基于TRIZ理論發(fā)明創(chuàng)造原理的加工中心人性化設(shè)計(jì)

牛玉國 張進(jìn)生

（山東大學(xué)，山東濟(jì)南 250061）

加工中心是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國家加工中心的產(chǎn)量和技術(shù)在某種程度上就代表這個(gè)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(jìn)口加工中心在國內(nèi)市場(chǎng)占有很大的份額，這對(duì)我國的機(jī)床制造業(yè)造成很大的沖擊，究其原因是我國機(jī)床的性能、質(zhì)量、可靠性和外觀造型遠(yuǎn)不能滿足用戶需求［1］。當(dāng)前設(shè)計(jì)對(duì)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(shè)計(jì)中的難題。TRIZ在中國的發(fā)展，為設(shè)計(jì)的這一系列難題的解決開辟了新的道路。

TRIZ是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒對(duì)250萬份高水平的發(fā)明專利分析之后，綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的40條創(chuàng)新原理，建立起來的一個(gè)由解決技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品的開發(fā)中，運(yùn)用TRIZ理論發(fā)明創(chuàng)造原理可解決矛盾和沖突，發(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)問題的提出

1．1 加工中心的易維修性分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，對(duì)加工中心的要求也越來越高。表現(xiàn)為功能越來越多、柔性越來越強(qiáng)、自動(dòng)化程度和加工效率越來越高。作為現(xiàn)代制造業(yè)的母體，加工中心多功能、高自動(dòng)化和高加工效率的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的結(jié)構(gòu)作為支撐，必然使得加工中心的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜。結(jié)構(gòu)的復(fù)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(shè)計(jì)過程中，我們既要求加工中心有更多的功能、更高的自動(dòng)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(chǎn)品的人性化過程中擁有獨(dú)特的魅力，具有強(qiáng)烈的視覺沖擊力和表現(xiàn)力。機(jī)床產(chǎn)品是由人操作使用的，色彩設(shè)計(jì)首先應(yīng)當(dāng)適應(yīng)人的各種活動(dòng)和審美要求，提高工作效率，保障安全生產(chǎn)［3］。考慮到機(jī)床操作者作業(yè)時(shí)間的長期性，加工中心的色彩應(yīng)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(diào)卻往往顯得沉悶而單調(diào)。而采用復(fù)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(huì)使操作者易浮躁從而降低生產(chǎn)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(jī)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(gè)界面上進(jìn)行細(xì)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(yīng)使人在觀察和操作時(shí)處于舒適、準(zhǔn)確和高效的工作狀態(tài)。目前國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究主要集中在對(duì)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(dòng)范圍，針對(duì)數(shù)控面板的顯示分析與之相關(guān)的人的因素——身高和視野。在這種情況下設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能滿足多數(shù)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(xí)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(gè)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(duì)問題的解決

2．1 對(duì)加工中心易維修性矛盾的解決

現(xiàn)利用沖突矩陣解決該問題。首先在39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中選擇并確定技術(shù)沖突的兩對(duì)特定參數(shù)。（1）改善的參數(shù):系統(tǒng)的復(fù)雜性（N0．36）;自動(dòng)化程度（N0．38）。（2）帶來負(fù)面影響的參數(shù):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(dòng)態(tài)性，N0．13 反向。經(jīng)過分析，根據(jù)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(jié)構(gòu)，將加工中心分割為:機(jī)械模塊、冷卻潤滑模塊、輔助模塊、控制模塊。機(jī)械模塊又分為運(yùn)動(dòng)模塊、動(dòng)力模塊、支撐模塊、擴(kuò)展模塊。在此基礎(chǔ)上個(gè)機(jī)械模塊的子模塊也可以進(jìn)行劃分［4］。各個(gè)模塊通過接口設(shè)計(jì)、模塊集成構(gòu)成整機(jī)。經(jīng)過分割之后的加工中心在局部出現(xiàn)故障時(shí)，能快速地發(fā)現(xiàn)、解除故障。既保證了加工中心功能的實(shí)現(xiàn)和較高的自動(dòng)化程度，又能快速地加以維修。

2．2 對(duì)加工中心色彩宜人性矛盾的解決

同理，在沖突矩陣39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中，我們選擇并確定兩對(duì)技術(shù)沖突的特定參數(shù):（1）改善的參數(shù):系統(tǒng)的復(fù)雜性（N0．36）;（2）帶來負(fù)面影響的參數(shù)，物體產(chǎn)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(jīng)過分析，根據(jù)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(yùn)動(dòng)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(gòu)成加工中心表面積最大的部分［5］，因而它們是色彩設(shè)計(jì)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(diào)和較為明快的色調(diào)。這樣，既可以彌補(bǔ)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(dòng)生產(chǎn)率。

加工中心的活動(dòng)部分如工作臺(tái)、推拉門、觀測(cè)窗、移動(dòng)頭、滑槽等，與主體是通過移動(dòng)結(jié)合面組合在一起的，這些部分的外覆蓋件屬于色彩設(shè)計(jì)中的輔色［5］?？梢圆捎妹鞫容^高，與主體色對(duì)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(diào)，產(chǎn)生豐富多變的動(dòng)感。

2．3 對(duì)加工中心操作舒適性矛盾的解決

同理，在沖突矩陣39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中，我們選擇并確定兩對(duì)技術(shù)沖突的特定參數(shù):（1）改善的參數(shù)，通用性（N0．35）;（2）帶來負(fù)面影響的參數(shù)，操作性（N0．33）。

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

將操作面板設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的尺寸較大，如同筆記本電腦的顯示屏，可隨意調(diào)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(shí)，可以根據(jù)自己的操作習(xí)慣調(diào)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(dāng)操作完成時(shí)，可以將上蓋閉合，能有效避免誤操作。

同時(shí)，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(dòng)。為使人們?cè)谶M(jìn)行不同的位置操作時(shí)都能方便地使用，操作面板可以繞連桿旋轉(zhuǎn)，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(jié)語

近年來，TRIZ理論不斷完善，逐漸成為現(xiàn)代產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要工具。TRIZ理論在加工中心設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有針對(duì)性地解決了加工中心人性化設(shè)計(jì)中的問題。提出了加工中心通過模塊劃分，使產(chǎn)品便于維修的設(shè)計(jì)方法;提出了加工中心的主體件和移動(dòng)件分別配色的原則，使加工中心色彩穩(wěn)定和諧又富有動(dòng)感;在控制面板的設(shè)計(jì)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(xiàn)了和諧社會(huì)以人為本的設(shè)計(jì)目的。

［1］劉陽，蔡光起，姚鵬．?dāng)?shù)控機(jī)床防護(hù)罩外觀造型的虛擬設(shè)計(jì)［J］．工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）:130 －132．

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

［3］王敏，于愛兵，趙宇，等．?dāng)?shù)控機(jī)床造型的再設(shè)計(jì)［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2005（6）:30－32．

［4］袁杰，張進(jìn)生，王志．基于模塊化技術(shù)的新型石材加工中心創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］．石材，2007（4）:35 －49．

［5］惠娜．?dāng)?shù)控機(jī)床的人機(jī)工程學(xué)研究［D］，西安:陜西科技大學(xué)，2008．