郭 淼 張 劍

（沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽110870）

0 引言

高度智能化/自動化制造、個性化/數(shù)字化產品的“工業(yè)4.0”［1］時代是當代中國制造業(yè)的發(fā)展方向，是中國裝備制造業(yè)產品競爭力的關鍵奮斗方向。而現(xiàn)在國內機床產品工業(yè)設計主要依靠傳統(tǒng)的相似設計以及采用類比法研究，市場競爭力普遍不足。本文的產品創(chuàng)新導向設計理念能夠促進企業(yè)創(chuàng)新，輔助設計師實現(xiàn)其高端、前沿的設計思路，實現(xiàn)裝備制造業(yè)企業(yè)的產品品質、材料利用效率、產品功能和形態(tài)設計所帶來的高利潤附加值。

本文從目前影響產品創(chuàng)新的諸多因素出發(fā)，結合設計方法學，提出產品創(chuàng)新導向設計相關基本原則，并通過植牙機床創(chuàng)新升級的實際案例簡要闡述產品創(chuàng)新導向設計的簡單應用。

1 產品創(chuàng)新導向設計原則

1.1 影響產品創(chuàng)新設計的主要因素

產品創(chuàng)新設計是一個認知學習的過程，在常規(guī)之外尋求問題的解決方法。在創(chuàng)新的過程中有很多阻礙，創(chuàng)意是設計師通過不斷的思索并克服了種種思維和心理障礙之后，結合設計資源孕育而生的。分析影響產品創(chuàng)新的因素，主要包括三個方面：現(xiàn)有同類產品的影響、思維慣性和復雜的設計資源。

1.2 產品創(chuàng)新導向設計原則

1.2.1 實用創(chuàng)新

產品創(chuàng)新導向設計對創(chuàng)作靈感進行導向，去除傳統(tǒng)設計方法的約束，使設計師靈光迸發(fā)得到設計精美又易于實現(xiàn)的工業(yè)產品。以新材料在設計中的應用為例，產品創(chuàng)新導向設計在熱塑性、防水性、抗壓性、抗變形性和抗疲勞性等方面建立起全面的材料性能評價體系。如以單位材料在單位時間內接受單位能量或一定能量所產生的物理化學變化程度將其分為10個等級，并對每個等級加注相關實例，使設計師對每個等級所能達到的實際效果一目了然。當設計師進行產品設計時，根據(jù)設計用途篩選材料重要性能并進行性能等級需求選擇，將滿足設計用途的材料從海量材料庫中調出，使材料性能導向落在實處。

新材料實用性創(chuàng)新可以通過以下兩個方面進行：

（1）綠色環(huán)保。在2015年11月18日召開的APEC 工商領導人峰會上，奧巴馬與馬云的談話多次提到綠色設計解決目前環(huán)境氣候問題。而綠色設計是一個復雜體系和系統(tǒng)，不僅要考慮產品的社會需求，還需要考慮環(huán)境和環(huán)保方面的要求。這必然導致設計成本的提高和較長的產品研發(fā)周期［2］。

（2）輕量化。通過輕量化技術在機床設計中的應用，不僅能夠大大提高對數(shù)控機床綠色制造的認識，而且可以快速提升高速、精密數(shù)控機床開發(fā)設計、加工制造、再制造及回收利用等產品生命周期中的高能效關鍵技術。

1.2.2 功能創(chuàng)新

功能創(chuàng)新導向本著集成化、智能化、信息化的原則，為產品設計師提供協(xié)助。設計師在設計產品的過程中可將產品多種功能做集成化處理，使產品在更小的空間內實現(xiàn)更多的功能［3］。而這將需要產品自身具備自主操作能力，即利用傳感器實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并將傳感器輸入的信號通過嵌入式系統(tǒng)處理反饋到執(zhí)行機構進行補償操作來維持系統(tǒng)狀態(tài)或進行位移操作來更改系統(tǒng)狀態(tài)，也可稱為產品自身的智能化操作。操作過程系統(tǒng)狀態(tài)信息以及產品屬性信息可通過實時反饋裝置反饋給處理器并進行記錄，實現(xiàn)遠程操作產品，對其進行狀態(tài)變更或恢復。

1.2.3 形態(tài)創(chuàng)新

產品形態(tài)創(chuàng)新是產品創(chuàng)新最直接的體現(xiàn)方式，良好的外觀造型不僅可以傳達產品本身的價值，還可以映射企業(yè)文化和經營理念。而形態(tài)創(chuàng)新需要評價指標體系來將其創(chuàng)新程度標準化。評價指標體系是根據(jù)產品的美學特性、技術特性、經濟特性、人機特性、環(huán)境特性等主要方面對產品創(chuàng)新形態(tài)進行綜合描述，要求設計師、決策評價者全面考慮形態(tài)設計的各項因素，客觀公平考量各個因素對產品形態(tài)的貢獻和影響，避免個人審美習慣、喜好差別引起評價失誤。

2 應用實例

本文以牙種植體多功能數(shù)控車床為例，根據(jù)產品創(chuàng)新導向設計原理進行設計改良，以驗證產品創(chuàng)新導向設計在產品創(chuàng)新設計實例應用中的實用性。

2.1 CKD16Ⅰ（牙種植體）多功能數(shù)控車床不足

牙種植體零件部分相當于真牙的牙根，對于整個牙齒的固定起到了至關重要的作用。牙種植體尺寸只有6mm 左右，這要求機床采用高精密數(shù)控制造工藝，以完成牙種植體的加工。目前CKD16Ⅰ（牙種植體）多功能數(shù)控車床存在以下不足：

（1）數(shù)控機床床體總體高度為1 740mm，相對身體較低。觀測窗高度低于人體實現(xiàn)高度，且觀測窗傾斜角度不夠，在觀測時人需彎腰。

（2）本機床加工類型為精密加工，但拉門的密封效果較差。

（3）由于內部加工結構限制，操控臺只能放置在左側。滑動拉門過重且向左拉動，不符合大部分右手使用者使用習慣。

（4）由于拉門向左滑動，控制面板線路長度有限，操控臺過高。

（5）一旦發(fā)生危險，操控面板過遠，不能第一時間停止加工。

2.2 設計改良

2.2.1 實用創(chuàng)新

外防護罩是安全防護裝置，必須達到耐水性、耐腐蝕性及密封性等相應的安全要求。如圖1所示，本文設計的自動掀開門具有內封條裝置以增強機床加工密閉性，同時能夠在需要時自動開啟，內部加工時關閉上鎖，達到了減輕工作負擔、減少安全隱患的目的。

圖1 實用創(chuàng)新示意圖

2.2.2 功能創(chuàng)新

客戶將所需要的植牙釘?shù)某叽缂靶螒B(tài)通過個人終端上傳到云端。云端再將數(shù)據(jù)傳遞到植牙機床，植牙機床確定產品制造完成時間及預估產品配送時間并將該信息反饋給客戶。制造過程中所有涉及的信息都將實時返回到云端系統(tǒng)來保證制作過程的可追溯性。

智能化植牙機床由控制芯片、3D 打印區(qū)域［4］、產品包裝及輸出區(qū)域組成?？刂菩酒撠熃邮赵贫诵畔⒉⑾逻_相應指令。當尺寸形態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給機床接收器后，對尺寸形狀進行處理，建立3D 模型直接制造出產品。因過程中材料粉末會蔓延在機床中，因此在產品成型后，機床會自動開啟空氣泵過濾機床中的空氣，而濾出的金屬粉末可循環(huán)利用。產品制造完畢后由包裝區(qū)域進行塑封包裝并將產品相關信息貼在包裝上，等待快遞員配送。

如圖2所示，以上過程實現(xiàn)了產品生產的一站式服務，智能植牙機床只需要工作人員及時添加包裝及原料供給便能實現(xiàn)全自動接單生產配送。3D 打印機更能滿足不同客戶的個性化需求?？紤]到個別客戶的個別需求，本文根據(jù)3D 打印原理，提出分層建模理論，將植牙釘模型分為30、50或更多層進行建模。層數(shù)越多，模型的精確度就越高。通用型植牙釘可快速從云端庫里選擇相應的模型，客戶只需輸入關鍵部位的尺寸即可。

圖2 功能創(chuàng)新示意圖

2.2.3 形態(tài)創(chuàng)新

改良后的機床形態(tài)如圖1、圖2所示，采用模塊化設計，更由于將機床傳統(tǒng)的刀頭夾具結構換成3D 打印噴涂設備，使機床在體積上有所縮減，外觀表現(xiàn)更加緊湊。數(shù)據(jù)接收芯片集成在機床操作面板上，方便實時操作。外觀配色沿用了機床廠的傳統(tǒng)配色，醒目且方便操作。

機床外殼可以緊湊但靈活地容納機床的一切組件。工作人員不會受到其他機器造成的傷害。機床傾斜的角度增大，方便了檢修人員實時觀察機床工作過程。

3 結語

本文結合創(chuàng)新導向設計原則，對傳統(tǒng)植牙機床進行創(chuàng)新改良。改良后的機床更加符合智能化、數(shù)字化、個性化等原則。機床改良只是創(chuàng)新導向設計理念應用領域的一部分，在裝備制造業(yè)種類繁多的產品應用還亟待開發(fā)。創(chuàng)新導向設計理念也會隨著裝備制造業(yè)從業(yè)人員經驗水平的豐富，逐漸羽翼豐滿。相信在未來的裝備制造業(yè)發(fā)展過程中，創(chuàng)新導向設計能夠成為中國智能制造的重要驅動力量。

［1］Jazdi N.Cyber physical systems in the context of Industry 4.0［C］//2014 IEEE International Conference on Automation，Quality and Testing，Robotics，2014：1－4.

［2］董志鵬.環(huán)保材料對于工業(yè)設計的應用［J］.佳木斯教育學院學報，2013（5）：28.

［3］董一巍，李曉琳.未來機床發(fā)展走向及熱點技術淺談［J］.航空制造技術，2015（5）：32－37.

［4］Mai J G，Zhang L，Tao F，et al.Customized production based on distributed 3Dprinting services in cloud manufacturing［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015：1－13.