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数控机床产品外观技术进化研究
摘 要：随着全球科技的进步，数控技术的发展日新月异，数控机床已成为现代制造业的主要加工设备。然而，其却无法体现出其作为一种现代化智能加工工具所应有的产品定位，数控机床的外观造型设计缺乏针对性强的指导理论。针对于此，本文将研究内容指向了目前应用广泛的TRIZ理论。提出了数控机床外观的多条进化路线，并建立了外观设计流程图。旨在为数控机床的外观设计提供有利的支持。
关键词：TRIZ; 进化路线; 外观设计; 数控机床
中图分类号：TB472，TG502
1. 引 言
TRIZ理论为人们提供了一系列强有力的解决发明问题的工具和方法，包括物质-场分析冲突解决原理、76个标准解等，其中技术进化理论的发展较为成熟。该理论的应用使设计者能够产生产品创新设计的原始构思[1]。
和其他产品一样，数控机床产品外观的发展变化不是随机的，是有规律可循的。应用TRIZ技术进化理论对其进行分析研究，不难发现其进化规律。不过TRIZ理论最早一直在苏联军工企业内应用，相应的研究人员也主要来自于机械工程领域，导致了目前的TRIZ理论更适用于机械工程设计，而在工业设计领域中的应用较少。然而，TRIZ理论是一个普适的创新理论，它可以被广泛应用于电气、管理、数学、物理、艺术设计等各个领域[2]。本文从工业设计角度出发，分析研究TRIZ进化理论在数控机床产品外观设计中的指导作用，旨在为工业设计中进化理论的应用提供参考依据。
2. 数控机床产品外观进化路线
产品外观的技术进化受文化因素和技术因素两方面的影响[3]，基于文化因素的进化路线主要有：人机化、语义化、美学化、绿色化、同族化、单元化；基于技术因素的进化路线主要有：小型化、曲面化、柔性化。在这九种进化路线的相互影响下，产品外观沿着三个方向发展：（1）外形体积越来越小；（2）外观的曲面化程度增加；（3）产品活动的自由度和维数增加。对于特定的机床产品而言，这九种进化路线可分为整体外观风格的技术进化及局部设计元素的技术进化两个方面来进行研究，该划分模式更具有针对性。其主要内容包括：
① 外观风格进化
② 造型结构进化
③ 色彩、色调进化
④ 宜人性进化
产品设计之初首先要确定产品整体的外观风格，这属于产品的设计定位过程，接下来进行产品的细节设计，包括产品的造型结构、色彩色调、宜人性等，最后再对设计结果进行评价。一个完整的设计流程都需要经历设计定位、设计要素分析、设计评价这样几个阶段。本文针对外观风格、造型结构、色彩色调、宜人性这四个方面逐一进行分析研究，力求找出对
于数控机床产品外观设计具有实际意义的进化路线，并建立数控机床产品外观设计过程模型，从而为数控机床产品的外观设计提供依据。
2.1 外观风格进化研究
产品风格是产品生产者赋予产品的神韵和性格，它是社会文化及科学技术发展到一定水平后，产品所表现出来的一种内在品质和特点。通过调查国内外大量的数控机床产品，分析汇总其风格变化特点，并对以往研究所得的TRIZ进化路线进行筛选，得出数控机床产品外观风格方面的两条进化路线：协调化、同族化。
（1）进化路线三：协调化
产品外观要素有很多，若这些要素给人的视觉感受差别较大，即造成对比；若成像较接近，则对比刺激变小，秩序协调统一，能够达到互相协调的状态。如颜色中的红与绿便是一对强对比色，而这两种色彩之间的橙黄或蓝紫色便是其调和色。协调的搭配在视觉上可产生美感。在外观造型中，线的曲直、粗细变化及形态的大小变化都会影响整体的协调性。
协调化路线：不协调→要素内部协调→各要素之间相互协调→完全协调
路线实例：数控机床产品的设计包括色彩、造型、材质等方面内容，在协调化路线的指导下，数控机床产品外观发展正趋向于各个要素内部及要素之间的相互调和。
（2）进化路线五：同族化
同族化一般是指产品根据其生产和使用过程的技术要求，经过技术经济分析合理地加以归纳和简化，提取产品的主要参数、性能指标和外观特征，并按照一定的规律进行分类，合理地安排产品的品种、规格以形成系列化[4]。同族化设计思想源于产品族，产品族的基础模块是产品平台，同一产品族内的产品均通过在产品平台中添加各种不同的个性化模块，来满足不同客户个性化需求。在产品设计中，一些具有大量相同或相似特征产品都可以统称为产品族。产品族中的成员在变化，但是却共享着许多共性的特征，使得同一企业的产品具有共同的识别因素[5]。
同族化路线：孤立设计→模仿设计→系列化设计
路线实例：同族化设计能够很好地宣传企业文化，推广具有企业特色的产品。目前很多机床制造企业都很重视产品的同族化设计，如日本的马扎克、美国哈斯HASS公司等。图1是日本马扎克公司制造的三款机床，可见其外观造型、颜色、操作面板、铭牌等都具有统一的风格特色，产品的企业形象识别性很强。

图1 马扎克（mazak）公司不同型号产品的系列化设计
Fig.2 Series Design of mazak’s different products
2.2造型结构进化研究
造型结构是数控机床外观重要的设计要素，它是产品的“骨骼”，产品外观质量的好坏很大程度上取决于造型结构的优劣。在对产品的比例尺度、线形和形体、材料工艺作了详细分析的基础上，发现数控机床产品的造型结构主要朝着如下两个方向进化：精简化、模块化。
（1）进化路线七：精简化
系统结构的发展是从一个简单的结构到复杂的结构，再通过裁减一些相对不关键的元件和合并功能相似的元件来减少系统的复杂度，形成一个精简的结构。在这种结构里，原来的一些功能仍然具有。精简化进化包括裁剪和空间上相似物体的合并两方面内容。对于工业产品而言，每个产品都是一个独立体要给人以整体感，避免凌乱繁芜，这客观上要求工业设计师在设计中必须考虑将相似的功能单元进行合并。合理的裁剪及合并一方面能够带来产品和谐统一的形式美，另一方面也更易于使用者操作，它是产品工业设计优劣的重要衡量指标。
精简化路线：
完整的外观体系→剔除多余部件→部分裁减后的外观→全部裁剪后的外观
零散部件→功能交叉→合并相似功能元
路线实例：由于科学技术的发展，新材料、新结构、新工艺的出现，数控机床的系统更加集成，数控机床在外观上裁减掉了多余部件，并逐渐合并相似功能的部件。如传统普通机床中的进给装置在数控机床中被取消，数控操作面板、电柜等也逐渐合并到机床主体造型中来。在满足机床功能的前堤下，机床的外观造型变得更加简洁、统一、整体感逐渐增强。
（2）进化路线十二：模块化
从系统的观点出发，研究系统的构成形式，用分解和组合的方法建立模块体系，并运用模块组合成系统的过程，即为模块化[6]。产品外观也属于一种模块，如果将产品的核心部分视为基础模块，通过改变外观模块就可以迅速而经济地实现产品多样化，满足不同使用者的个性化需求。产品的外观模块有时并不直接承担产品的核心功能，而是通过与核心部分的结合来发挥作用，并通过产品的造型、色彩等要素传达产品的美学、文化等精神功能。
模块化路线：设计要素独立配比组合→局部集成→模块化
路线实例：近年来国内机床设计开始采用模块化设计思想[7]，把机床外观按照各部分功能的不同划分为几个模块进行设计，同时考虑它们的联接及功能协调，这样既能满足机床结构上的要求，又从一开始就考虑到了机床的使用和形体美感，使外型与结构达到和谐统一。
2.3色彩、色调进化研究
数控机床的色彩、色调设计应慎重考虑。这类大型机械一般安置地点比较固定，工作气氛相对平静，故其色彩设计既不能过于刺激、兴奋，也不能让人感觉压抑、沉闷，要保证操作者工作时感觉心情愉悦、轻松。通过综合分析，本文所提取并总结出数控机床外观在色彩、色调方面的进化路线主要有：明快化和色彩功能多样化。
（1）进化路线十三：明快化
明快化是针对数控机床外观的整体色调而言的，产品色调要简洁、明快，给人一种轻松、自然的感觉。无彩色系中黑、白、灰的使用可以很好地实现产品色调的明快化，而且研究表明：无彩色系中的黑、白、灰（银色）搭配有彩色系中的任意一色或两个同类色是成功率比较高的色彩组合方案[8]。
明快化路线：蓝绿色调→灰暗色调→明快色调
路线实例：数控机床的外观色调明快化进化如图2所示。由于时代原因，早期的机床外观青睐于蓝绿色调，给现代人的感觉比较浑浊、暗淡，现代产品则色调明快、清新自然，能够极大缓解人们由于工作、生活等造成的精神压力，且清新的色调符合现代人的审美观念。
（2）进化路线十五：色彩功能多样化
随着机床行业内工业设计的发展，数控机床外观色彩已不仅仅单纯去达到产品的美化、装饰作用，色彩更深层次的功能逐渐被设计师所发掘并应用，这些功能主要包括：色彩的冷、暖感；色彩的轻、重感；色彩的软、硬感；色彩的前、后感；色彩的大、小感；色彩的华丽、质朴感；色彩的活泼、庄重感；色彩的兴奋与沉静感等。
数控机床色彩功能多样化路线：色彩无功能→单一功能→两种功能→多种功能
路线实例：数控机床的两个典型特征就是体积大、科技含量高，因此在颜色处理上必须体现出其稳定、精密的特点。现代数控机床一般采用上明下暗、上轻下重的配置，及能够表现冷静、理智、细腻的黑、白、灰。如图3所示。

图2 数控机床色调进化
Fig.5 Color Tone evolution of CNC machine tools

图3 德国数控机床
Fig.6 German CNC machine tools

2.4宜人性进化研究
随着物质文化的发展，市场对产品的需求从单纯的功能需求向多元化需求方向转变。产品在满足了其实用功能之后，产品的宜人性、舒适性等体现其附加值的特性便成为了消费者新的关注点。在对数控机床产品结构特点、使用人群、使用环境深入分析的基础上，本文提出数控机床产品宜人性方面的两条进化路线：增加透明度、人机化。
（1）进化路线十六：增加透明度
增加透明度可以提高数控机床的易检查性和节约能源。调查发现，市场上数控机床产品外观的观察窗有面积逐渐增大、数量逐渐增多两个趋势，机床可视范围越来越大。
增加透明度路线：实体→部分透明→完全透明
路线实例：数控机床产品的透明度增加主要体现在观察窗的进化上，早期的数控机床产品只有单面观察窗，观察范围较小，后来慢慢出现了在床身侧面增加的观察窗，观察范围大大改善。随着科技的进步，新材料、新工艺的出现，数控机床的外观可视范围必将有更为显著的改变。
（2）进化路线二十一：人机化
产品外观的造型及尺寸要以使用者身体结构特征和操作习惯为基础，同时还要考虑到人在使用产品过程中人的感知特性、人的反应特性以及人在劳动中的心理特征等。它主要涉及到使用者的生理结构和心理特征两方面因素。
人机化路线：满足功能的设计→满足人的设计→人-机器-环境互相协调的设计
路线实例：数控机床的外观设计离不开人机化处理，例如供人观察的门窗、操作的工作台等，设计中要保证它们的尺寸、高度、位置等符合“平均人”的尺寸；此外，机床的防护罩设计中还应有散热装置，以降低加工过程中产生的热量，提高加工精度。
2.5数控机床产品外观综合进化趋势
进化路线的应用，使设计者能够产生创新设计的原始构思[1]，指明了产品的具体进化序列。技术进化理论是TRIZ理论的主要工具之一，发展较为成熟，应用该工具将能够大大减少搜寻理想解的路径，节省创新过程所需时间。
将上文所提出的各条进化路线及进化内容进行归纳总结，可预测出数控机床产品外观的未来的进化趋势，如表1所示。该表反映出各条进化路线的未来趋势均是理想化，数控机床的外观将朝着理想解的方向不断发展。
表1 数控机床外观未进化来趋势

进化内容及路线
未来趋势
外观风格进化
协调化
产品色彩、造型等相互协调，风格统一，且与环境、附属设备风格和谐统一。
同族化
数控机床外观形象风格统一、富于连续性，能够体现企业的形象特征。
造型结构进化
精简化
剔除多余系统，合并相似系统，使结构精简、整体感增强。
模块化
产品外观按照结构功能划分出不同的模块，并进一步完善、细化，提高模块化程度。
色彩、色调进化
明快化
高明度色彩应用增多，整体色调趋于简洁、明快。
色彩功能多样化
色彩综合表现产品美感、轻重、大小、沉静等感觉，体现数控机床稳定、精密的产品特性。
宜人性进化
增加透明度
在不影响机床安全、稳固的前提下，逐渐增加机床外
观的透明化程度。
人机化
产品的人—机—环境关系处理增多，人性化程度提高。

3. 基于技术进化的数控机床产品外观设计过程模型 数控机床的外观设计具有产品创新设计过程的通用性，也具有其自身的特殊性。作为一种通用的产品创新设计，数控机床的外观设计过程可以应用檀润华教授所提出的技术进化驱动的产品概念设计宏观过程模型[9]进行求解。但该过程模型较为复杂，更多用于解决复杂的工程设计冲突，相比而言，机床的外观设计如果也采用此模型进行指导，显得过于繁琐，也不具有产品外观设计的针对性。现有的其它产品外观设计理论通常是设计者根据自身掌握的领域知识，从最初的设计要求出发，通过产品定位、设计问题的解决、综合及细化等一系列操作，使设计对象逐步清晰、明确，从而得到设计对象的完整表达信息，形成最终的设计结果。这类设计过程理论研究中缺乏对产品可变性和不变性完整的描述，没有从历史的角度审视待设计产品，使设计不能被提高到产品模型抽象与演绎的高度。因此，设计过程的研究仍停留在泛泛地描述，没有形成系统的理论体系，与此有关的许多问题也无法展开深入的研究。本课题通过对TRIZ技术进化理论在外观设计中的应用过程研究，充分挖掘其简便、逻辑性强、实用高效等优点，并结合工业设计自身的特点，提出了基于技术进化的数控机床产品外观开发综合途径，即数控机床产品外观设计过程模型，如图4所示。
该模型主要针对特定的数控机床类产品的外观设计提出，简单实用，较大程度上规避了以往设计模型的种种缺点，可大大提高机床产品外观设计效率，缩短产品的开发周期。
4. 结论
本文结合数控机床产品的特点，选取外观风格、造型结构、色彩色调、宜人性等四个方面进行研究，总结出数控机床外观进化的八条进化路线，并均附有机床产品的实例用于对各路线进行解释分析；在此基础上，深入探讨了数控机床产品外观的未来发展趋势；最后，在技术进化理论的指导下，建立出数控机床产品的外观设计过程模型，用以系统地指导数控机床的外观设计。
参考文献
[1] 檀润华.发明问题解决理论.北京：科学出版社，2004.8．
[2] 孙建广，檀润华，魏文超. 电气设计中的发明原理分类研究[C]. 工程设计学报，2007．
[3] 王磊.基于进化理论的产品外观设计研究.河北工业大学，2008.12．
[4] 丁志浩.产品系列化设计——电动工具的系列化设计.南京：南京理工大学，2004. 6．
[5] 朱上上，罗仕鉴.工业设计中产品族设计DNA探讨. 装饰，2007年05期．
[6] 童时中.模块化原理、设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社,2000·19—81．
[7] 韩玥.模块化设计数控机床结构运动仿真系统的建模.组合机床与自动化加工技术,1999(3) ．
[8] 肖世华.工业设计教程.中国建筑工业出版社，2007.1．
[9] 檀润华，马建红等.技术进化驱动的产品概念设计宏观过程模型.中国机械工程，2003年11期．