基于TRIZ理論發(fā)明創(chuàng)造原理的加工中心人性化設計

牛玉國 張進生

（山東大學，山東濟南 250061）

加工中心是現代制造業(yè)的關鍵設備，一個國家加工中心的產量和技術在某種程度上就代表這個國家制造業(yè)的水平和競爭力。我國雖然是加工中心制造大國，但進口加工中心在國內市場占有很大的份額，這對我國的機床制造業(yè)造成很大的沖擊，究其原因是我國機床的性能、質量、可靠性和外觀造型遠不能滿足用戶需求［1］。當前設計對于人性化的要求越來越高，如何系統(tǒng)地解決加工中心的維修方便性、造型色彩宜人性和操作舒適性問題，成為加工中心人性化設計中的難題。TRIZ在中國的發(fā)展，為設計的這一系列難題的解決開辟了新的道路。

TRIZ是前蘇聯發(fā)明家阿奇舒勒對250萬份高水平的發(fā)明專利分析之后，綜合多學科領域的原理和法則，總結出各種技術發(fā)展進化遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術矛盾和物理矛盾的40條創(chuàng)新原理，建立起來的一個由解決技術問題，實現創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系。在新產品的開發(fā)中，運用TRIZ理論發(fā)明創(chuàng)造原理可解決矛盾和沖突，發(fā)現和消除沖突的突破性概念，快速突破性地解決工程中的基本問題［2］。

1 加工中心設計問題的提出

1．1 加工中心的易維修性分析

隨著國民經濟飛速發(fā)展，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，對加工中心的要求也越來越高。表現為功能越來越多、柔性越來越強、自動化程度和加工效率越來越高。作為現代制造業(yè)的母體，加工中心多功能、高自動化和高加工效率的實現，需要相應的結構作為支撐，必然使得加工中心的結構變得越來越復雜。結構的復雜使加工中心的維修變得更加困難。在加工中心的人性化設計過程中，我們既要求加工中心有更多的功能、更高的自動化程度，又要求加工中心方便維修。

1．2 加工中心的色彩宜人性分析

色彩在產品的人性化過程中擁有獨特的魅力，具有強烈的視覺沖擊力和表現力。機床產品是由人操作使用的，色彩設計首先應當適應人的各種活動和審美要求，提高工作效率，保障安全生產［3］。考慮到機床操作者作業(yè)時間的長期性，加工中心的色彩應以沉著、樸素、純度不高的色彩為主，給他們以安全、穩(wěn)定、舒適的感覺。但是單一的色調卻往往顯得沉悶而單調。而采用復雜的高純度、亮麗的光澤色彩，卻顯得比較刺激與凌亂，長期使用，會使操作者易浮躁從而降低生產效率。

1．3 加工中心操作舒適性分析

加工中心的操作面板是人機交互的主要界面，主要包括控制操作區(qū)和顯示區(qū)兩大部分。人在這個界面上進行細致的信息控制操作，它的位置、傾斜角度以及它在上面的顯示、控制器的大小、位置等，都應使人在觀察和操作時處于舒適、準確和高效的工作狀態(tài)。目前國內在該領域的研究主要集中在對加工中心的高度、位置與人的因素的分析上，即人的視野和手的活動范圍，針對數控面板的顯示分析與之相關的人的因素——身高和視野。在這種情況下設計的產品能滿足多數人的生理要求和操作要求。但是，由于人的身體尺寸差別較大，不同的人有不同的操作習慣，這樣的操作面板雖然能基本滿足不同人的要求，但是不能滿足單個操作人員最合適的操作要求。

2 TRIZ理論發(fā)明創(chuàng)造原理對問題的解決

2．1 對加工中心易維修性矛盾的解決

現利用沖突矩陣解決該問題。首先在39個標準工程參數中選擇并確定技術沖突的兩對特定參數。（1）改善的參數:系統(tǒng)的復雜性（N0．36）;自動化程度（N0．38）。（2）帶來負面影響的參數:可維修性（N0．34）。

由沖突矩陣推薦的發(fā)明原理為:（1）N0．1分割，N0．13 反向。（2）N0．1 分割，N0．15 動態(tài)性，N0．13 反向。經過分析，根據發(fā)明原理N0．1分割（1）提出如下解決方法:

按照加工中心的功能和結構，將加工中心分割為:機械模塊、冷卻潤滑模塊、輔助模塊、控制模塊。機械模塊又分為運動模塊、動力模塊、支撐模塊、擴展模塊。在此基礎上個機械模塊的子模塊也可以進行劃分［4］。各個模塊通過接口設計、模塊集成構成整機。經過分割之后的加工中心在局部出現故障時，能快速地發(fā)現、解除故障。既保證了加工中心功能的實現和較高的自動化程度，又能快速地加以維修。

2．2 對加工中心色彩宜人性矛盾的解決

同理，在沖突矩陣39個標準工程參數中，我們選擇并確定兩對技術沖突的特定參數:（1）改善的參數:系統(tǒng)的復雜性（N0．36）;（2）帶來負面影響的參數，物體產生的有害因素（N0．31）。

由沖突矩陣推薦的發(fā)明原理為:N0．19周期性，N0．1分割。經過分析，根據發(fā)明原理N0．1分割（1）提出如下解決方法:

將加工中心的外覆蓋件劃分為主體部分和運動部分。主體部分是底座和床身，其外覆蓋件是若干大塊鈑金組合而成，構成加工中心表面積最大的部分［5］，因而它們是色彩設計中的主體色。為了給人一種穩(wěn)定、安全和諧的感覺，主體色通常采用下深上淺的格調和較為明快的色調。這樣，既可以彌補環(huán)境陰暗的狀況，又可以使操作者保持愉快舒暢的心情，提高勞動生產率。

加工中心的活動部分如工作臺、推拉門、觀測窗、移動頭、滑槽等，與主體是通過移動結合面組合在一起的，這些部分的外覆蓋件屬于色彩設計中的輔色［5］。可以采用明度較高，與主體色對比明顯的彩色系，見圖1，這樣使加工中心整體色彩單純而不單調，產生豐富多變的動感。

2．3 對加工中心操作舒適性矛盾的解決

同理，在沖突矩陣39個標準工程參數中，我們選擇并確定兩對技術沖突的特定參數:（1）改善的參數，通用性（N0．35）;（2）帶來負面影響的參數，操作性（N0．33）。

由沖突矩陣推薦的發(fā)明原理為:N0．15動態(tài)性，N0．1分割，N0．34拋棄或再生，N0．16未達到或過度作用的原理。經過分析，根據發(fā)明原理N0．15動態(tài)性提出如下解決方法:

將操作面板設計為可折疊的，上蓋主要為顯示區(qū)域和部分操作區(qū)域，上蓋設計的尺寸較大，如同筆記本電腦的顯示屏，可隨意調節(jié)顯示屏的角度［5］。下蓋則主要是操作區(qū)，布置加工中心的操作元件。操作人員在工作時，可以根據自己的操作習慣調節(jié)上下蓋之間的夾角，使自己處于最優(yōu)的操作位置，以提高操作效率。當操作完成時，可以將上蓋閉合，能有效避免誤操作。

同時，操作面板不是固定在加工中心上，而是通過連桿與加工中心連接。為使不同身高的人都能舒適地使用，操作面板可以在連桿上上下移動。為使人們在進行不同的位置操作時都能方便地使用，操作面板可以繞連桿旋轉，如圖2。這樣操作面板不僅可以滿足不同身高使用者的操作要求，而且使操作者在不同操作階段更為舒適。

3 結語

近年來，TRIZ理論不斷完善，逐漸成為現代產品創(chuàng)新設計的重要工具。TRIZ理論在加工中心設計中的應用，有針對性地解決了加工中心人性化設計中的問題。提出了加工中心通過模塊劃分，使產品便于維修的設計方法;提出了加工中心的主體件和移動件分別配色的原則，使加工中心色彩穩(wěn)定和諧又富有動感;在控制面板的設計上，通過增加其柔性，使其適合于更多人的使用，并且使控制面板更加人性化，體現了和諧社會以人為本的設計目的。

［1］劉陽，蔡光起，姚鵬．數控機床防護罩外觀造型的虛擬設計［J］．工程圖學學報，2006（3）:130 －132．

［2］王向陽，曹學艦，李燕．基于TRIZ理論的傳統(tǒng)剪刀創(chuàng)新設計［J］．包裝工程，2007，28（11）:14 －15．

［3］王敏，于愛兵，趙宇，等．數控機床造型的再設計［J］．制造技術與機床，2005（6）:30－32．

［4］袁杰，張進生，王志．基于模塊化技術的新型石材加工中心創(chuàng)新設計［J］．石材，2007（4）:35 －49．

［5］惠娜．數控機床的人機工程學研究［D］，西安:陜西科技大學，2008．