下的儿童相机设计[J]．科技视界，2019（9）：40-41.

[3] 陈力，慕璐璐．基于系统设计下的产品识别研究[J]．科技视界，2020（10）：241-242.

[4] 袁雪娇，程鲲，王基生，等．基于构成要素的数控机床造型特征研究[J]．机械设计，2014（8）：118-121.

[5] 林敬亭，李娇．基于要素分析的机床产品外观设计研究[J]．设计，2013（10）：42-45.