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浅谈农机装备创新设计方法与应用

2019/09/20 阅读:

摘要:随着国家乡村振兴战略实施和制造业的快速发展,市场和用户都对农机装备设计提出更高的要求。通过引入现代工业设计理念的创新方法,对满足特色农机装备市场需求和农机装备的创新设计有着重要作用。文章从概念、仿生、绿色和人机四个不同视角来分析和研究农机装备的创新设计方法,并以超级拖拉机Ⅰ号为例论证了现代工业设计理念在农机装备创新设计中的应用。

关键词:工业设计;农机装备;创新设计;超级拖拉机Ⅰ号

近年来,我国农业机械装备的研制和产业发展取得了长足进步,我国农机装备的生产规模跃居世界首位,但农机产业存在“低端产品过剩、高端产品不足、产品同质化严重、具备国际竞争力和品牌影响力的大型企业集团严重缺乏”等问题,其主要的原因之一是农机装备企业缺乏创新性的设计体系,设计观念和思路依然停留在传统农机装备的研制上,严重制约了我国农机装备创新的发展[1]。基于目前我国农机装备发展的现状,引入现代工业设计理念的创新方法对农机装备的创新设计进行分析和研究则显得尤为重要,运用工业设计的理念和方法能够提供有效的手段,增强产品的衍生功能并提升产品的品质,可使农机装备更好地获得用户和市场的认可。

1工业设计及其现代发展

工业设计作为一门新兴的综合型和交叉学科,涵盖了心理学、社会学、美学、人机工程学、机械构造、摄影、色彩学等不同方面的知识,而现代工业设计是将美学和科学技术这两个方面理论进行了深度融合,在产品设计上既能满足用户的审美需求又能在技术上实现功能性的需要,通过美学和科学技术的结合为实现产品的创新设计提供了更多的可能性[2]。工业设计具有很强的时代性,现代工业设计主要通过结构、工艺优化、材料、形态和色彩的有机结合对产品进行创新和品质提升,随着计算机技术和信息技术的发展,现代工业设计又涵盖了人机交互设计、信息产品设计、用户体验与产品创新设计等,更大程度上增加工业设计对产品创新设计的可能性。我国多数传统农机装备企业对现代工业设计理念的认知仅停留在外观造型设计上,简单的认为工业设计等于外观设计,而目前我国现代工业设计已发展到了全产业链设计创新服务这一层面,从产品的策划、设计、生产加工再到市场每个环节都能看到现代工业设计的身影,充分将设计融合到人——产品——环境的系统中以实现产品系统的整体设计创新。

2基于现代工业设计理念的农机装备创新设计方法分析

企业对农机装备的创新大多从机械设计原理、结构、造型进行创新设计,创新角度单一或者片面,不能从产品整体系统的进行创新设计。

2.1概念创新设计方法分析

概念设计是从分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动,它表现为一个由粗到精、模糊到清晰、抽象到具体的不断演化的过程[3]。概念创新设计处于产品研发流程中的初始位置,也是产品开发过程中最为关键和核心的环节,概念的创新性通常是基于解决产品的设计痛点或市场的销售痛点进行构思,设计师通过头脑风暴、跨界集成融合、功能形式的借用和反推需求本质等方法进行概念创新设计,如凯斯推出的全球第一台大马力、无驾驶室的无人驾驶概念拖拉机,重新构想未来时代的无人驾驶拖拉机,通过功能形式借用和跨界元素融合的方式巧妙地增加产品的创新性,以获得产品设计的创新和开拓产品在市场上新的卖点。概念创新与否在很大程度上决定了最终产品的卖点、性能、价格及市场反响等等,在整个产品开发流程中,概念设计阶段实际投入的费用通常只占产品开发总成本的5%,但它却可以决定产品总成本的70%[4]。概念创新性可决定一个产品开发的成功与否,所以将概念创新设计方法合理的运用在农机装备设计中是非常实用的。

2.2仿生创新设计方法分析

仿生是现代工业设计理论中一个重要创新设计方法,它是把自然界中万事万物的“形”“色”“音”“功能”“结构”等作为研究对象,通过对特征原理的模拟、分析、提炼等手段有选择地应用在创新设计过程中,也可解释成有深度思考的“跨界”和“借用”,同时结合已成熟的研究成果,以达到产品创新设计的目的,为产品创新设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径[5]。仿生创新形式大概分为形态仿生、功能仿生、结构仿生、机理仿生、界面仿生五类,应用仿生学设计的产品涵盖了小到家用生活用品大到飞机和邮轮等,如华南农业大学邵耀坚教授利用仿生学原理设计的水稻工厂化育秧拔苗机械手,可解决拔秧、抛植的有序栽植难题[6]。仿生设计可使农机装备在设计和开发中从自然界里获取灵感,往往达到意想不到的创新效果。

2.3绿色创新设计方法分析

绿色设计也常被称为生态设计、可持续设计或者生命周期设计等,常用的设计方法有模块化设计、循环设计、极简设计等,其主要核心是通过创新设计手段来寻找和采用尽可能合理和优化的结构和方案,使得资源消耗和环境负影响降到最低。绿色设计的原则为“3R”,即Reduce、Reuse、Recycle,减少环境污染、减小能源消耗,产品和零部件的回收再生循环或者重新利用[7]。在农机装备的创新设计中,通过高技术手段转化、材料选择、零部件的可拆卸性、可回收性、结构装备、产品的生产制造成本实现创新设计。绿色创新设计可在很大程度上提高农机装备的创新水平,是一种实现产品创新的重要方法。

2.4人机创新设计方法分析

人机是通过优化人——机器——环境三者之间的相互关系和合理匹配以达到产品操作安全、可靠、高效、舒适的要求,它涵盖了人机界面、作业器具、作业空间、作业环境及人机系统等多个方面的创新设计[8]。通过系统地人机工程创新设计,可实现产品由粗犷到精致的品质提升和建立良好的用户体验,提高产品的人性化设计,缩短用户和产品的情感距离,生活中多数的产品都直接或间接的进行了人机工程设计,如航空航天产品的驾驶室、汽车内饰、高铁座椅等相关设备都进行了人机工程的创新设计,满足了人类的人性化需求。在农机装备领域人机设计中,常涉及的有驾驶室作业空间及视野、座椅、显示设备(仪表)、操作装置等与人与直接关系的设计方向,随着计算机信息技术和智能化的发展,又涵盖了人机交互设计和用户体验设计等,进一步提高了市场对农机装备创新设计的要求[9]。

3基于现代工业设计理念的农机装备创新设计方法应用

国家农机装备创新中心以市场为导向,努力通过提高农机装备的创新设计将农民双手从农田里解放出来,从现代工业设计理念的概念、仿生、绿色和人机四个不同角度重新定义新型农机装备创新设计的方向,自主研发的国内首台无人机驾驶新能源拖拉机-超级拖拉机Ⅰ号,如图1,集成了无人驾驶系统、动力电池系统、智能控制系统、中置电机及驱动系统、智能网联系统等核心系统进行创新设计,进而实现整车自主作业、自动避障、路径规划、故障诊断及处理、机具控制、能量管理等功能,并实现恒耕深、恒牵引力等智能识别与控制功能,超级拖拉机Ⅰ号首次在武汉国际农机展上一经亮相便引起行业内外和央视在内多家媒体的强烈关注,并取得良好的创新示范效果。在概念创新设计方面,超级拖拉机开发流程的概念阶段,就对超级拖拉机的功能实现形式和工作场景的创新定义,不再针对传统拖拉机的工作形式进行简单复制,而是针对能够实现无人驾驶作业和信息数据管理的农场,集成现代信息技术和颠覆传统的农机作业模式,为未来农机装备创新提供了新的思路。在仿生创新设计方面,超级拖拉机Ⅰ号整车形态充分采用仿生元素进行创新设计,打破传统拖拉机的造型形态和工作场景,采用流线型仿生设计理念,搭配科技动感的鲨式呼吸灯设计元素,使得外观造型霸气的拖拉机显示出科技感和时代感,在整体造型上一改往日传统拖拉机给人粗犷和笨重的形象,仿生设计的整车形态易于让用户接近和体验不同的创新设计。在绿色创新设计方面,超级拖拉机Ⅰ号整机采用绿色新能源动力电池系统设计,通过电驱动底盘设计实现整车的电池动力驱动、换挡、转向及提升,摈弃传统柴油动力系统,从而可减少能源的消耗和环境污染,实现节能减排的目标,符合现代农机装备的发展趋势。在人机创新设计方面,超级拖拉机Ⅰ号的设计采用人机交互设计和人机工程设计,车身上的激光雷达、毫米波雷达、工业相机、GNSS天线传输数据至控制基站,由基站数据处理之后传输至用户终端,用户可通过终端查看机器的工作情况。车身的急停按钮、钥匙开关、充电端口及车门按键通过人机工程设计,可实现用户更为安全、方便、高效的操作,终端设备的人机界面通过图形界面设计和人机交互设计,能够让用户更为有效的方式实现人与机器的对话,实现人机交互效率最大化。

4结语

市场激烈的竞争和用户的渴望需求,促使企业需要加强对农机装备的创新设计,把现代工业设计理念中的创新设计方法融入到农机装备的研发流程中,可有利于企业开拓眼界和提高创新意识,进一步增强我国农机装备的创新设计。

参考文献

[1]侯立宇.我国农机装备现状及发展[J].机械工业标准化与质量,2011(7):15-18.

[2]李晨,于兵兵,于国真.工业设计和机械设计结合应用的发展趋势[J].南方农机,2016:110.

[3]邓家缇,韩晓建,曾硝,等.产品概念设计:理论、方法与技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]孙邦江,戈振扬,朱慧斌.概念设计方法及其在农业机械装备研犮中的应用[J].农机化研究,2006(3):154-157.

[5]聂夏杰,宫浩钦.仿生理念在设计创新中的应用[J].科技传播,2013,(1):91-92.

[6]孙邦江,戈振扬,朱慧斌.概念设计方法及其在农业机械装备研犮中的应用[J].农机化研究,2006(3):154-157.

[7]何人可.工业设计史(修订版)[M].北京:北京理工大学出版社,2010.

[8]丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社,2017.

[9]叶彤,常建国,田荣刚,等.基于人机工程学的玉米联合收割机驾驶室设计[J].农机化研究,2011(10):88-91

作者:程超然 王云飞 张玉成 单位:国家农机装备创新中心洛阳智能农业装备研究院有限公司

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