NCP-400L数控车床的工业设计改进研究

朱 彦， 曹 幪

（上海电机学院，上海 200245）

NCP-400L数控车床的工业设计改进研究

朱 彦， 曹 幪

（上海电机学院，上海 200245）

我国很多机电产品在技术上已接近世界先进水平，但对于工业设计的重视不够，直接影响了我国产品在国内外市场上的竞争力。通过NCP-400L数控车床工业设计改进的设计实践，探讨了如何在保持产品基本结构和原有工艺装备不变的前提下进行工业设计改进的方法。运用形态比例调整、色彩表现和人机交互设计等手段，实现产品的视觉形象与内在质量的和谐统一。

数控车床；工业设计；形态；色彩；人机交互

在我国机电产品行业中，有很多成熟产品在技术上已逐步接近世界先进水平，但对于工业设计的重视程度还不够，忽视了人们对机电产品越来越高的审美要求，直接影响了我国的机电产品在国内外市场上的竞争力。出于经济和生产实际的考虑，企业又不可能将现有产品全部重新设计，尤其是在技术性能及生产工艺上已十分成熟的产品。在这种情况下，就必须在保持产品基本结构和原有工艺装备不变的前提下对产品进行适当的工业设计改造[1]。现以国产NCP-400L数控车床为例，探讨其工业设计改进的过程。

NCP-400L数控车床主要用于零件的车削加工，图1中所示的产品是经过自行改造后的产品，其采用的是上海电气集团具有自主知识产权的PA数控系统，具有远程控制和通讯、实时监控的功能。数控车床加工零件是通过刀具和工件的相对运动实现的，主要操作步骤包括输入程序、安装零件、选择刀具、操作车床等；通过数控装置控制刀尖的运动轨迹，使其运动轨迹满足工件轮廓要求，就可以加工出合格的零件；除了具备最基本的车削功能以外，还应具有可维修、易操控、便于收集及清理废屑等功能。原产品外观形象简单粗陋，落后的工业设计与先进的机器性能之间极其不协调，是其缺乏市场竞争力的主要原因。因此亟需对该产品进行全方位的工业设计改进。

1 原产品工业设计要素分析

原产品整机由多个钣金部件通过螺钉连接而成，分型线较多，导致各个部件之间棱角分明，缺乏过渡与呼应，整体外形给人以严肃、呆板、笨重和冷漠之感；色彩的分割在整机高度的 1/3处，未选用深色作为视觉收敛之效，在整体上缺乏稳定感。

同时，该数控车床的细节设计上也存在诸多不妥之处。如图1中所示，控制面板是安插进机床罩壳上再用螺钉固定的；这种方法虽很普遍，但却不美观。整个控制区域分为两大部分，左为输入程序部分；右为操作部分。这是按照普通用户的一般行为顺序进行设计的，即从左至右先输入程序，再操作。若用户是左撇子，这样的设定就变得不甚合理。所以考虑到操作的通用性，控制面板应采用上下排布较为妥当。

图1 NCP-400L数控车床原产品

如图2所示，数控车床的防护罩几乎没有发挥实际功效，加工时的余料还是会从网格处飞溅出来。因此应设计有一定屏蔽功能的防护网，才能保证用户的安全。此外，这样的设计已基本被淘汰，全封闭式的床身罩壳设计是现在的主流趋势。

图2 数控车床的防护罩

如图3所示，在数控车床的背面有两个散热处：图3(a)为风扇的散热，图3(b)为下部马达的散热，一处是金属折弯成型，而另一处是热固性塑料，这两个散热处的功能一致，但形态的处理受零件和加工工艺影响却没有连贯性，因此在工业设计改进中应重点考虑散热孔形态的呼应关系。

图3 数控车床的散热孔

如图4所示，数控车床的背部完全没有防护设计，加工过程中产生的废屑直接暴露在外，既破坏周围环境，又影响视觉美观。所以，在设计中一定要做好密闭的防护措施；同时可考虑采用可拆卸的装置，帮助用户后期的清洁和保养。

图4 数控车床的背部防护

如图5所示，把手设计采用了圆柱形的“L”型管道形态，当用户正手握住水平把手进行水平方向上的推拉操作时，力的效率是很低的。假设用户单手水平推拉，就必须使用很大的力，而且这样的操作也非常不安全。最终导致只能如图中所示那样，用两只手分别握住垂直、水平方向的把手向右移动的尴尬局面。

图5 数控车床的把手

综上所述，NCP-400L数控车床的壳体分型线较多，各个部件之间大都由螺钉进行连接，导致整体形态缺乏连贯性和设计感；控制面板设计在机器的上部，操作舒适性差，人机关系不合理；机器背部采用半敞开式防护罩，不能将废屑、粉尘、飞溅的冷却液及噪声等都封闭在防护罩之内，不仅安全性差，而且还给用户带来不良的心理影响等等。针对种种不足之处，应该进行有针对性的工业设计改进，总体指导思想是在工业设计与结构设计相协调的原则下尽量丰富产品的色彩，处理好壳体的分型与体量关系的变化，以及提供更人性化的人机交互方式，来提升产品的整体品质。最终使用户在感知、认识及操作数控车床的过程中都能够体会到高科技产品的附加价值及其所带来的精神愉悦感。

2 工业设计改进方案

数控车床是高速车削加工的大型机电产品，一般以简洁干练的外形居多，应采用直线或者直线加小曲面相结合的整体形态，尽量避免过于复杂的曲面设计；在进行各功能构件的细部设计时，要舍弃片面强调功能主导的堆砌式设计，即各部件仅仅是按照功能要求被机械地连接在一起，整体造型非常松散、杂乱[2]；色彩设计上应使造型更加完美，能提高用户的操作效率，改善用户的工作环境，营造更加舒畅和人性化的感觉；在人机交互设计上，应该更符合人机工程学原理，考虑用户的生理和心理因素，提高产品的人机工程学品质。

2.1 整机形态设计

数控车床的防护罩大都是采用钣金弯折成型，其功能主要就是用于安全防护，对机器的功能不会有太大影响，因此在形态设计上有更多的空间。但又考虑到钣金的加工工艺和成本，整体仍然以直线型为主，没有像汽车或小家电产品那样的复杂曲面。如图6所示，改进方案的整机形态为硬朗干净的直线型；为使形体间衔接密切、转变自然[3]，数控车床的顶端棱角处理成柔和的小圆角过渡。这样的“直线型+小圆角过渡”整体外形，给人以工整、理性、严谨和精密的感觉，符合数控车床作为机械产品的特征。

图6 NCP-400L数控车床改进设计方案

合理的比例是造型的基础，运用比例可以确定产品的局部与局部、局部与整体之间的相关尺寸。数控车床的形体比例是指整体与局部、局部与细部之间的大小对比关系。若形态的外形轮廓多为矩形，长宽比可选择黄金比(1: 0.618)或均方根比例等。一般来说，在数控机床的形态设计中，各部分通常采用相等或相近的比例，容易得到协调、舒适的效果[4]。当然这必须建立在不影响产品的整体结构和加工工艺及其性能的前提下。

基于上述的比例设计原则，对于车床外形进行了合理的形态分割。如图7所示的侧视图，产品截面形态采用了正梯形与倒梯形的组合，既活泼生动又轻巧稳定。这两个梯形将总高度为1500mm的整机按照接近黄金分割比例的数值分成上下两部分；如图8所示的主视图，移门将车床横向比例做了三等分，即A、B、C三部分的长度数值比接近于1。这样的比例分割符合工业设计中形态美的设计原则。

图7 NCP-400L数控车床侧视图

图8 NCP-400L数控车床主视图

2.2 细部形态设计

考虑到数控车床的控制区设置在整机右侧，为了平衡将马达机电装置放置在整机左侧，机电装置在全封闭的罩壳内要正常运转就需及时散热，因此在车床的下部设计了散热区域。如图9所示，单个散热孔为腰形孔形式，水平方向共五排，每排以六孔和五孔的数目呈z字形交叉分布；简洁又不失设计感，在工艺上用简单的冲孔就可以实现。

图9 散热孔

数控车床工作时会有大量废屑和冷却液飞溅，同时产生噪声和热量。因此设计采用全封闭的防护罩，能使粉尘、油污、废屑、冷却液、噪声等都封闭于防护罩之中，不给用户带来任何伤害，提高了产品的安全性和宜人性。此外，车床内部有较多复杂的构件，防护罩将之全部遮盖起来，避免对用户产生不良的心理影响，同时也加强了车床的简洁性和美观性。如图10所示，可移动式防护门处于车床水平方向的中心，车削加工时先在这里安装刀具和零件,同时也在这里观察零件加工的情况。门的形态与整机外形保持一致，并采用了不同的色彩区分。这样的配色设计是为了突出防护门相对于车床整机的运动感，以一种轻盈的滑块形式来加强其形态语义，体现出移动门本身的功能特征。由于A和B两处均有移动导轨，在形态语义上暗示出移动门的运动方向，能减少误操作，这样的细节设计使得车床整体形态错落有致、丰富并具有美感。

图10 移动防护门

针对原产品中把手的缺点重新设计了更合理的把手。如图11所示，在移动防护门上的把手为竖直方向；考虑到不同用户的身高差异，把手的有效握持高度维持在570mm至1265mm的范围之内，用户不用费力就能准确找到把手的位置，并握持在适合自己身高的某个部位后就能轻松拉动防护门，操作时无需做出额外的主观判断，提高了把手的通用性和舒适度。

图11 把手

如图12所示，在机床的背面下部，设计有专门收集加工废屑的抽屉。在车床加工过程中废屑和冷却液将直接落入抽屉中，不会散落到地上影响周围环境。同时，在抽屉的一侧开有小门，可以让用户更方便地回收废屑；整个收集和清倒过程十分便捷，既降低了劳动强度又提高了操作舒适度。

图12 废屑收集抽屉

2.3 色彩设计

本改进设计方案中，首先考虑的是材料本身色质和加工工艺，对于型材冲压、折边、焊接等工艺制造的产品，其表面应平整光洁，棱角清晰。选择色调时，可采用明亮、浅淡、纯净的色调，使产品显得干净利落，舒展大方[5]。主体色采用浅灰色，底座采用黑色，显得收敛而稳重，使得数控车床的视觉稳定性更强。既能表现出机器的现代感，又可提供给使用者舒适的使用感受，避免长时间使用时产生视觉疲劳。整机色彩对比鲜明，轻重结合，干净利落。

总体来讲，从物质功能上分析，色彩使用中间色调，符合实际使用场合；从人机协调来看，使用冷色调，可使用户在操作时保持冷静，提高工作效率，减少差错；从色彩的时代要求来看，这几种颜色都是时代的流行色，符合现代人普遍的色彩审美观念[6]。

2.4 人机交互设计

由于车床的整体外形是直线和小圆弧过渡，控制面板就采用了直线形的设计，希望给用户带来理性与严谨之感。数控车床整机高1500mm，假定用户的身高为1650 mm，操作时立姿眼高约为1400mm至1550mm之间，控制面板显示屏高度设计为1350mm，因为考虑到用户操作时需要一边观察零件（方案按照原先产品改良设计，零件的安装位置不能改变）一边操作控制面板，在设计时将控制面板安装高度适当降低一些，以此来减少用户弯腰的次数和幅度。

同时，考虑到能为用户提供除手动操作外更多的选择性，在手动控制系统中加入辅助控制系统，并对该系统的交互界面作出了设计尝试，如图13中所示。“车床是有体温的”——这是传达给用户的设计理念。当机床出现故障时，它的体温会上升，并发出警报来警示用户；一些通用的程序被编制成选择式菜单供用户操作，如将刀库中的不同刀头进行编号，配合形象图示直观说明不同刀头加工零件时的情况，当用户点触到相应区域时，刀头的技术参数会显示在界面上供用户决断。在手动操作系统的按键失灵时，就可以开启该辅助控制系统来继续工作，避免了未能及时修理所产生的不便。人性化的交互界面设计，给用户带来即学即用的全新操作体验。

图13 交互界面设计

3 结 束 语

我国机床与国外相比在造型上还存在一定的差距，研究其工业设计方法，对于缩小这种差距，提高市场竞争力，具有重要的现实意义[7]。作者从形态、色彩、人机交互设计等方面对NCP-400L数控车床的工业设计方法做了深入探讨；从美学上确定了产品的整体与局部形态比例关系，使得比例关系更加和谐统一，整体视觉效果更加简洁大方，同时又安全、防护实用；从用户的使用性和产品的可用性入手，针对现存问题，对车床的各个细节部件均做出了相应的改进设计。最终的设计方案充分体现出时代感和设计感，令人耳目一新的产品整体形象以及各个细部的改进设计，得到了专家的高度评价和认可；产品人机交互设计方面作出的大胆尝试，给用户带来了更加多样化的操作选择和体验，获得了一线操作工人的良好反馈；通过对NCP-400L数控车床的改进设计，最终使得该产品的市场竞争力有了明显的提升。从本案可以看出，对于现有产品在不改变其整体结构和功能的基础上仍有可能进行工业设计改进以改善其美学品质和人机交互关系，这对于目前我国不少企业的成熟产品而言是更为现实的解决办法。

[1] 王继成. 大型机电产品的工业设计改造[J]. 工程图学学报, 2003, 24(2): 137-142.

[2] 钱 琳. 浅谈机床外观设计[J]. 民营科技, 2013, (3): 52.

[3] 朱 彦. 形态构成元素在数控机床工业设计中的应用[J]. 现代制造工程, 2013, (4): 48-52.

[4] 姜晓微. 数控机床的造型设计研究[D]. 长春: 吉林大学, 2006: 34.

[5] 朱 彦. 电气控制台的工业设计要素分析及改进设计[J]. 机械制造, 2008, 46(8): 1-3.

[6] 夏广军. VTC-16A加工中心工业设计分析[J]. 机电产品开发与创新, 2005, 18(4): 110-111.

[7] 王 敏, 于爱兵, 张 义. 机床造型设计方法[J]. 现代制造工程, 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年上海市教委重点课程建设项目（A1-1701-14-001）；上海电机学院重点课程建设项目（2012KCJS-03）

朱 彦（1979-），女，江苏镇江人，副教授，硕士。主要研究方向为机器人工业设计、机电产品工业设计与人机工程学。E-mail：aceofbaseii@126.com