創(chuàng)新導(dǎo)向技術(shù)在植牙數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

郭 淼 張 劍

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽110870）

0 引言

高度智能化/自動(dòng)化制造、個(gè)性化/數(shù)字化產(chǎn)品的“工業(yè)4.0”［1］時(shí)代是當(dāng)代中國制造業(yè)的發(fā)展方向，是中國裝備制造業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵奮斗方向。而現(xiàn)在國內(nèi)機(jī)床產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)主要依靠傳統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)以及采用類比法研究，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力普遍不足。本文的產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)理念能夠促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)新，輔助設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)其高端、前沿的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)、材料利用效率、產(chǎn)品功能和形態(tài)設(shè)計(jì)所帶來的高利潤(rùn)附加值。

本文從目前影響產(chǎn)品創(chuàng)新的諸多因素出發(fā)，結(jié)合設(shè)計(jì)方法學(xué)，提出產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)相關(guān)基本原則，并通過植牙機(jī)床創(chuàng)新升級(jí)的實(shí)際案例簡(jiǎn)要闡述產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

1 產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)原則

1.1 影響產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的主要因素

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一個(gè)認(rèn)知學(xué)習(xí)的過程，在常規(guī)之外尋求問題的解決方法。在創(chuàng)新的過程中有很多阻礙，創(chuàng)意是設(shè)計(jì)師通過不斷的思索并克服了種種思維和心理障礙之后，結(jié)合設(shè)計(jì)資源孕育而生的。分析影響產(chǎn)品創(chuàng)新的因素，主要包括三個(gè)方面：現(xiàn)有同類產(chǎn)品的影響、思維慣性和復(fù)雜的設(shè)計(jì)資源。

1.2 產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)原則

1.2.1 實(shí)用創(chuàng)新

產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)對(duì)創(chuàng)作靈感進(jìn)行導(dǎo)向，去除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的約束，使設(shè)計(jì)師靈光迸發(fā)得到設(shè)計(jì)精美又易于實(shí)現(xiàn)的工業(yè)產(chǎn)品。以新材料在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例，產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)在熱塑性、防水性、抗壓性、抗變形性和抗疲勞性等方面建立起全面的材料性能評(píng)價(jià)體系。如以單位材料在單位時(shí)間內(nèi)接受單位能量或一定能量所產(chǎn)生的物理化學(xué)變化程度將其分為10個(gè)等級(jí)，并對(duì)每個(gè)等級(jí)加注相關(guān)實(shí)例，使設(shè)計(jì)師對(duì)每個(gè)等級(jí)所能達(dá)到的實(shí)際效果一目了然。當(dāng)設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)用途篩選材料重要性能并進(jìn)行性能等級(jí)需求選擇，將滿足設(shè)計(jì)用途的材料從海量材料庫中調(diào)出，使材料性能導(dǎo)向落在實(shí)處。

新材料實(shí)用性創(chuàng)新可以通過以下兩個(gè)方面進(jìn)行：

（1）綠色環(huán)保。在2015年11月18日召開的APEC 工商領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)上，奧巴馬與馬云的談話多次提到綠色設(shè)計(jì)解決目前環(huán)境氣候問題。而綠色設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜體系和系統(tǒng)，不僅要考慮產(chǎn)品的社會(huì)需求，還需要考慮環(huán)境和環(huán)保方面的要求。這必然導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本的提高和較長(zhǎng)的產(chǎn)品研發(fā)周期［2］。

（2）輕量化。通過輕量化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅能夠大大提高對(duì)數(shù)控機(jī)床綠色制造的認(rèn)識(shí)，而且可以快速提升高速、精密數(shù)控機(jī)床開發(fā)設(shè)計(jì)、加工制造、再制造及回收利用等產(chǎn)品生命周期中的高能效關(guān)鍵技術(shù)。

1.2.2 功能創(chuàng)新

功能創(chuàng)新導(dǎo)向本著集成化、智能化、信息化的原則，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供協(xié)助。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中可將產(chǎn)品多種功能做集成化處理，使產(chǎn)品在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能［3］。而這將需要產(chǎn)品自身具備自主操作能力，即利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并將傳感器輸入的信號(hào)通過嵌入式系統(tǒng)處理反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償操作來維持系統(tǒng)狀態(tài)或進(jìn)行位移操作來更改系統(tǒng)狀態(tài)，也可稱為產(chǎn)品自身的智能化操作。操作過程系統(tǒng)狀態(tài)信息以及產(chǎn)品屬性信息可通過實(shí)時(shí)反饋裝置反饋給處理器并進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)變更或恢復(fù)。

1.2.3 形態(tài)創(chuàng)新

產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新是產(chǎn)品創(chuàng)新最直接的體現(xiàn)方式，良好的外觀造型不僅可以傳達(dá)產(chǎn)品本身的價(jià)值，還可以映射企業(yè)文化和經(jīng)營(yíng)理念。而形態(tài)創(chuàng)新需要評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來將其創(chuàng)新程度標(biāo)準(zhǔn)化。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是根據(jù)產(chǎn)品的美學(xué)特性、技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)特性、人機(jī)特性、環(huán)境特性等主要方面對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新形態(tài)進(jìn)行綜合描述，要求設(shè)計(jì)師、決策評(píng)價(jià)者全面考慮形態(tài)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)因素，客觀公平考量各個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品形態(tài)的貢獻(xiàn)和影響，避免個(gè)人審美習(xí)慣、喜好差別引起評(píng)價(jià)失誤。

2 應(yīng)用實(shí)例

本文以牙種植體多功能數(shù)控車床為例，根據(jù)產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，以驗(yàn)證產(chǎn)品創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用中的實(shí)用性。

2.1 CKD16Ⅰ（牙種植體）多功能數(shù)控車床不足

牙種植體零件部分相當(dāng)于真牙的牙根，對(duì)于整個(gè)牙齒的固定起到了至關(guān)重要的作用。牙種植體尺寸只有6mm 左右，這要求機(jī)床采用高精密數(shù)控制造工藝，以完成牙種植體的加工。目前CKD16Ⅰ（牙種植體）多功能數(shù)控車床存在以下不足：

（1）數(shù)控機(jī)床床體總體高度為1 740mm，相對(duì)身體較低。觀測(cè)窗高度低于人體實(shí)現(xiàn)高度，且觀測(cè)窗傾斜角度不夠，在觀測(cè)時(shí)人需彎腰。

（2）本機(jī)床加工類型為精密加工，但拉門的密封效果較差。

（3）由于內(nèi)部加工結(jié)構(gòu)限制，操控臺(tái)只能放置在左側(cè)?；瑒?dòng)拉門過重且向左拉動(dòng)，不符合大部分右手使用者使用習(xí)慣。

（4）由于拉門向左滑動(dòng)，控制面板線路長(zhǎng)度有限，操控臺(tái)過高。

（5）一旦發(fā)生危險(xiǎn)，操控面板過遠(yuǎn)，不能第一時(shí)間停止加工。

2.2 設(shè)計(jì)改良

2.2.1 實(shí)用創(chuàng)新

外防護(hù)罩是安全防護(hù)裝置，必須達(dá)到耐水性、耐腐蝕性及密封性等相應(yīng)的安全要求。如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)掀開門具有內(nèi)封條裝置以增強(qiáng)機(jī)床加工密閉性，同時(shí)能夠在需要時(shí)自動(dòng)開啟，內(nèi)部加工時(shí)關(guān)閉上鎖，達(dá)到了減輕工作負(fù)擔(dān)、減少安全隱患的目的。

圖1 實(shí)用創(chuàng)新示意圖

2.2.2 功能創(chuàng)新

客戶將所需要的植牙釘?shù)某叽缂靶螒B(tài)通過個(gè)人終端上傳到云端。云端再將數(shù)據(jù)傳遞到植牙機(jī)床，植牙機(jī)床確定產(chǎn)品制造完成時(shí)間及預(yù)估產(chǎn)品配送時(shí)間并將該信息反饋給客戶。制造過程中所有涉及的信息都將實(shí)時(shí)返回到云端系統(tǒng)來保證制作過程的可追溯性。

智能化植牙機(jī)床由控制芯片、3D 打印區(qū)域［4］、產(chǎn)品包裝及輸出區(qū)域組成?？刂菩酒?fù)責(zé)接收云端信息并下達(dá)相應(yīng)指令。當(dāng)尺寸形態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)床接收器后，對(duì)尺寸形狀進(jìn)行處理，建立3D 模型直接制造出產(chǎn)品。因過程中材料粉末會(huì)蔓延在機(jī)床中，因此在產(chǎn)品成型后，機(jī)床會(huì)自動(dòng)開啟空氣泵過濾機(jī)床中的空氣，而濾出的金屬粉末可循環(huán)利用。產(chǎn)品制造完畢后由包裝區(qū)域進(jìn)行塑封包裝并將產(chǎn)品相關(guān)信息貼在包裝上，等待快遞員配送。

如圖2所示，以上過程實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的一站式服務(wù)，智能植牙機(jī)床只需要工作人員及時(shí)添加包裝及原料供給便能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)接單生產(chǎn)配送。3D 打印機(jī)更能滿足不同客戶的個(gè)性化需求。考慮到個(gè)別客戶的個(gè)別需求，本文根據(jù)3D 打印原理，提出分層建模理論，將植牙釘模型分為30、50或更多層進(jìn)行建模。層數(shù)越多，模型的精確度就越高。通用型植牙釘可快速從云端庫里選擇相應(yīng)的模型，客戶只需輸入關(guān)鍵部位的尺寸即可。

圖2 功能創(chuàng)新示意圖

2.2.3 形態(tài)創(chuàng)新

改良后的機(jī)床形態(tài)如圖1、圖2所示，采用模塊化設(shè)計(jì)，更由于將機(jī)床傳統(tǒng)的刀頭夾具結(jié)構(gòu)換成3D 打印噴涂設(shè)備，使機(jī)床在體積上有所縮減，外觀表現(xiàn)更加緊湊。數(shù)據(jù)接收芯片集成在機(jī)床操作面板上，方便實(shí)時(shí)操作。外觀配色沿用了機(jī)床廠的傳統(tǒng)配色，醒目且方便操作。

機(jī)床外殼可以緊湊但靈活地容納機(jī)床的一切組件。工作人員不會(huì)受到其他機(jī)器造成的傷害。機(jī)床傾斜的角度增大，方便了檢修人員實(shí)時(shí)觀察機(jī)床工作過程。

3 結(jié)語

本文結(jié)合創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)原則，對(duì)傳統(tǒng)植牙機(jī)床進(jìn)行創(chuàng)新改良。改良后的機(jī)床更加符合智能化、數(shù)字化、個(gè)性化等原則。機(jī)床改良只是創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)理念應(yīng)用領(lǐng)域的一部分，在裝備制造業(yè)種類繁多的產(chǎn)品應(yīng)用還亟待開發(fā)。創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)理念也會(huì)隨著裝備制造業(yè)從業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)水平的豐富，逐漸羽翼豐滿。相信在未來的裝備制造業(yè)發(fā)展過程中，創(chuàng)新導(dǎo)向設(shè)計(jì)能夠成為中國智能制造的重要驅(qū)動(dòng)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.

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［3］董一巍，李曉琳.未來機(jī)床發(fā)展走向及熱點(diǎn)技術(shù)淺談［J］.航空制造技術(shù)，2015（5）：32－37.

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