朱 彥， 曹 幪

（上海電機學(xué)院，上海 200245）

NCP-400L數(shù)控車床的工業(yè)設(shè)計改進研究

朱 彥， 曹 幪

（上海電機學(xué)院，上海 200245）

我國很多機電產(chǎn)品在技術(shù)上已接近世界先進水平，但對于工業(yè)設(shè)計的重視不夠，直接影響了我國產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上的競爭力。通過NCP-400L數(shù)控車床工業(yè)設(shè)計改進的設(shè)計實踐，探討了如何在保持產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)和原有工藝裝備不變的前提下進行工業(yè)設(shè)計改進的方法。運用形態(tài)比例調(diào)整、色彩表現(xiàn)和人機交互設(shè)計等手段，實現(xiàn)產(chǎn)品的視覺形象與內(nèi)在質(zhì)量的和諧統(tǒng)一。

數(shù)控車床；工業(yè)設(shè)計；形態(tài)；色彩；人機交互

在我國機電產(chǎn)品行業(yè)中，有很多成熟產(chǎn)品在技術(shù)上已逐步接近世界先進水平，但對于工業(yè)設(shè)計的重視程度還不夠，忽視了人們對機電產(chǎn)品越來越高的審美要求，直接影響了我國的機電產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上的競爭力。出于經(jīng)濟和生產(chǎn)實際的考慮，企業(yè)又不可能將現(xiàn)有產(chǎn)品全部重新設(shè)計，尤其是在技術(shù)性能及生產(chǎn)工藝上已十分成熟的產(chǎn)品。在這種情況下，就必須在保持產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)和原有工藝裝備不變的前提下對產(chǎn)品進行適當(dāng)?shù)墓I(yè)設(shè)計改造[1]。現(xiàn)以國產(chǎn)NCP-400L數(shù)控車床為例，探討其工業(yè)設(shè)計改進的過程。

NCP-400L數(shù)控車床主要用于零件的車削加工，圖1中所示的產(chǎn)品是經(jīng)過自行改造后的產(chǎn)品，其采用的是上海電氣集團具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PA數(shù)控系統(tǒng)，具有遠程控制和通訊、實時監(jiān)控的功能。數(shù)控車床加工零件是通過刀具和工件的相對運動實現(xiàn)的，主要操作步驟包括輸入程序、安裝零件、選擇刀具、操作車床等；通過數(shù)控裝置控制刀尖的運動軌跡，使其運動軌跡滿足工件輪廓要求，就可以加工出合格的零件；除了具備最基本的車削功能以外，還應(yīng)具有可維修、易操控、便于收集及清理廢屑等功能。原產(chǎn)品外觀形象簡單粗陋，落后的工業(yè)設(shè)計與先進的機器性能之間極其不協(xié)調(diào)，是其缺乏市場競爭力的主要原因。因此亟需對該產(chǎn)品進行全方位的工業(yè)設(shè)計改進。

1 原產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計要素分析

原產(chǎn)品整機由多個鈑金部件通過螺釘連接而成，分型線較多，導(dǎo)致各個部件之間棱角分明，缺乏過渡與呼應(yīng)，整體外形給人以嚴肅、呆板、笨重和冷漠之感；色彩的分割在整機高度的 1/3處，未選用深色作為視覺收斂之效，在整體上缺乏穩(wěn)定感。

同時，該數(shù)控車床的細節(jié)設(shè)計上也存在諸多不妥之處。如圖1中所示，控制面板是安插進機床罩殼上再用螺釘固定的；這種方法雖很普遍，但卻不美觀。整個控制區(qū)域分為兩大部分，左為輸入程序部分；右為操作部分。這是按照普通用戶的一般行為順序進行設(shè)計的，即從左至右先輸入程序，再操作。若用戶是左撇子，這樣的設(shè)定就變得不甚合理。所以考慮到操作的通用性，控制面板應(yīng)采用上下排布較為妥當(dāng)。

圖1 NCP-400L數(shù)控車床原產(chǎn)品

如圖2所示，數(shù)控車床的防護罩幾乎沒有發(fā)揮實際功效，加工時的余料還是會從網(wǎng)格處飛濺出來。因此應(yīng)設(shè)計有一定屏蔽功能的防護網(wǎng)，才能保證用戶的安全。此外，這樣的設(shè)計已基本被淘汰，全封閉式的床身罩殼設(shè)計是現(xiàn)在的主流趨勢。

圖2 數(shù)控車床的防護罩

如圖3所示，在數(shù)控車床的背面有兩個散熱處：圖3(a)為風(fēng)扇的散熱，圖3(b)為下部馬達的散熱，一處是金屬折彎成型，而另一處是熱固性塑料，這兩個散熱處的功能一致，但形態(tài)的處理受零件和加工工藝影響卻沒有連貫性，因此在工業(yè)設(shè)計改進中應(yīng)重點考慮散熱孔形態(tài)的呼應(yīng)關(guān)系。

圖3 數(shù)控車床的散熱孔

如圖4所示，數(shù)控車床的背部完全沒有防護設(shè)計，加工過程中產(chǎn)生的廢屑直接暴露在外，既破壞周圍環(huán)境，又影響視覺美觀。所以，在設(shè)計中一定要做好密閉的防護措施；同時可考慮采用可拆卸的裝置，幫助用戶后期的清潔和保養(yǎng)。

圖4 數(shù)控車床的背部防護

如圖5所示，把手設(shè)計采用了圓柱形的“L”型管道形態(tài)，當(dāng)用戶正手握住水平把手進行水平方向上的推拉操作時，力的效率是很低的。假設(shè)用戶單手水平推拉，就必須使用很大的力，而且這樣的操作也非常不安全。最終導(dǎo)致只能如圖中所示那樣，用兩只手分別握住垂直、水平方向的把手向右移動的尷尬局面。

圖5 數(shù)控車床的把手

綜上所述，NCP-400L數(shù)控車床的殼體分型線較多，各個部件之間大都由螺釘進行連接，導(dǎo)致整體形態(tài)缺乏連貫性和設(shè)計感；控制面板設(shè)計在機器的上部，操作舒適性差，人機關(guān)系不合理；機器背部采用半敞開式防護罩，不能將廢屑、粉塵、飛濺的冷卻液及噪聲等都封閉在防護罩之內(nèi)，不僅安全性差，而且還給用戶帶來不良的心理影響等等。針對種種不足之處，應(yīng)該進行有針對性的工業(yè)設(shè)計改進，總體指導(dǎo)思想是在工業(yè)設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相協(xié)調(diào)的原則下盡量豐富產(chǎn)品的色彩，處理好殼體的分型與體量關(guān)系的變化，以及提供更人性化的人機交互方式，來提升產(chǎn)品的整體品質(zhì)。最終使用戶在感知、認識及操作數(shù)控車床的過程中都能夠體會到高科技產(chǎn)品的附加價值及其所帶來的精神愉悅感。

2 工業(yè)設(shè)計改進方案

數(shù)控車床是高速車削加工的大型機電產(chǎn)品，一般以簡潔干練的外形居多，應(yīng)采用直線或者直線加小曲面相結(jié)合的整體形態(tài)，盡量避免過于復(fù)雜的曲面設(shè)計；在進行各功能構(gòu)件的細部設(shè)計時，要舍棄片面強調(diào)功能主導(dǎo)的堆砌式設(shè)計，即各部件僅僅是按照功能要求被機械地連接在一起，整體造型非常松散、雜亂[2]；色彩設(shè)計上應(yīng)使造型更加完美，能提高用戶的操作效率，改善用戶的工作環(huán)境，營造更加舒暢和人性化的感覺；在人機交互設(shè)計上，應(yīng)該更符合人機工程學(xué)原理，考慮用戶的生理和心理因素，提高產(chǎn)品的人機工程學(xué)品質(zhì)。

2.1 整機形態(tài)設(shè)計

數(shù)控車床的防護罩大都是采用鈑金彎折成型，其功能主要就是用于安全防護，對機器的功能不會有太大影響，因此在形態(tài)設(shè)計上有更多的空間。但又考慮到鈑金的加工工藝和成本，整體仍然以直線型為主，沒有像汽車或小家電產(chǎn)品那樣的復(fù)雜曲面。如圖6所示，改進方案的整機形態(tài)為硬朗干凈的直線型；為使形體間銜接密切、轉(zhuǎn)變自然[3]，數(shù)控車床的頂端棱角處理成柔和的小圓角過渡。這樣的“直線型+小圓角過渡”整體外形，給人以工整、理性、嚴謹和精密的感覺，符合數(shù)控車床作為機械產(chǎn)品的特征。

圖6 NCP-400L數(shù)控車床改進設(shè)計方案

合理的比例是造型的基礎(chǔ)，運用比例可以確定產(chǎn)品的局部與局部、局部與整體之間的相關(guān)尺寸。數(shù)控車床的形體比例是指整體與局部、局部與細部之間的大小對比關(guān)系。若形態(tài)的外形輪廓多為矩形，長寬比可選擇黃金比(1: 0.618)或均方根比例等。一般來說，在數(shù)控機床的形態(tài)設(shè)計中，各部分通常采用相等或相近的比例，容易得到協(xié)調(diào)、舒適的效果[4]。當(dāng)然這必須建立在不影響產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)和加工工藝及其性能的前提下。

基于上述的比例設(shè)計原則，對于車床外形進行了合理的形態(tài)分割。如圖7所示的側(cè)視圖，產(chǎn)品截面形態(tài)采用了正梯形與倒梯形的組合，既活潑生動又輕巧穩(wěn)定。這兩個梯形將總高度為1500mm的整機按照接近黃金分割比例的數(shù)值分成上下兩部分；如圖8所示的主視圖，移門將車床橫向比例做了三等分，即A、B、C三部分的長度數(shù)值比接近于1。這樣的比例分割符合工業(yè)設(shè)計中形態(tài)美的設(shè)計原則。

圖7 NCP-400L數(shù)控車床側(cè)視圖

圖8 NCP-400L數(shù)控車床主視圖

2.2 細部形態(tài)設(shè)計

考慮到數(shù)控車床的控制區(qū)設(shè)置在整機右側(cè)，為了平衡將馬達機電裝置放置在整機左側(cè)，機電裝置在全封閉的罩殼內(nèi)要正常運轉(zhuǎn)就需及時散熱，因此在車床的下部設(shè)計了散熱區(qū)域。如圖9所示，單個散熱孔為腰形孔形式，水平方向共五排，每排以六孔和五孔的數(shù)目呈z字形交叉分布；簡潔又不失設(shè)計感，在工藝上用簡單的沖孔就可以實現(xiàn)。

圖9 散熱孔

數(shù)控車床工作時會有大量廢屑和冷卻液飛濺，同時產(chǎn)生噪聲和熱量。因此設(shè)計采用全封閉的防護罩，能使粉塵、油污、廢屑、冷卻液、噪聲等都封閉于防護罩之中，不給用戶帶來任何傷害，提高了產(chǎn)品的安全性和宜人性。此外，車床內(nèi)部有較多復(fù)雜的構(gòu)件，防護罩將之全部遮蓋起來，避免對用戶產(chǎn)生不良的心理影響，同時也加強了車床的簡潔性和美觀性。如圖10所示，可移動式防護門處于車床水平方向的中心，車削加工時先在這里安裝刀具和零件,同時也在這里觀察零件加工的情況。門的形態(tài)與整機外形保持一致，并采用了不同的色彩區(qū)分。這樣的配色設(shè)計是為了突出防護門相對于車床整機的運動感，以一種輕盈的滑塊形式來加強其形態(tài)語義，體現(xiàn)出移動門本身的功能特征。由于A和B兩處均有移動導(dǎo)軌，在形態(tài)語義上暗示出移動門的運動方向，能減少誤操作，這樣的細節(jié)設(shè)計使得車床整體形態(tài)錯落有致、豐富并具有美感。

圖10 移動防護門

針對原產(chǎn)品中把手的缺點重新設(shè)計了更合理的把手。如圖11所示，在移動防護門上的把手為豎直方向；考慮到不同用戶的身高差異，把手的有效握持高度維持在570mm至1265mm的范圍之內(nèi)，用戶不用費力就能準(zhǔn)確找到把手的位置，并握持在適合自己身高的某個部位后就能輕松拉動防護門，操作時無需做出額外的主觀判斷，提高了把手的通用性和舒適度。

圖11 把手

如圖12所示，在機床的背面下部，設(shè)計有專門收集加工廢屑的抽屜。在車床加工過程中廢屑和冷卻液將直接落入抽屜中，不會散落到地上影響周圍環(huán)境。同時，在抽屜的一側(cè)開有小門，可以讓用戶更方便地回收廢屑；整個收集和清倒過程十分便捷，既降低了勞動強度又提高了操作舒適度。

圖12 廢屑收集抽屜

2.3 色彩設(shè)計

本改進設(shè)計方案中，首先考慮的是材料本身色質(zhì)和加工工藝，對于型材沖壓、折邊、焊接等工藝制造的產(chǎn)品，其表面應(yīng)平整光潔，棱角清晰。選擇色調(diào)時，可采用明亮、淺淡、純凈的色調(diào)，使產(chǎn)品顯得干凈利落，舒展大方[5]。主體色采用淺灰色，底座采用黑色，顯得收斂而穩(wěn)重，使得數(shù)控車床的視覺穩(wěn)定性更強。既能表現(xiàn)出機器的現(xiàn)代感，又可提供給使用者舒適的使用感受，避免長時間使用時產(chǎn)生視覺疲勞。整機色彩對比鮮明，輕重結(jié)合，干凈利落。

總體來講，從物質(zhì)功能上分析，色彩使用中間色調(diào)，符合實際使用場合；從人機協(xié)調(diào)來看，使用冷色調(diào)，可使用戶在操作時保持冷靜，提高工作效率，減少差錯；從色彩的時代要求來看，這幾種顏色都是時代的流行色，符合現(xiàn)代人普遍的色彩審美觀念[6]。

2.4 人機交互設(shè)計

由于車床的整體外形是直線和小圓弧過渡，控制面板就采用了直線形的設(shè)計，希望給用戶帶來理性與嚴謹之感。數(shù)控車床整機高1500mm，假定用戶的身高為1650 mm，操作時立姿眼高約為1400mm至1550mm之間，控制面板顯示屏高度設(shè)計為1350mm，因為考慮到用戶操作時需要一邊觀察零件（方案按照原先產(chǎn)品改良設(shè)計，零件的安裝位置不能改變）一邊操作控制面板，在設(shè)計時將控制面板安裝高度適當(dāng)降低一些，以此來減少用戶彎腰的次數(shù)和幅度。

同時，考慮到能為用戶提供除手動操作外更多的選擇性，在手動控制系統(tǒng)中加入輔助控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的交互界面作出了設(shè)計嘗試，如圖13中所示?！败嚧彩怯畜w溫的”——這是傳達給用戶的設(shè)計理念。當(dāng)機床出現(xiàn)故障時，它的體溫會上升，并發(fā)出警報來警示用戶；一些通用的程序被編制成選擇式菜單供用戶操作，如將刀庫中的不同刀頭進行編號，配合形象圖示直觀說明不同刀頭加工零件時的情況，當(dāng)用戶點觸到相應(yīng)區(qū)域時，刀頭的技術(shù)參數(shù)會顯示在界面上供用戶決斷。在手動操作系統(tǒng)的按鍵失靈時，就可以開啟該輔助控制系統(tǒng)來繼續(xù)工作，避免了未能及時修理所產(chǎn)生的不便。人性化的交互界面設(shè)計，給用戶帶來即學(xué)即用的全新操作體驗。

圖13 交互界面設(shè)計

3 結(jié) 束 語

我國機床與國外相比在造型上還存在一定的差距，研究其工業(yè)設(shè)計方法，對于縮小這種差距，提高市場競爭力，具有重要的現(xiàn)實意義[7]。作者從形態(tài)、色彩、人機交互設(shè)計等方面對NCP-400L數(shù)控車床的工業(yè)設(shè)計方法做了深入探討；從美學(xué)上確定了產(chǎn)品的整體與局部形態(tài)比例關(guān)系，使得比例關(guān)系更加和諧統(tǒng)一，整體視覺效果更加簡潔大方，同時又安全、防護實用；從用戶的使用性和產(chǎn)品的可用性入手，針對現(xiàn)存問題，對車床的各個細節(jié)部件均做出了相應(yīng)的改進設(shè)計。最終的設(shè)計方案充分體現(xiàn)出時代感和設(shè)計感，令人耳目一新的產(chǎn)品整體形象以及各個細部的改進設(shè)計，得到了專家的高度評價和認可；產(chǎn)品人機交互設(shè)計方面作出的大膽嘗試，給用戶帶來了更加多樣化的操作選擇和體驗，獲得了一線操作工人的良好反饋；通過對NCP-400L數(shù)控車床的改進設(shè)計，最終使得該產(chǎn)品的市場競爭力有了明顯的提升。從本案可以看出，對于現(xiàn)有產(chǎn)品在不改變其整體結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上仍有可能進行工業(yè)設(shè)計改進以改善其美學(xué)品質(zhì)和人機交互關(guān)系，這對于目前我國不少企業(yè)的成熟產(chǎn)品而言是更為現(xiàn)實的解決辦法。

[1] 王繼成. 大型機電產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計改造[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報, 2003, 24(2): 137-142.

[2] 錢 琳. 淺談機床外觀設(shè)計[J]. 民營科技, 2013, (3): 52.

[3] 朱 彥. 形態(tài)構(gòu)成元素在數(shù)控機床工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2013, (4): 48-52.

[4] 姜曉微. 數(shù)控機床的造型設(shè)計研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2006: 34.

[5] 朱 彥. 電氣控制臺的工業(yè)設(shè)計要素分析及改進設(shè)計[J]. 機械制造, 2008, 46(8): 1-3.

[6] 夏廣軍. VTC-16A加工中心工業(yè)設(shè)計分析[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2005, 18(4): 110-111.

[7] 王 敏, 于愛兵, 張 義. 機床造型設(shè)計方法[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2005, (9): 100-102.

Research on the Industrial Design Reform for NCP-400L CNC Lathe

Zhu Yan, Cao Meng
(Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)

A lot of electromechanical products in China have been close to the world advanced level in technology, but insufficient attention is given to industrial design, which directly affects the competitiveness of our products on the market at home and abroad. Through design and practice of the NCP-400L CNC lathe industrial design improvement, the article discusses the method of industrial design in the premise of maintaining the basic structure of the product and the original processing equipment unchanged. By adjusting the proportion of form, color and human-computer interaction design means, the harmonization between visual image and the inherent quality of the products is realized.

CNC lathe; industrial design; form; color; human-computer interaction

TB 47

A

2095-302X (2014)02-0250-06

2013-06-26；定稿日期：2013-09-06

2013年上海市教委重點課程建設(shè)項目（A1-1701-14-001）；上海電機學(xué)院重點課程建設(shè)項目（2012KCJS-03）

朱 彥（1979-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，副教授，碩士。主要研究方向為機器人工業(yè)設(shè)計、機電產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計與人機工程學(xué)。E-mail：aceofbaseii@126.com