机床的工业设计.docx
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机床的工业设计
机床的工业设计
机床的工业设计
概述
我国机床业界普遍存在一种观点，认为机床的价值仅由其加工能力和效率决定。
因此，机床制造商对其机床产品进行工业设计，往往模仿消费品制造业的作风，在机床产品机械设计工作完成后，再对设计方案进行局部修饰和外观美化。
无可否认，美是工业设计的一部分，回顾工业革命时期的历史可以发现，机械产品的外观造型，曾经是英法两国进行市场竞争的重要手段，可以说当年机械产品的外观设计需求参与促成了工业设计专业的诞生。
事实上，现代的工业设计除了保证产品的美观以外，也通过研究和利用各种人的因素（HumanFactors），创造独特、鲜明、有实用价值的产品特色，提高自身产品在同类产品之间的竞争力。
一项工业产品的成功是多种因素综合的结果，除了产品硬件和软件的各种技术因素以外，市场评论、购买者、使用者和维护者的人为因素，同样对产品的成败举足轻重。
（1）购买者对机床设计的影响。
虽然客户在选购产品的最初阶段会相当理性地收集有关产品数据，进行对比、计量和分析，将待选产品按优劣排序，再做出决策。
但由于待选产品“鱼与熊掌”，各有所长，产品间的多元差异往往难以单一地以优劣来归纳，产品排行榜的作用经常被其他感性因素所削弱甚至取代。
因此，要在机床装备市场中夺得客户，光靠提升产品的技术参数让产品进占产品排行榜的前列并不足够，还必须要诉诸人的感性因素，争取在客户的心中留下鲜明、正面的品牌形象。
近年，工业设计正逐步发展为涵盖美学、认知心理学、生理学、工程学的跨学科专业，并且随着感性工程（KanseiEngineering）、产品语意分析（ProductSemantics）等工具的实践应用，工业设计师可以客观、实证地调节机床形体、细节、色彩的组合，有效地激起购买者对机床产生高技术、稳重、安全、耐用、宁静等联想。
（2）使用者和维护者对机床设计的影响。
机床是现代制造系统的主体组成部分。
随着信息技术的融入，机床操作者的体力劳动逐步减少，知识含量增多。
与此同时，随着社会普遍对职业健康的重视，加上机床操作者日趋知识化、专业化，人们对操作机床的舒适度要求大为提高，不单要求操作安全、省力，也要方便、清洁、明亮、安静。
过去只考虑操控面板高度，工作台深度等人体工学因素，已远不能满足今天机床操作者的要求，工业设计也开始兼顾人机界面设计、可接近性、可维护性等要素。
基于以上原因，工业设计界认为，机电产品与一般消费品一样，技术因素与人的因素均不具凌驾性，外观设计并非机械设计完成后的修饰工作，而可制造性设计也不是服膺于外观设计的成本控制手段。
现代工业设计应该在产品设计的最初阶段，同时将机床的形象特征以及人、机、人机交互的影响因素都清晰罗列，找出满足市场多样化需求的平衡点和侧重点，以开辟无竞争或少竞争的“蓝海”市场空间。
2 机床的品牌和家族化
机床的品牌形象并非单纯的名称、商标和色彩组合，而是在客户心中的所有影响购买决策的感性因素的综合。
以瑞典的机器人品牌Kuka为例，其营造品牌形象方面的策略是：
向客户传递产品特征信息，令Kuka产品在客户心中皆能营造如下4种感受：
可信（Credibility）、完整（Integrity）、一致（Consistency）和实在（Authenticity）。
产品的“家族化”
通过制订本集团统一的外观风格来维持机床品牌的完整性和一致性，构成产品“家族”是全球机床行业对工业设计作用的基本运用模式。
近几年来，德国的德马吉、Schleifring、美国的MAG、瑞士的GFAgieChamiles以及沈阳机床等集团在联合、重组后，均借助统一旗下机床产品的商标和配色、统一造型元素的组合规律等措施，令不同用途、不同规格和体型的机床产品展现“家族化”的外观风格，达到区别于其他企业、提升本集团市场形象的目的。
例如，德国的德马吉公司原是Dekel、Maho和Gildemeister3家公司，产品不同，风格各异。
2007年EMO展览会德马吉推出“NewDMGDesign”的机床工业设计方案，在参展意见调查中，取得了评价“好”和“非常好”达％的优异成绩。
该设计方案涵盖了外观语言、人机界面、人体工程3个方面。
其中最为鲜明的设计特征是：
采用大倒圆边角，白底粗黑框观察窗，垂直指示灯条的外观语言，将不同类型的机床“家族化”，如图1所示。
德马吉公司为了达到令人耳目一新的效果，采用曲面冲压等前期投入较高、机床行业以往很少采用的加工手段来制作机床外罩壳，并在以后的新产品开发中沿用。
在德马吉的示范作用下，鲜明外观成为机床产品的竞争要素，诸多国际品牌，如日本的马扎克、天田等公司皆为了营造外观特色而加入一些装饰性强，但生产相对困难，成本较高的外罩壳部件。
借助造型元素的组合规律实现机床产品家族化外观的另一个例子是GFAgieChamiles（GFAC）公司。
集团旗下拥有包括电火花加工机、线切割机、加工中心、激光纹理加工机床多种产品，这些机床的体型差异较大，单靠配色和图案很难营造产品的“家族感”。
该集团的处理办法是，巧妙地在机床部件的结合部和拐角处加上橙色垂直边条和门把，以最有限的改动实现了不同产品外观的统一，如图2所示。
机床产品取得客户的认同是成年累月品牌形象建设的结果。
因此一个被客户认同的机床品牌并购了其他品牌后，在统一外观语言的同时，必须保证原品牌的正面形象能够尽量转移到新品牌内。
以GFAC并购Mikron高速加工中心品牌为例，GFAC保留Mikron机床产品的总体结构配置，外形、门窗比例等特征，仅增加橙色垂直边条和门把，最大限度地保持了Mikron品牌多年成功塑造的形象。
沈阳机床集团是我国较为重视品牌形象的机床企业之一，2010年沈阳机床推出“新5类”产品，将立式和卧式加工中心、CAK和HTC数控车床和镗床等5类产品进行家族化，统一集团的产品形象，如图3所示。
产品家族的拓展
拥有庞大机床产品家族的企业，常会将不同产品族的机床，按其档次横向综合成为产品群，分别面向不同消费能力的客户，避免内耗。
因此，工业设计在确保旗下机床产品外观统一的同时，还需要利用外观设计来区分产品家族内不同分支，以突出产品群的特点和档次。
德马吉公司近年新推出的Lasertec65Sharp和Lasertec40激光加工机床是外观风格家族分支的典型例子。
两款激光加工机床与DMU40加工中心都是采用“NewDesign”设计语言，但表现形式却不相同，如图4所示。
从图中可见，Lasertec40虽然使用和DMU40相同的弧形拉门，但垂直绿色条形指示灯从拉门左面移到右面，门上的观察窗改小，原来印在窗沿的大黑框由一块不等边的黑色饰件模仿替代，同时使用较小的观察窗。
一方面，因为Lasertec40装有内置摄像头，可以把加工过程在控制台显示屏播放，操作者不必直接通过观察窗观看加工过程。
另一方面，激光是一种高能束，可能会对人的眼睛有所伤害，小窗口让人感到更加安全。
此外，激光加工设备一直都是机床领域的边缘产品，市场预期的激光加工机床特征应有别一般机床产品。
Lasertec40设计特点是采用不等边黑窗框，其大弧线加强了机床的动态，也使机床外观更像实验仪器和办公用品，以符合市场的心理取向的同时保留了相同的外观基因。
Lasertec65Sharp是DMG和MoriSeiki结为伙伴后的新设计，在外观色彩上做了改进，在绿色的两侧加红色带，在前面加上红色光束线条，突出激光的特点。
其余的外观特征则处于Lasertec40和DMU40之间，这是由于Lasertec65采用了大部分DMU40加工中心的结构和外壳组件，而在观察窗的装饰线条运用上却打破了DMU40加工中心的矩形线条，沿用了Lasertec20的不等边黑窗框。
机床的操作因素
多轴和复合加工机床等新型机床的人机工程设计是一个新课题。
多轴和复合加工机床在人体工效方面与以往机床不同之处在于：
加工过程中的工件装夹操作次数减少，但工件表面不仅加工位置数量多、且形状复杂，导致加工过程所需的刀具多，编程和调整对刀时间长。
操作者要长时间在控制台、工作台和刀库之间反复走动，而且在加工过程中，刀具和工件要进行复杂的空间运动，操作者的视野经常受阻，增加监控的困难。
在改善操作者的视野方面，一般多轴机床的做法，除了在机床布局方面采用摇篮式和台中台式双转台外，也会采用配大面积观察窗的直角双拉门和弧形拉门，取代常规的单面拉门，让操作者可以从更宽的角度接近加工空间。
最近，德国Fehlmann公司则更进一步，推出3面门布局的Picomax825Versa机床。
该机床独特的T型机体布局，让加工空间成为一个可以让操作者从3面接近的“半岛”，大大方便了更换刀具、工件装夹和加工过程监控。
此外，数控操作台可以旋转180°，操作者走动很短距离就可以轻松地完成工件装卸、更换刀具和对刀等全部操作，如图5所示（图中虚化的操作者表示可从不同位置操作和调整机床）。
在大型和重型机床方面，由于操作台与工件或刀具之间距离较远，仅仅改善操作者的视野已不足够，还需要让操作者可以接近工件和刀具。
例如，意大利Mecof公司的MecmillPlus落地镗铣床在人机工程方面的考虑十分充分，其升降式操控台前方装设了活动移门和带栏栅的“阳台”，这一布局设计可大大方便操作者的对刀。
在机床加工工件时，缩进“阳台”、关闭移门，以保护操作者的安全，如图6所示。
除了金属切削机床外，成形机床的操作也逐步向精密、长时间操作方向发展，诸多知名企业正进一步地通过工业设计改善旗下产品的操作条件，减少操作者疲劳。
例如，德国Boschert、FinnPower、Trumpf公司的小型折弯机都在机床前方加设工作桌，并在机床上方加设照明灯，方便操作者坐在机床前操作，如图7所示。
机床的维护因素
“5S管理”是配合精益生产的现场管理手段，为了配合实施5S管理的用户，机床的工作环境设计也进行了许多改进。
例如，过去许多机床的辅助设备，包括变压器、排屑器、冷却器等，都分散放置在机床周围，这些设备加上连接的管线，不但阻塞通道，也增加清扫的困难，不利于车间贯彻5S管理的“整顿”、“清扫”原则。
新一代的机床都把辅助设备尽量整合到机床内，保持机床周边平整、光滑，令车间更整洁、畅通和明亮。
排屑是机床工业设计的重要内容。
长期以来，机床的排屑主要依靠重力，在重力作用下，大部分切屑因堆积得过高而自然掉落在机床底盘上，再由螺旋排屑器绞走，这种方式只能做到切屑的点管理，而不能做到面管理。
在高速和复合加工时，切屑量大且排出路径复杂。
容易附在加工空间中的各种表面上，如拉门的观察窗、工件的已加工表面、在线测量装置等，因而容易导致切屑进入刀套、主轴、对刀镜头等对污染敏感的区域，严重影响加工精度和工具寿命。
经常性的人工清洗，不仅费时费力，也影响加工节奏。
为了改善切屑污染问题，提高机床内部的洁净度，德马吉公司在机床内部增加了若干切屑冷却液喷淋点，除了电主轴外围的一圈喷头外，机床内壁顶部还装有一排喷头，沿门框喷淋，如图8所示。
这排喷头所产生的冷却液瀑布流经机床的弧形防护门，带走防护门上方和防护门观察窗表面的所有切屑，确保换刀过程中刀柄不会被切屑污染。
在冷却液的清洗下，机床的工作台和工件经常保持干净，不单节约操作员的清理的时间，也降低在工件后续加工过程中刮伤已加工的、高光洁表面的风险。
冷却液喷淋虽然能将机床内部清洗干净，但同时对机床外壳的防漏带来更高的要求，一般的机床外壳接合和拉门设计，远远不能保证在这种喷淋过程中依然滴水不漏，因此，德马吉NewDesign在防漏方面采取了很多加强措施。
NewDesign旋转门的门边细节如图9所示。
从图中右图可见，门边设计了一道带翻边的宽门唇，与图左的双层门框配合，形成双重迂回的门缝，不单完全阻挡冷却液溢出，也有助隔绝噪音，提升切削时的环境安全。
由于DMGDMU40加工中心内部空间大、密封性好，有困住操作员、维修员的危险因素，因此机床内靠近电门锁处装设有紧急解锁装置，如图9左图所示
过去设计机床时，因经常为方便布置而将维护点分布在机床多处。
此举不单容易导致生产和维护活动互相干扰，也令机床的日常维护流程冗长繁复，易生错漏，不利于车间贯彻“清洁”原则。
新一代的机床工业设计把所有日常维护点都集中机床后方。
以Mikron机床为例，操作员只需站在维护面板前，机床的各气压、油压和油量即一目了然，便于调节和维护，如图10所示
培训与排障的因素
对机床全寿命成本的分析发现，操作者培训和机床维护的花费在机床总成本中占相当高的比例。
工业设计通过令机床更容易使用和排除故障，能有效地降低机床在培训和维护的开支，提升机床的竞争力。
在便于使用和排除故障方面，图11所示的美国WARDJet公司的X-Classic操作台是典型的例子。
X-Classic是基于微机的控制系统，引入商用计算机的成熟技术，包括远端控制、无线网络、浏览器、视频会议等。
由于辅助功能众多，使用两台平面显示器。
从图中可见，WARDJet的Web-Ex视频通信系统让机床制造商的技术支持人员可以向客户提供即时支持。
通过Web-Ex，WardJet可以对切割机实施遥控操作，查找故障。
此外，Web-Ex的VOIP（VoiceOverInternetProtocol）功能，也可让操作者在操控台前在线联系WardJet技术支持人员。
为了方便用户企业进行员工培训，一些机床更推出了针对性的辅助套件。
图12所示是德国SPINNER公司为用户进行机床操作培训而推出的第2屏幕套件。
该套件包括一台摄像头和一面42英寸大屏幕，屏幕装设在机床左上角，方便学员聚拢观看，摄像头装置在机床内，将机床操作的画面输出到屏幕上，教员也可以将屏幕画面切换为控制系统的显示画面。
化。
结束语
机床行业正步入工业设计管理时代，国外大型机床集团已开始制订长期的、企业层面的工业设计策略和规范，对整个集团的产品工业设计进行系统化的管理，寻求让机床产品在心理人因层面发挥作用。
目前国内机床品牌努力提高机床的可靠性和完善细部设计，也是试图建立“可信”和“完整”的形象，但我们的机床工业设计还停留在一次性、产品层面项目的阶段，这种努力是个别的、零散的，不能够向用户传递品牌意图和特点。
落后的工业设计管理，将阻碍我们占领中档，进军高档产品市场。
因此，我国机床企业应重视产品的工业设计把工业设计及其管理作为转型升级的重要内容之一。
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