数控机床造型设计的应用研究

2011-02-14张颖泽

装备制造技术 2011年5期

张颖泽

（天津工业大学机电学院，天津300160）

机床是支撑制造业的关键基础装备，是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，是发展机器制造业以至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产力要素，又是重要商品。数控机床是主导性的机床产品，数控机床的造型设计是具有典型性和代表性的，研究它的造型设计有重大的理论价值和现实意义。

1 机床和数控机床的概念

机床是对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面品质的机器。机械产品的零件，通常都是用机床加工出来的。机床是制造机器的机器，也是能制造机床本身的机器，这是机床区别于其他机器的主要特点，故机床又称为工作母机或工具机。机床包括金属切削机床、木工机床、特种加工机床和锻压机械。

数字控制机床，是用数字代码形式的信息，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。零件加工程序输入专用或通用计算机，经过运算后发出信号，控制执行机构，驱动机床工作台或刀具进行加工。

2 机床的造型设计

机床造型设计，既不是工程技术设计，又不是单纯的美术设计，其为工程与美学艺术的有机结合。其以机床设计为主要对象，而且重点研究与机床造型有关的工程技术问题，与造型形式美表现的密切结合问题，和造型设计构思表现的方法与技能。其探讨如何应用造型设计原理，达到机床的科学性与艺术性的统一，研究如何应用造型设计原则和法则，处理特定条件下各种产品的结构、功能、材料、工艺、宜人性、市场经济和造型的关系，并且创造性地将这些因素协调地表现在机床的结构和造型上，最后创造出既具有某种物质功能又有精神功能，而且适应时代审美要求的产品，以满足物质、精神文明需要。

机床造型设计，注意了美学艺术与工程技术的结合，因此，在产品设计中很注重产品与人的关系。不论产品的使用、操作、色彩、质地、材料与工艺，都追求使用功能的合理，而且追求使用的舒适宜人，以达到使用者心情舒畅、精神饱满和提高效率的目的。此外，机床造型设计对于老产品的更新换代，具有加速变革的积极作用。经过合理的造型设计，改变其外观，使其具有新颖适时的造型款式，既可以延续老产品的寿命，又会创造更高的经济效益。现代化的社会离不开现代化的工业产品及环境，而它又必然是先进科学技术与现代艺术的高度综合，表现出具有时代风貌的科学性与艺术性。

3 数控机床的造型元素分析

从设计的角度来看，由于设计风格的改变，产品设计造型元素也在发生变化。19世纪的现代主义时期，现代主义者在造型元素和表现上是致力于一种非个人的，能够以工业化方式批量生产的，代表工业社会特征的新设计。20世纪前期，伊顿、康定斯基等重点研究了造型形式中有规律性的东西，形——点、线、面、体(方、三角、圆)，以及色彩、明暗、质地等，从中找出规律而加以应用，这是这个时期的现代主义造型元素。

数控机床造型设计，不是单纯意识形态的概念和抽象的艺术表现问题，首先必须有先进的科学技术、结构、材料、工艺等物质条件，才能实现产品的功能目的，达到性能可靠、技术先进、使用方便、宜人和经济合理的要求；同时要构成具有美的形象要求的产品，必须应用美学法则、形态构成法则和色彩功能与配置等技术美学原理，去表现机床的艺术性和精神功能。这几个方面是数控机床造型缺一不可的基础组成部份。所以，数控机床产品族基因的构成元素分析，也包括了功能、物质技术以及美学方面。

4 数控机床构成元素的提取与对比

产品族基因通过遗传沉淀为产品特征，产品族是一些具有大量相同或相似特征产品的统称，基于一个或数个产品平台而设计，所以其功能元素和物质技术元素有很大的遗传性，产品所保存的共性大多也体现于此。所以，对数控机床的构成元素进行提取分析，主要是基于功能元素与物质技术元素的基础上，其美学元素及宜人性元素的分析与研究。对于数控机床构成元素的属性表述，就是对产品族基因的获取过程。

4.1 数控机床整体形态特点

随着数控技术的发展，机床的自动化、智能化程度提高，省去繁琐的手柄、手轮等操作部件，复杂的变速机构也简化了，所以整体性好。数控机床的整体性风格一般包括如下两种造型方式：造型具有“块”感（形感、体积感）的清晰性和统一性，各“块”的组合，十分严谨和富于韵律，主要用于结构受到限制的大型机床，例如大型龙门式加工中心。

由于数控机床设备为求平整简洁，以及便于加工，多采用直线型。线型风格应统一，但也应该在同一中求得变化，线的曲直结合、斜直结合，造成动静结合、刚柔相济的视觉感，使线型活泼多变。造型中如果将造型物的轮廓线和结构线主要采用平行和垂直的方式组织，造型物的形态则获得方正、简洁、刚直和稳定的视觉效果，线型方向的选择要求与功能要求相一致，并与整体外形相协调。造型中这种以直线为主的平行或垂直排列方式组织线型，如处理适当也易获得线型的节奏感，取得调和、对比、呼应、统一及变化的艺术效果。但过分单纯的运用这类线型组织形式，也显得比较呆板生硬，缺乏生动活跃的动感。所以，形态设计中部分轮廓线和结构线，可以按一组或多组射线的方式进行组织，造型物的形态则易获得既简洁、刚直、稳定的视觉效果，又达到线型生动、活泼，具有一定动态感的艺术效果，同时还可以增强造型物的体积感和空间感。

4.2 数控机床的构成造型特点

构成造型形体大轮廓的几何线型要大体一致，达到线型风格的协调统一。除构成形体的主要线型要调和外，主要或突出的辅件线型也要与之协调一致。例如，以小圆角、直线条为主的造型产品，在选用手轮或操纵把手等辅助件时，也应采用方形、小圆角和直线，使它们与主体的线型风格协调一致。

4.3 数控机床的色彩元素

色彩元素是数控机床造型设计的一个重要构成元素。数控机床产品作为具有特定功能以及结构特点的一类机械产品，其色彩元素具有这种产品的个性，但同时也符合美的设计原则。数控机床色彩设计与产品的形态、结构、功能要求达到和谐统一，是配色成功的重要标志。

（1）色彩元素之主色及配置。数控机床主色调，一般是采用纯度和明度适中的冷色调、浅色调或暖色调为宜。采用二色配置，是很多机床所采用的色彩配置模式，一般的处理手法是上明下暗、上轻下重、上虚下实，或在中部施以与主色调对比较大的色带，以取得丰富而生动的色彩效果，色彩比例一般符合美学设计原则，实用中通常处理为2:3、3:5、5:8等序列。

（2）色彩元素之平衡性。色彩的对称，为保持色彩平衡的一种方式，给人以庄重、大方、稳重、严肃、安定、平静等感觉，但也易产生呆板、平淡、单调、缺少活力等不良印象。色彩均衡是形式美的另一种构成形式，为非对称状态，但表现出相对稳定的视觉心理感受，这种形式最能适应大多数人的审美要求，是选择配色的常用手法。

（3）色彩元素之节奏性。数控机床的色彩设计，是有节奏性可循的，通过色彩的聚散、重叠、反复、转换等，在色彩的更动、回旋中形成节奏、韵律的美感。渐变性节奏，是数控机床中应用较多的一种，将色彩按某种定向规律作循序推移系列变动，渐变性节奏有色相、明度、纯度、冷暖、补色、面积、综合等多种推移形式。

4.4 数控机床的材质元素

材质元素作为对人之五感都有影响的特殊媒介，在数控机床构成元素中占据了重要的角色，成为了一种全新的并极具表达力的设计语言。一方面，材质的物理特性及其表现性因素被引发并用来表达设计作品的内在意蕴时，则会与作品更好的融合在一起，传达出作品的深层内涵和魅力。另一方面，材质虽为物质形态本体，但却具有人格化的生命特征，有其个性和情感表达，对材质性格有深入的把握，方能达到对设计语言完美应用。