NCP-400L數控車床的工業設計改進研究

朱 彥， 曹 幪

（上海電機學院，上海 200245）

NCP-400L數控車床的工業設計改進研究

朱 彥， 曹 幪

（上海電機學院，上海 200245）

我國很多機電產品在技術上已接近世界先進水平，但對于工業設計的重視不夠，直接影響了我國產品在國內外市場上的競爭力。通過NCP-400L數控車床工業設計改進的設計實踐，探討了如何在保持產品基本結構和原有工藝裝備不變的前提下進行工業設計改進的方法。運用形態比例調整、色彩表現和人機交互設計等手段，實現產品的視覺形象與內在質量的和諧統一。

數控車床；工業設計；形態；色彩；人機交互

在我國機電產品行業中，有很多成熟產品在技術上已逐步接近世界先進水平，但對于工業設計的重視程度還不夠，忽視了人們對機電產品越來越高的審美要求，直接影響了我國的機電產品在國內外市場上的競爭力。出于經濟和生產實際的考慮，企業又不可能將現有產品全部重新設計，尤其是在技術性能及生產工藝上已十分成熟的產品。在這種情況下，就必須在保持產品基本結構和原有工藝裝備不變的前提下對產品進行適當的工業設計改造[1]。現以國產NCP-400L數控車床為例，探討其工業設計改進的過程。

NCP-400L數控車床主要用于零件的車削加工，圖1中所示的產品是經過自行改造后的產品，其采用的是上海電氣集團具有自主知識產權的PA數控系統，具有遠程控制和通訊、實時監控的功能。數控車床加工零件是通過刀具和工件的相對運動實現的，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，還應具有可維修、易操控、便于收集及清理廢屑等功能。原產品外觀形象簡單粗陋，落后的工業設計與先進的機器性能之間極其不協調，是其缺乏市場競爭力的主要原因。因此亟需對該產品進行全方位的工業設計改進。

1 原產品工業設計要素分析

原產品整機由多個鈑金部件通過螺釘連接而成，分型線較多，導致各個部件之間棱角分明，缺乏過渡與呼應，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，在整體上缺乏穩定感。

同時，該數控車床的細節設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，這樣的設定就變得不甚合理。所以考慮到操作的通用性，控制面板應采用上下排布較為妥當。

圖1 NCP-400L數控車床原產品

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

圖2 數控車床的防護罩

如圖3所示，在數控車床的背面有兩個散熱處：圖3(a)為風扇的散熱，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，但形態的處理受零件和加工工藝影響卻沒有連貫性，因此在工業設計改進中應重點考慮散熱孔形態的呼應關系。

圖3 數控車床的散熱孔

如圖4所示，數控車床的背部完全沒有防護設計，加工過程中產生的廢屑直接暴露在外，既破壞周圍環境，又影響視覺美觀。所以，在設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。

圖4 數控車床的背部防護

如圖5所示，把手設計采用了圓柱形的“L”型管道形態，當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 數控車床的把手

綜上所述，NCP-400L數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，導致整體形態缺乏連貫性和設計感；控制面板設計在機器的上部，操作舒適性差，人機關系不合理；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，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，應該進行有針對性的工業設計改進，總體指導思想是在工業設計與結構設計相協調的原則下盡量豐富產品的色彩，處理好殼體的分型與體量關系的變化，以及提供更人性化的人機交互方式，來提升產品的整體品質。最終使用戶在感知、認識及操作數控車床的過程中都能夠體會到高科技產品的附加價值及其所帶來的精神愉悅感。

2 工業設計改進方案

數控車床是高速車削加工的大型機電產品，一般以簡潔干練的外形居多，應采用直線或者直線加小曲面相結合的整體形態，盡量避免過于復雜的曲面設計；在進行各功能構件的細部設計時，要舍棄片面強調功能主導的堆砌式設計，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]；色彩設計上應使造型更加完美，能提高用戶的操作效率，改善用戶的工作環境，營造更加舒暢和人性化的感覺；在人機交互設計上，應該更符合人機工程學原理，考慮用戶的生理和心理因素，提高產品的人機工程學品質。

2.1 整機形態設計

數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，因此在形態設計上有更多的空間。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品那樣的復雜曲面。如圖6所示，改進方案的整機形態為硬朗干凈的直線型；為使形體間銜接密切、轉變自然[3]，數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，符合數控車床作為機械產品的特征。

圖6 NCP-400L數控車床改進設計方案

合理的比例是造型的基礎，運用比例可以確定產品的局部與局部、局部與整體之間的相關尺寸。數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系。若形態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，在數控機床的形態設計中，各部分通常采用相等或相近的比例，容易得到協調、舒適的效果[4]。當然這必須建立在不影響產品的整體結構和加工工藝及其性能的前提下。

基于上述的比例設計原則，對于車床外形進行了合理的形態分割。如圖7所示的側視圖，產品截面形態采用了正梯形與倒梯形的組合，既活潑生動又輕巧穩定。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三部分的長度數值比接近于1。這樣的比例分割符合工業設計中形態美的設計原則。

圖7 NCP-400L數控車床側視圖

圖8 NCP-400L數控車床主視圖

2.2 細部形態設計

考慮到數控車床的控制區設置在整機右側，為了平衡將馬達機電裝置放置在整機左側，機電裝置在全封閉的罩殼內要正常運轉就需及時散熱，因此在車床的下部設計了散熱區域。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目呈z字形交叉分布；簡潔又不失設計感，在工藝上用簡單的沖孔就可以實現。

圖9 散熱孔

數控車床工作時會有大量廢屑和冷卻液飛濺，同時產生噪聲和熱量。因此設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，提高了產品的安全性和宜人性。此外，車床內部有較多復雜的構件，防護罩將之全部遮蓋起來，避免對用戶產生不良的心理影響，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。門的形態與整機外形保持一致，并采用了不同的色彩區分。這樣的配色設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語義，體現出移動門本身的功能特征。由于A和B兩處均有移動導軌，在形態語義上暗示出移動門的運動方向，能減少誤操作，這樣的細節設計使得車床整體形態錯落有致、豐富并具有美感。

圖10 移動防護門

針對原產品中把手的缺點重新設計了更合理的把手。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，用戶不用費力就能準確找到把手的位置，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境。同時，在抽屜的一側開有小門，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 色彩設計

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

總體來講，從物質功能上分析，色彩使用中間色調，符合實際使用場合；從人機協調來看，使用冷色調，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，符合現代人普遍的色彩審美觀念[6]。

2.4 人機交互設計

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計，希望給用戶帶來理性與嚴謹之感。數控車床整機高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（方案按照原先產品改良設計，零件的安裝位置不能改變）一邊操作控制面板，在設計時將控制面板安裝高度適當降低一些，以此來減少用戶彎腰的次數和幅度。

同時，考慮到能為用戶提供除手動操作外更多的選擇性，在手動控制系統中加入輔助控制系統，并對該系統的交互界面作出了設計嘗試，如圖13中所示。“車床是有體溫的”——這是傳達給用戶的設計理念。當機床出現故障時，它的體溫會上升，并發出警報來警示用戶；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，當用戶點觸到相應區域時，刀頭的技術參數會顯示在界面上供用戶決斷。在手動操作系統的按鍵失靈時，就可以開啟該輔助控制系統來繼續工作，避免了未能及時修理所產生的不便。人性化的交互界面設計，給用戶帶來即學即用的全新操作體驗。

圖13 交互界面設計

3 結 束 語

我國機床與國外相比在造型上還存在一定的差距，研究其工業設計方法，對于縮小這種差距，提高市場競爭力，具有重要的現實意義[7]。作者從形態、色彩、人機交互設計等方面對NCP-400L數控車床的工業設計方法做了深入探討；從美學上確定了產品的整體與局部形態比例關系，使得比例關系更加和諧統一，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品的可用性入手，針對現存問題，對車床的各個細節部件均做出了相應的改進設計。最終的設計方案充分體現出時代感和設計感，令人耳目一新的產品整體形象以及各個細部的改進設計，得到了專家的高度評價和認可；產品人機交互設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數控車床的改進設計，最終使得該產品的市場競爭力有了明顯的提升。從本案可以看出，對于現有產品在不改變其整體結構和功能的基礎上仍有可能進行工業設計改進以改善其美學品質和人機交互關系，這對于目前我國不少企業的成熟產品而言是更為現實的解決辦法。

[1] 王繼成. 大型機電產品的工業設計改造[J]. 工程圖學學報, 2003, 24(2): 137-142.

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

[3] 朱 彥. 形態構成元素在數控機床工業設計中的應用[J]. 現代制造工程, 2013, (4): 48-52.

[4] 姜曉微. 數控機床的造型設計研究[D]. 長春: 吉林大學, 2006: 34.

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

[6] 夏廣軍. VTC-16A加工中心工業設計分析[J]. 機電產品開發與創新, 2005, 18(4): 110-111.

[7] 王 敏, 于愛兵, 張 義. 機床造型設計方法[J]. 現代制造工程, 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項目（A1-1701-14-001）；上海電機學院重點課程建設項目（2012KCJS-03）

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