创新导向技术在植牙数控机床设计方面的应用

郭 淼 张 剑

（沈阳工业大学，辽宁 沈阳110870）

0 引言

高度智能化/自动化制造、个性化/数字化产品的“工业4.0”［1］时代是当代中国制造业的发展方向，是中国装备制造业产品竞争力的关键奋斗方向。而现在国内机床产品工业设计主要依靠传统的相似设计以及采用类比法研究，市场竞争力普遍不足。本文的产品创新导向设计理念能够促进企业创新，辅助设计师实现其高端、前沿的设计思路，实现装备制造业企业的产品品质、材料利用效率、产品功能和形态设计所带来的高利润附加值。

本文从目前影响产品创新的诸多因素出发，结合设计方法学，提出产品创新导向设计相关基本原则，并通过植牙机床创新升级的实际案例简要阐述产品创新导向设计的简单应用。

1 产品创新导向设计原则

1.1 影响产品创新设计的主要因素

产品创新设计是一个认知学习的过程，在常规之外寻求问题的解决方法。在创新的过程中有很多阻碍，创意是设计师通过不断的思索并克服了种种思维和心理障碍之后，结合设计资源孕育而生的。分析影响产品创新的因素，主要包括三个方面：现有同类产品的影响、思维惯性和复杂的设计资源。

1.2 产品创新导向设计原则

1.2.1 实用创新

产品创新导向设计对创作灵感进行导向，去除传统设计方法的约束，使设计师灵光迸发得到设计精美又易于实现的工业产品。以新材料在设计中的应用为例，产品创新导向设计在热塑性、防水性、抗压性、抗变形性和抗疲劳性等方面建立起全面的材料性能评价体系。如以单位材料在单位时间内接受单位能量或一定能量所产生的物理化学变化程度将其分为10个等级，并对每个等级加注相关实例，使设计师对每个等级所能达到的实际效果一目了然。当设计师进行产品设计时，根据设计用途筛选材料重要性能并进行性能等级需求选择，将满足设计用途的材料从海量材料库中调出，使材料性能导向落在实处。

新材料实用性创新可以通过以下两个方面进行：

（1）绿色环保。在2015年11月18日召开的APEC 工商领导人峰会上，奥巴马与马云的谈话多次提到绿色设计解决目前环境气候问题。而绿色设计是一个复杂体系和系统，不仅要考虑产品的社会需求，还需要考虑环境和环保方面的要求。这必然导致设计成本的提高和较长的产品研发周期［2］。

（2）轻量化。通过轻量化技术在机床设计中的应用，不仅能够大大提高对数控机床绿色制造的认识，而且可以快速提升高速、精密数控机床开发设计、加工制造、再制造及回收利用等产品生命周期中的高能效关键技术。

1.2.2 功能创新

功能创新导向本着集成化、智能化、信息化的原则，为产品设计师提供协助。设计师在设计产品的过程中可将产品多种功能做集成化处理，使产品在更小的空间内实现更多的功能［3］。而这将需要产品自身具备自主操作能力，即利用传感器实时监控系统状态，并将传感器输入的信号通过嵌入式系统处理反馈到执行机构进行补偿操作来维持系统状态或进行位移操作来更改系统状态，也可称为产品自身的智能化操作。操作过程系统状态信息以及产品属性信息可通过实时反馈装置反馈给处理器并进行记录，实现远程操作产品，对其进行状态变更或恢复。

1.2.3 形态创新

产品形态创新是产品创新最直接的体现方式，良好的外观造型不仅可以传达产品本身的价值，还可以映射企业文化和经营理念。而形态创新需要评价指标体系来将其创新程度标准化。评价指标体系是根据产品的美学特性、技术特性、经济特性、人机特性、环境特性等主要方面对产品创新形态进行综合描述，要求设计师、决策评价者全面考虑形态设计的各项因素，客观公平考量各个因素对产品形态的贡献和影响，避免个人审美习惯、喜好差别引起评价失误。

2 应用实例

本文以牙种植体多功能数控车床为例，根据产品创新导向设计原理进行设计改良，以验证产品创新导向设计在产品创新设计实例应用中的实用性。

2.1 CKD16Ⅰ（牙种植体）多功能数控车床不足

牙种植体零件部分相当于真牙的牙根，对于整个牙齿的固定起到了至关重要的作用。牙种植体尺寸只有6mm 左右，这要求机床采用高精密数控制造工艺，以完成牙种植体的加工。目前CKD16Ⅰ（牙种植体）多功能数控车床存在以下不足：

（1）数控机床床体总体高度为1 740mm，相对身体较低。观测窗高度低于人体实现高度，且观测窗倾斜角度不够，在观测时人需弯腰。

（2）本机床加工类型为精密加工，但拉门的密封效果较差。

（3）由于内部加工结构限制，操控台只能放置在左侧。滑动拉门过重且向左拉动，不符合大部分右手使用者使用习惯。

（4）由于拉门向左滑动，控制面板线路长度有限，操控台过高。

（5）一旦发生危险，操控面板过远，不能第一时间停止加工。

2.2 设计改良

2.2.1 实用创新

外防护罩是安全防护装置，必须达到耐水性、耐腐蚀性及密封性等相应的安全要求。如图1所示，本文设计的自动掀开门具有内封条装置以增强机床加工密闭性，同时能够在需要时自动开启，内部加工时关闭上锁，达到了减轻工作负担、减少安全隐患的目的。

图1 实用创新示意图

2.2.2 功能创新

客户将所需要的植牙钉的尺寸及形态通过个人终端上传到云端。云端再将数据传递到植牙机床，植牙机床确定产品制造完成时间及预估产品配送时间并将该信息反馈给客户。制造过程中所有涉及的信息都将实时返回到云端系统来保证制作过程的可追溯性。

智能化植牙机床由控制芯片、3D 打印区域［4］、产品包装及输出区域组成。控制芯片负责接收云端信息并下达相应指令。当尺寸形态数据传输给机床接收器后，对尺寸形状进行处理，建立3D 模型直接制造出产品。因过程中材料粉末会蔓延在机床中，因此在产品成型后，机床会自动开启空气泵过滤机床中的空气，而滤出的金属粉末可循环利用。产品制造完毕后由包装区域进行塑封包装并将产品相关信息贴在包装上，等待快递员配送。

如图2所示，以上过程实现了产品生产的一站式服务，智能植牙机床只需要工作人员及时添加包装及原料供给便能实现全自动接单生产配送。3D 打印机更能满足不同客户的个性化需求。考虑到个别客户的个别需求，本文根据3D 打印原理，提出分层建模理论，将植牙钉模型分为30、50或更多层进行建模。层数越多，模型的精确度就越高。通用型植牙钉可快速从云端库里选择相应的模型，客户只需输入关键部位的尺寸即可。

图2 功能创新示意图

2.2.3 形态创新

改良后的机床形态如图1、图2所示，采用模块化设计，更由于将机床传统的刀头夹具结构换成3D 打印喷涂设备，使机床在体积上有所缩减，外观表现更加紧凑。数据接收芯片集成在机床操作面板上，方便实时操作。外观配色沿用了机床厂的传统配色，醒目且方便操作。

机床外壳可以紧凑但灵活地容纳机床的一切组件。工作人员不会受到其他机器造成的伤害。机床倾斜的角度增大，方便了检修人员实时观察机床工作过程。

3 结语

本文结合创新导向设计原则，对传统植牙机床进行创新改良。改良后的机床更加符合智能化、数字化、个性化等原则。机床改良只是创新导向设计理念应用领域的一部分，在装备制造业种类繁多的产品应用还亟待开发。创新导向设计理念也会随着装备制造业从业人员经验水平的丰富，逐渐羽翼丰满。相信在未来的装备制造业发展过程中，创新导向设计能够成为中国智能制造的重要驱动力量。

［1］Jazdi N.Cyber physical systems in the context of Industry 4.0［C］//2014 IEEE International Conference on Automation，Quality and Testing，Robotics，2014：1－4.

［2］董志鹏.环保材料对于工业设计的应用［J］.佳木斯教育学院学报，2013（5）：28.

［3］董一巍，李晓琳.未来机床发展走向及热点技术浅谈［J］.航空制造技术，2015（5）：32－37.

［4］Mai J G，Zhang L，Tao F，et al.Customized production based on distributed 3Dprinting services in cloud manufacturing［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015：1－13.