基于TRIZ理论发明创造原理的加工中心人性化设计

牛玉国 张进生

（山东大学，山东济南 250061）

加工中心是现代制造业的关键设备，一个国家加工中心的产量和技术在某种程度上就代表这个国家制造业的水平和竞争力。我国虽然是加工中心制造大国，但进口加工中心在国内市场占有很大的份额，这对我国的机床制造业造成很大的冲击，究其原因是我国机床的性能、质量、可靠性和外观造型远不能满足用户需求［1］。当前设计对于人性化的要求越来越高，如何系统地解决加工中心的维修方便性、造型色彩宜人性和操作舒适性问题，成为加工中心人性化设计中的难题。TRIZ在中国的发展，为设计的这一系列难题的解决开辟了新的道路。

TRIZ是前苏联发明家阿奇舒勒对250万份高水平的发明专利分析之后，综合多学科领域的原理和法则，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的40条创新原理，建立起来的一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。在新产品的开发中，运用TRIZ理论发明创造原理可解决矛盾和冲突，发现和消除冲突的突破性概念，快速突破性地解决工程中的基本问题［2］。

1 加工中心设计问题的提出

1．1 加工中心的易维修性分析

随着国民经济飞速发展，制造业向着高、精、尖方向发展，对加工中心的要求也越来越高。表现为功能越来越多、柔性越来越强、自动化程度和加工效率越来越高。作为现代制造业的母体，加工中心多功能、高自动化和高加工效率的实现，需要相应的结构作为支撑，必然使得加工中心的结构变得越来越复杂。结构的复杂使加工中心的维修变得更加困难。在加工中心的人性化设计过程中，我们既要求加工中心有更多的功能、更高的自动化程度，又要求加工中心方便维修。

1．2 加工中心的色彩宜人性分析

色彩在产品的人性化过程中拥有独特的魅力，具有强烈的视觉冲击力和表现力。机床产品是由人操作使用的，色彩设计首先应当适应人的各种活动和审美要求，提高工作效率，保障安全生产［3］。考虑到机床操作者作业时间的长期性，加工中心的色彩应以沉着、朴素、纯度不高的色彩为主，给他们以安全、稳定、舒适的感觉。但是单一的色调却往往显得沉闷而单调。而采用复杂的高纯度、亮丽的光泽色彩，却显得比较刺激与凌乱，长期使用，会使操作者易浮躁从而降低生产效率。

1．3 加工中心操作舒适性分析

加工中心的操作面板是人机交互的主要界面，主要包括控制操作区和显示区两大部分。人在这个界面上进行细致的信息控制操作，它的位置、倾斜角度以及它在上面的显示、控制器的大小、位置等，都应使人在观察和操作时处于舒适、准确和高效的工作状态。目前国内在该领域的研究主要集中在对加工中心的高度、位置与人的因素的分析上，即人的视野和手的活动范围，针对数控面板的显示分析与之相关的人的因素——身高和视野。在这种情况下设计的产品能满足多数人的生理要求和操作要求。但是，由于人的身体尺寸差别较大，不同的人有不同的操作习惯，这样的操作面板虽然能基本满足不同人的要求，但是不能满足单个操作人员最合适的操作要求。

2 TRIZ理论发明创造原理对问题的解决

2．1 对加工中心易维修性矛盾的解决

现利用冲突矩阵解决该问题。首先在39个标准工程参数中选择并确定技术冲突的两对特定参数。（1）改善的参数:系统的复杂性（N0．36）;自动化程度（N0．38）。（2）带来负面影响的参数:可维修性（N0．34）。

由冲突矩阵推荐的发明原理为:（1）N0．1分割，N0．13 反向。（2）N0．1 分割，N0．15 动态性，N0．13 反向。经过分析，根据发明原理N0．1分割（1）提出如下解决方法:

按照加工中心的功能和结构，将加工中心分割为:机械模块、冷却润滑模块、辅助模块、控制模块。机械模块又分为运动模块、动力模块、支撑模块、扩展模块。在此基础上个机械模块的子模块也可以进行划分［4］。各个模块通过接口设计、模块集成构成整机。经过分割之后的加工中心在局部出现故障时，能快速地发现、解除故障。既保证了加工中心功能的实现和较高的自动化程度，又能快速地加以维修。

2．2 对加工中心色彩宜人性矛盾的解决

同理，在冲突矩阵39个标准工程参数中，我们选择并确定两对技术冲突的特定参数:（1）改善的参数:系统的复杂性（N0．36）;（2）带来负面影响的参数，物体产生的有害因素（N0．31）。

由冲突矩阵推荐的发明原理为:N0．19周期性，N0．1分割。经过分析，根据发明原理N0．1分割（1）提出如下解决方法:

将加工中心的外覆盖件划分为主体部分和运动部分。主体部分是底座和床身，其外覆盖件是若干大块钣金组合而成，构成加工中心表面积最大的部分［5］，因而它们是色彩设计中的主体色。为了给人一种稳定、安全和谐的感觉，主体色通常采用下深上浅的格调和较为明快的色调。这样，既可以弥补环境阴暗的状况，又可以使操作者保持愉快舒畅的心情，提高劳动生产率。

加工中心的活动部分如工作台、推拉门、观测窗、移动头、滑槽等，与主体是通过移动结合面组合在一起的，这些部分的外覆盖件属于色彩设计中的辅色［5］。可以采用明度较高，与主体色对比明显的彩色系，见图1，这样使加工中心整体色彩单纯而不单调，产生丰富多变的动感。

2．3 对加工中心操作舒适性矛盾的解决

同理，在冲突矩阵39个标准工程参数中，我们选择并确定两对技术冲突的特定参数:（1）改善的参数，通用性（N0．35）;（2）带来负面影响的参数，操作性（N0．33）。

由冲突矩阵推荐的发明原理为:N0．15动态性，N0．1分割，N0．34抛弃或再生，N0．16未达到或过度作用的原理。经过分析，根据发明原理N0．15动态性提出如下解决方法:

将操作面板设计为可折叠的，上盖主要为显示区域和部分操作区域，上盖设计的尺寸较大，如同笔记本电脑的显示屏，可随意调节显示屏的角度［5］。下盖则主要是操作区，布置加工中心的操作元件。操作人员在工作时，可以根据自己的操作习惯调节上下盖之间的夹角，使自己处于最优的操作位置，以提高操作效率。当操作完成时，可以将上盖闭合，能有效避免误操作。

同时，操作面板不是固定在加工中心上，而是通过连杆与加工中心连接。为使不同身高的人都能舒适地使用，操作面板可以在连杆上上下移动。为使人们在进行不同的位置操作时都能方便地使用，操作面板可以绕连杆旋转，如图2。这样操作面板不仅可以满足不同身高使用者的操作要求，而且使操作者在不同操作阶段更为舒适。

3 结语

近年来，TRIZ理论不断完善，逐渐成为现代产品创新设计的重要工具。TRIZ理论在加工中心设计中的应用，有针对性地解决了加工中心人性化设计中的问题。提出了加工中心通过模块划分，使产品便于维修的设计方法;提出了加工中心的主体件和移动件分别配色的原则，使加工中心色彩稳定和谐又富有动感;在控制面板的设计上，通过增加其柔性，使其适合于更多人的使用，并且使控制面板更加人性化，体现了和谐社会以人为本的设计目的。

［1］刘阳，蔡光起，姚鹏．数控机床防护罩外观造型的虚拟设计［J］．工程图学学报，2006（3）:130 －132．

［2］王向阳，曹学舰，李燕．基于TRIZ理论的传统剪刀创新设计［J］．包装工程，2007，28（11）:14 －15．

［3］王敏，于爱兵，赵宇，等．数控机床造型的再设计［J］．制造技术与机床，2005（6）:30－32．

［4］袁杰，张进生，王志．基于模块化技术的新型石材加工中心创新设计［J］．石材，2007（4）:35 －49．

［5］惠娜．数控机床的人机工程学研究［D］，西安:陕西科技大学，2008．