基于模块化设计的聚氨酯海绵切割机结构优化研究

基于模块化设计的聚氨酯海绵切割机结构优化研究

王炜炜

（浙江王家风范海绵制品股份有限公司 浙江 嘉兴 314000）

摘要：聚氨酯海绵性状优良，广泛应用于家装、汽车、建筑、包装等领域。随着人们生活水平的提高，以及人们对更加舒适的环境的要求，近年来聚氨酯海面的需求量逐年上升。连年上升的聚氨酯海绵的需求量带来聚氨酯海绵切割机的需求量暴涨，目前市场上聚氨酯海绵切割机的竞争日益加剧。除了产品的功能要求外，聚氨酯切割机的外观结构同样是人们关注的热点，目前的聚氨酯海绵切割机结构简陋，设计不合理，导致切割机容易受到损害。并且不合理的结构设计会影响使用者的工作效率，增加生产成本，严重时会造成安全隐患。因此本文通过分析目前市面上龙门式聚氨酯海绵切割机结构尚存在的问题，将聚氨酯切割机进行模块化划分，根据人体工程学对切割机的结构进行优化，设计出具有美感，并可以提高聚氨酯海绵切割机工作效率和安全性能。

关键词：结构优化; 模块化设计; 人体工程学

1. 引言

聚氨酯海绵是一种由聚氨酯材料制成的海绵，具有良好的弹性、柔软性和吸音性能，广泛用于家具、汽车、建筑和包装等领域。在家具行业中，聚氨酯海绵被广泛应用于沙发、床垫等产品的填充材料，可以提高产品的舒适度和耐用性[1]。在汽车行业中，聚氨酯海绵被用作隔音材料和减震材料，可以提高汽车的舒适性和安全性。随着人们对生活品质和环保意识的不断提高，聚氨酯海绵的市场需求将会持续增长。聚氨酯海绵切割机是生产海绵制品的重要设备，随着市场竞争的加剧，聚氨酯海绵的外观结构逐渐成为了消费者选择产品的重要因素之一。目前国内的聚氨酯海绵切割机产品外观结构简单，结构没有充分考虑到人性化设计，涂装漆外层容易脱落，致使国内聚氨酯海绵切割机在市场中的产品正竞争力不足。优化聚氨酯海绵切割机外观结构需要从多个方面入手，包括机身材质、外观涂装、结构设计等。在机身材质方面，应选择高品质的钢材和铝材，保证机身的硬度和稳定性。在外观涂装方面，应采用高附着力和耐候性的涂料，保证机身的美观度和耐久性。在结构设计方面，应注重细节处理，如减少机身的缝隙和毛刺，提高整体的美观度。通过优化聚氨酯海绵切割机的外观结构，可以提高产品的品质和市场竞争力，同时也有助于提升企业的形象和品牌价值。

据此，本文以龙门式环形刀刃聚氨酯海绵切割机为研究对象，针对目前海绵切割机存在的结构简单、不符合人体工程学等问题，通过对切割机的整体高度进行优化，基于人体工程学设计出适合使用者操作的最佳高度，对聚氨酯海绵切割机进行模块化划分，并对切割机的横梁和立柱模块进行结构优化，最终设计出安全性高，外观具有美感，使用舒适便捷的海绵切割机。

2 目前聚氨酯海绵切割机外观结构存在问题

从外观结构上看，目前国内的聚氨酯海绵切割机缺乏精致的外观，只注重了切割机在功能上的应用，多数是基于切割机各个功能零件的产品属性进行的堆砌，其在外观结构上的设计过于简单，缺乏人性化的设计。在环形刀刃聚氨酯海绵切割机的结构划分上看，外观的主体由横梁、立柱结构、刀架结构组成。在现有的多数海绵切割机产品中，其外漆的颜色一般为蓝色或者绿色、橙色搭配，由于保养问题切割机的外层漆膜容易发生脱落，部分金属部位暴露在外侧，容易发生氧化导致锈迹斑斑。因此需要在每一部分的关键模块上进行更多的研究，对产品结构进行改进，生产更多的高品质产品供用户选用，提升用户体验。

聚氨酯海绵切割机产品目前基本上没有外壳结构，导致机器的各个零部件裸露在外积压灰层，增加机器的保养难度，减少机器的使用寿命。另外在较为潮湿的环境中进行加工工作，切割机的机械零部件容易发生氧化，导致关键零部件的更换频率加快，增加了使用成本，并且极为容易造成安全事故。

对于聚氨酯切割机产品的使用者的操作便捷性方面来讲，由于目前的聚氨酯海绵切割机多为半自动化设计，海绵切割机的操作离不开操作工人，因此工人在操作时的便利性和舒适性是切割机产品在设计师需要着重考虑的问题。用户对于产品的操作体验可以直接或间接的影响产品的外在形象和使用者的工作效率。目前聚氨酯海绵切割机的部分产品中，操作按钮杂乱且设置的高度不合理，导致操作工人的工作难度和劳累度增加。因此，针对使用者的操作便利性进行结构改进。

整体而言，现有聚氨酯海绵切割机产品的结构设计还存在有较多的问题，需要针对切割机的结构设计、人性化设计和操作便利性、以及结构检修便利性等方面进行深入研究。

3. 模块化设计研究现状

目前“模块化外观设计”多用于家具产品的设计生产中，在机械加工产品中的应用较少。由于聚氨酯海绵切割机的外观大部分由立柱、横梁、刀架等组成，因此在对聚氨酯海绵切割机的外观设计过程中势必引入“模块化设计”的概念。模块化设计是指将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统。将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。宜家（IKEA）设计了“模块”式家具设计方法，其家具都是拆分的组装件，产品分为不同模块，可分块进行设计。

何丽娜针对模块划分涉及到的划分原则、划分角度和聚类方法这三个方面关键问题，并结合前人的成果进行系统研究，为不同产品的模块化划分提供指导依据[2]。张萌提出依据复杂机械产品零部件之间存在的各种关联关系来对机械产品进行初步模块化划分的方法，计算出其最小最大划分，将关联关系紧密的部件放入同一个最大划分中组成一个初步模块，并且通过对模块内最小划分子集之间韵模糊聚类分析来确定模块划分的最终结果[3]。柳吉庆利用质量功能展开方法，提出多策略机电产品模块化划分方案，用以解决机电产品在开发过程中存在的技术进化、客制化、通用化这三种策略间的矛盾[4]。国外学者提出“自顶向下”、“自底向上”的服务模块划分和基于“顶层D”的物理模块划分这三种模块化划分方式[5]。目前使用较多的模块划分方法有：面向产品生命周期的模块化划分方法；基于产品功能的模块化划分方法；基于产品结构的模块化划分方法这三种。综上所述，随着客户对产品各方面要求的不断提高，产品的模块化设计是十分有必要的。但是整体来看，模块化设计在机械设备及普通家居用品上应用，有利于高效进行产品的结构设计和外观创新。

4. 聚氨酯海绵切割机的外观结构优化

4.1人机工程优化

以人进行操作的机械产品，其结构设计的核心应该是将使用者作为根本，在满足产品功能的基础上围绕“使用者”的使用舒适度、便捷度进行创新，以提高工作效率。现有的龙门式聚氨酯海绵切割机的尺寸多是基于生产聚氨酯海绵的尺寸进行设计，其高度对于多数的操作者是不合适的，操作者不能以最佳的站立姿势进行操作，势必会影响使用者的工作效率。常见的龙门式聚氨酯海绵切割机的操控面板在横梁里面，在对产品的高度以及操作面板的高度进行设计的时候，可以按照男性人群的中位数的人体尺寸作为参照依据。根据国标GB10000-88中规定的人机工程学的相关测量参数，并在保证海绵切割机产品的功能和安全性的基础上进行优化设计，使得工人在加工过程和操作屏幕过程中能够保证最舒适的操作姿态。因此设计以下公式：

H=P(SG+SB+QB) +G(CX+CZ+ZS)

式中H为聚氨酯海绵切割机的最小功能尺寸，P为人体尺寸（SG为身高，SB为上臂长，QB为前臂长），G为功能修正量（CX为穿鞋修正量，CZ为操作修正量，ZS为姿势修正量）。

穿鞋修正量考虑到身高、眼高、肩高、肘高、手功能高等因素，修正量：+23 cm。

操作修正量考虑到上肢前展操作，修正量：-10 cm。

姿势修正量考虑到使用者在产品设计中的立姿身高、眼高、肩高、肘高等，修正量-8 cm。

因此测得聚氨酯海绵切割机的高度最小功能尺寸为2188 mm，在实际生产中海绵切割机的实际高度设计在2100-2200 mm的范围内较为合理。

5.2 横梁模块化外观结构优化

对于复杂的产品而言，使用模块化分析的方式可以使复杂的产品简单化，在对聚氨酯海绵切割机横梁的结构进行设计的时候，需要充分考虑到切割机对横梁的刚度以及稳定性的需求。在产品设计中对操作按钮、灯具等进行设计，使其复合人体工程学。针对横梁上的操作按钮的优化，可以将按钮进行独立设计，方便使用者的统一操作，提高产品的安全性能。在整体造型方面，改变横梁主体的外观结构，将其设计为梯形结构（图1）。并且在横梁的顶端镶嵌式照明灯，横梁表面通过凹凸或者粗糙的设计丰富横梁的外表面，增加转折变化，从而产生视觉上的跳跃性。

图1 横梁的结构优化

5.3 立柱模块化外观结构优化

立柱在聚氨酯切割机结构中主要起到支撑横梁并连接其他关键部件的作用。在立柱的设计上，其支柱往往最先受到人们的关注，但是立柱与其他横梁以及其他部件之间的连接处的设计也是至关重要的。在立柱支柱的设计上（图2），突出支柱整体形态的变化，在支柱上设置多个内部凹陷的等距的散热孔，在保证散热功能的基础上增强美感。对于立柱和其他部位之间的转折处可以采用小圆角的设计，可以避免转角处过于尖锐造成的安全隐患。材质上需要提高喷漆、焊接、铸型等加工工艺，在满足立柱多样化设计的要求上，提高产品的质量，延长产品的耐用性。

图2 横梁的结构优化

5. 聚氨酯切割机模块化结构优化分析

本次改造中的立柱结构侧视图为规则矩形，正视图为梯形，参考了罗马柱的样式，上窄下宽，形态上看线条清晰，整体典雅大方，结构上看地盘稳定，极大的增加了聚氨酯海绵切割机在运行中的稳定型，增加其安全性能。支柱上设计的矩形滑轨结构，满足外观造型的同时，保证了与刀架的连接。在滑轨的外侧设计的散热孔，可以有效的将滑轨和刀刃于磨刀石摩擦过程中产生的热量及时排出，增加了机器的使用寿命。本次设计改造中的横梁部分的主体形态为直角梯形，视觉上具有一定的活跃性，打破原有的传统矩形设计带来的压抑感。横梁上部内嵌式的照明灯结构解决原有的外露式照明灯不美观的问题，并且减少了外部照明灯在工作过程中由于磕碰受损的问题。在横梁下端设计的一体式操作面板改变原有的分散式的布局方式，使使用者在操作过程中更加便捷。与分散式外露的操作按钮相比，集中式的操作面板在视觉上具有一定的美感。操作面板的设计在提升美感的基础上体现了人体工程学的设计要求，为聚氨酯切割机的使用者提供更好的操作体验。

6. 结论

传统的聚氨酯海绵切割机更为注重功能性的改造而忽略外观结构上的改造。目前聚氨酯切割机产品的外观普遍较为简陋，结构设计不合理，并且在设计的时候没有充分考虑到使用者在操作时候的便捷性，在外观上缺乏美感，甚至可以影响聚氨酯海绵切割机的安全性能。本文基于人体工程学，对聚氨酯海绵切割机的高度进行研究，最终确定切割机产品高度为2100-2200 mm是最适合工作的高度。在外观结构设计上基于模块化划分，对聚氨酯海绵切割机的横梁和立柱进行结构优化，最终设计的产品美观性高，且方便使用者操作并在一定程度上提高产品安全性，提高产品在市场上的竞争力。

参考文献

[1] Yue Zhang, Jose A. Robles-Linares, Lei Chen, Zhirong Liao, Albert J. Shih, Chengyong Wang. Advances in machining of hard tissues–From material removal mechanisms to tooling solutions [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2022, 103838.

[3] 何丽娜. 客户价值驱动的个性化产品设计理论与方法研究[D]. 上海交通大学，2016.

[4] 张萌. 基于产品族的机械产品模块化配置设计关键技术研究[D]. 国防科学技术大学，2013.

[5] 柳吉庆. 面向大批量定制产品配置关键技术与集成应用研究[D]. 合肥工业大学，2013.

[6] Hu S J. Evolving Paradigms of Manufacturing: From Mass Production to Mass Customization and Personalization[J]. Procedia CIRP, 2013, 7: 3-8.