人机工程学在数控机床中的应用

人机工程学在数控机床中的应用 Application of ergonomics in NC 07机单 王有龙 07010428 摘要 人机工程研究的首要任务是对人的研究,而辅助与指导数控机床虚拟造型中人机工程的设计与匹 配还需要更直观的“人”参与进来。模拟各种针对机床操作过程中的人的关键作业姿势,直观地求出人机相 对位置的有关设计参数, 为合理布置人机系统提供可靠参考。同时人机工程学在机床人机界面、外罩 、观 察窗、把手、数控系统、排屑装置、水箱、油箱、电控柜、标牌等外观部件也起到了相当作用。 Abstract Ergonomics first and foremost task is to study human, and assistance and guidance of the virtual modeling of NC ergonomic design and matching of the need for more intuitive "person" involved. Simulate all kinds of machine tool operation for the key people who work in the position, directly find the relative position of the man-machine design parameters, and provide a reliable reference to man-machine system to reasonable arrangement. At the same time in the machine man-machine interface ergonomics, guards, observation windows, handles, control system, chip removal equipment, water tanks, fuel tanks, control cabinet, signs and other exterior components also play a significant role. 关键词 人机工程学 数控机床 设计 合理布置 应用 Keywords ergonomics、 NC、design、reasonable layout、application 一、人机工程学概述 人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机器和人的相互关系， 以提高整个系统工效的新兴边缘科学。人机工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力，以及 人受机器、作业和环境条件的限制。人的能力和机器的潜力很好地配合，能提高管理和控制效率。随着机 械化、自动化和电子化的高度发展，人的因素在生产中的影响越来越大，人机协调问题也就越来越显得重 要，人机工程学就是在这样的背景下创立和发展起来的。人机工程学是一门年轻的科学。人机工程学的应 用领域有电话、电传、计算机控制台、数据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海 、现代化医院、 环境保护、教育、制造业，其中在工业中已得到广泛应用。 二、NC概述 在21世纪工业发展中，NC(数控机床)已得到大范围的使用。数控机床是一种高科技的机电一体化 产品，是由数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置构成的可编程的通用加工设备，它被广泛 应用在加工制造业的各个领域。与通用机床和专用机床相比，数控机床最适宜加工结构较复杂、精度要求 高的零件，以及产品更新频繁、生产周期要求短的多品种小批量零件的生产。当代的数控机床正朝着高速 度、高精度化、智能化、多功能化、高可靠性的方向发展。数控机床的人机设计直接影响其工作效率和操 作舒适性。因为良好的人机设计，且具有引导功能，使用户感觉愉快、增强兴趣，从而提高使用效率。 三、人机工程学在数控机床中尺寸结构的应用 人机工程学就是按照人的特性设计和改进人——机——环境系统的科学。人——机——环境系统是指由共处于同一时间和空间的人与其所操纵的机器以及他们所处的周围环境所构成的系统,也可以简称为人——机系统。在这一系统中,人是处于主体地位的决策者,也是操纵者或使用者;机是指人所操纵或使用的一切物的总称,它可以是机器,也可以是设施、工具或用具等,在本文中所指的是数控机床;环境是人、机所处的物质和社会环境。人、机、环境在其构成的综合系统中,相互依存、相互制约和相互作用,完成特定的工作过程。因此对人的研究不能够孤立地进行,而应该将人放置于人——机——环境这样一个系统中进行研究。在对人进行研究的同时,对于系统的其他组成部分也进行相应的研究,以便根据人的特性和能力,来设计和改造系统。 人机系统都是为了实现人、机、环境之间的最佳匹配。人机工程学把人的工作优化问题作为追求的重要目标,其标志是使处于不同条件下的人能高效、安全、健康、舒适地工作和生活。高效,是指工作高效率与高质量的统一。数控机床造型设计中的人机关系强调的是对使用者的关注,让数控机床的设计能配合人,使人发挥最大的效能并不受到损害。它是一种注重人性需求的设计,又称为人本主义设计。在设计中首要考虑的是人的因素,如数控机床操作者生理尺寸、心理需求,数控机床对用户的要求、使用环境对用户的影响等。使数控机床用户和产品有良好的、适合的互动关系。人本主义设计的核心是使设计的产品充分符合人性要求,全面尊重使用者的人格和生理及心理需要,使人的生活更加方便、舒适和体面。人机工作的环境中,人与机器的关系在适配方面存在一定的不足,操作者需要重新进行人机关系设计,从而达到工作效率与工作安全度更高的目标。 四、人机工程学在数控机床人机界面中的应用 人机界面(Human-Machine Interface)是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入与输出。应结合心理学、人机工程学、计算机语言学、艺术设计、智能人机界面、社会学与人类学等多学科知识对人机界面设计进行研究。其发展趋势也向着更加人性化、高科技化的方向发展。数控机床的人机界面可分为软件人机界面和硬件人机界面。 1、数控机床软件界面设计原则 软件在数控机床中的作用非常重要，其用户界面直接影响着数控机床的工作效率和效果。数控机床软件界面的设计原则可归纳如下: (1) 一致性原则。 软件人机界面的一致性原则主要是指在不同的系统之间及应用系统内部具有相似的界面外观、布局、人机交互方式及信息显示格式等。一致性原则有助于用户学习机床的操作，并减少使用时的出错率。 (2) 提供信息反馈。 信息反馈是指机床对用户的操作所作的反应，它可以表明用户的操作是否为机床所接受、是否正确，以及操作的效果怎样。反馈方式可以是文本、图形和声音等。 (3) 保持界面空间布局的合理性。 界面空间的布局应简洁明了。设计师应根据对现实操作物的理解设计出能给用户带来方便的界面。例如数控钻床CNC5000V200控制系统软件的图形界面中，有三个功能独立的过程(PROCESS):OPERATE，PROGRAM，CONTROL。每个过程分别服务于系统的操作者，程序员和监控者(SUPERVISOR)。每一个过程都有自己的菜单行，在菜单行下的菜单是下拉菜单，具有自己的子菜单。子菜单可以被选择，以进行下一步的操作。 (4) 合理利用颜色和图形。 界面上使用颜色可以更好地进行提示操作，还能缓解操作者的视觉疲劳。所用颜色一般不超过3,5种。例如在数控钻床CNC5000V200控制系统软件的图形界面中，高光表示被激活的过程(PROCESS)，被激活的过程具有自己的色彩，并显示为屏幕的前景，OPERATE对应绿色，PROGRAM对应深蓝色，CONTROL对应浅蓝色。图形具有直观、形象、信息量大等优点，在界面中使用图形可增强操作的可理解性及易学易用性。 (5) 选择适合的字型和大小。 一个界面中，最好不要有太多的字型，更不宜选用字型太复杂或软弱无力的字体，越简洁清晰则辨识性越佳。例如，字符高宽比可取2?1或1?1， 以便清晰识别。 2、数控机床硬件界面设计原则 由于数控机床应用数字技术实现了对机床的执行运动顺序和运动位移的直接控制，传统机床的变速箱结构被取消或部分取消了，因而机械结构也大大简化了。数控机床的硬件人机界面的设计原则可归纳如下: (1) 机床外观色彩的设计原则。机床固定安置，工作气氛平静，因此色彩不宜过于刺激与兴奋，也不宜过于沉闷，应使操作者在工作时心情愉快。一般以纯度低而明度高的颜色为宜，不宜大面积采用有刺激和兴奋作用的色彩，但应有适当的对比效果，一般采用装饰色带、面板色及警惕色与主体形成对比。对于大型机床设备，不宜采用太浅的颜色，如略带中性灰的颜色可产生坚固有力及稳重的视觉感，同时可采用多色配置，避免整体色调较暗，达到既稳重又生动和谐的效果。有些机床形态，竖向长且有高耸、不稳定之感，为达到视觉上的稳定性，可用线条或色带对床身进行横向分割，利用分割错觉调整视觉上的尺寸比例感觉，从而增加稳定感。 (2) 机床外观尺度与比例的设计原则机床主要部件之间，以及它们与整个机床结构之间的尺度与比例，对机床造型设计来说是至关重要的。例如，在确定机床的基本尺寸时，运用了“黄金分割”的原则，机床的高度与长度之比为0.1618，使机床的轮廓更紧凑、机床各部件的尺寸关系更协调，增加了机床造型的美感。机床是以水平线作为整体布局的基准，各个部件之间均以水平线分割。水平线忌不整齐、无、无层次，要有严格的层次，要统一和协调，为机床增加精密感、规则感和稳定感。机床的垂直划分线不多，在其衬托下使机床的水平划分更加突出。垂直划分线应简明、规则、大方。此外，机床表面忌凹凸部位过多， 以防积存油污灰尘，不易清理。 (3) 机床工作台面和控制面板的布置原则主工作台面的高度应根据操作要求， 按立姿， 坐姿，坐/立 姿的操作要求进行设计。工作台面上，像手轮和摇把类的手动操纵器的设计，应根据功能和使用方式的不同，进行大小、形状、类别及位置的设计。控制面板上的控制按钮和显示仪表，应按功能区进行划分，同时满足显示-控制相合性的要求，其位置高度和布置排列应符合人机关系，使人方便操纵和观察。例如，显示仪表应尽量放置在人的水平视线向下0,30?的水平视野和人的垂直视野左右各15?的范围内。控制面板上按钮的颜色根据用途进行分类，例如，红色表示危险、停止、禁止等，可用于车床的自动报警按钮、停止按钮等。绿色表示安全、正常、运行等，如机床的启动按钮就采用绿色。工作台面上，位于操纵器上或侧旁， 用文字或符号标明其功能的标号编码， 宜用白色和黑色。 五、人机工程学在数控机床中其他方面应用 1、外罩:机床的外罩造型是影响整体造型风格的最重要因素。外罩是数控机床主体上最主要的部件，其造型的视觉冲击力和表现力直接影响人们对机床的第一印象乃至最终评判。。现有机床的外罩造型从其正立面上大体可以概括为曲面造型、直面造型和斜面造型。这三种特征的外罩造型给人的感觉各不相同。以曲面、曲线为基调的外罩造型给人圆润、流畅、活泼、亲切的感觉。以直面、直线为主的造型风格给人规整、均衡、庄重的感觉。正立面以斜面为主的造型，其面与面之间的转折变化较为丰富，给人以有生气、活力、轻巧的感觉。 2、门:机床门位于机床主体部分的正面中央，是机床造型设计的重点之一。机床门的造型要受到机床外罩正立面造型的约束，其外轮廓线要与机床外罩正立面的轮廓线相匹配。现有的造型大致可以按造型感觉分为曲门、直门和折门三种，其造型的变化要随外罩造型的变化而变化。 3、观察窗:观察窗作为数控机床正立面的视觉中心，其造型对整体造型风格的表现起着画龙点睛的作用。现有的数控机床的观察窗造型变化较多，但均要求与整体造型风格相协调。方形观察窗带有小圆角，常与以直线、平面为主，边角较硬直的外罩造型相匹配，给人以规整、精确的感觉。而带有大圆角的观察窗造型常与以曲面感觉为主的或面与面之间过渡较为圆滑的外罩造型相匹配。现有数控机床的观察窗造型已不再以方形为主，尤其是国外的数控机床造型越来越多地采用曲线造型和一些不规矩形作为观察窗的外形，以满足机床造型风格多样化的需求。 4、把手:把手虽然在数控机床外观部件中体积较小，但其造型的视觉冲击力却不小。把手的造型和安装的位置都要考虑人机工程学方面的因素，以方便操作者使用。把手的造型主要由其截面形状和外形轮廓线决定。现有机床的把手截面多以圆形为主，但方形截面把手也有少量的应用。现有的把手外形轮廓线可归纳为直、曲、折三种，每种造型可分别与不同造型风格的机床造型搭配，但要考虑风格协调问题。直把手多用于方正的机床造型;曲把手多用于曲面的造型，以体现整体形态的张力;而折把手多应用于面与面之间转折变化丰富的机床造型，形成整体风格的统一。 六、结语 机床的操作者在工作中保持舒适、自然和方便操作的劳动姿势,将有利于身体健康,有助于减轻疲劳、提高工作质量和劳动生产率。因此人机工程学这门新型学科正在迈向越来越重要的道路中。 七、参考文献 [1]丁玉兰,郭钢,赵江洪等编著.人机工程学.北京:北京理工大学出版社,1991,第1版. 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