人機(jī)工程學(xué)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為支持制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心裝備。從數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造、使用過(guò)程表明，人機(jī)關(guān)系的好壞會(huì)直接影響到數(shù)控機(jī)床性能的發(fā)揮，機(jī)床設(shè)計(jì)中涉及到人機(jī)工程學(xué)的要素，主要包括數(shù)控操作面板、把手、操作界面的色彩、操作加工區(qū)域等等，文章將依據(jù)人體工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合人體的生理結(jié)構(gòu)，探討人體工程學(xué)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，進(jìn)而使數(shù)控機(jī)床、操作者與環(huán)境相互和諧從而保障操作人員安全，同時(shí)高效開(kāi)展工作。

關(guān)鍵詞：人體工程學(xué)；數(shù)控機(jī)床；機(jī)床設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床的人機(jī)系統(tǒng)，極大地降低了人的體力勞動(dòng)，并且增強(qiáng)了人與數(shù)控機(jī)床之間的信息交流，如機(jī)床設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)直接影響到數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行以及操作者的舒適性，甚至?xí)＜暗讲僮髡叩娜松戆踩?。人機(jī)工程學(xué)就是根據(jù)人體結(jié)構(gòu)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)的特點(diǎn)，進(jìn)而研究人、數(shù)控機(jī)床與環(huán)境三者互相作用的關(guān)系，從而能夠有效地降低機(jī)床使用中的人為差錯(cuò)，發(fā)揮人和機(jī)器各種的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 人機(jī)工程學(xué)在機(jī)床軟件界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

軟件是數(shù)控機(jī)床應(yīng)用系統(tǒng)中重要的組成部分，是控制系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，其用戶界面直接影響著數(shù)控機(jī)床的工作效率和效果。數(shù)控機(jī)床軟件界面的人機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.1 色彩與圖形的合理應(yīng)用

界面上使用顏色可以更好地進(jìn)行提示操作，還能緩解操作者的視覺(jué)疲勞。所用顏色一般不超過(guò) 3 種～5 種。圖形具有直觀、形象、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，在界面中使用圖形可增強(qiáng)操作的可理解性及易學(xué)易用性。操作界面的色彩要給人一種舒適感，減少色彩對(duì)人眼睛的刺激，避免操作過(guò)程中產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，出現(xiàn)操作失誤，通常采用灰色系。界面各功能分區(qū)的合理與否也直接影響機(jī)床的操作，應(yīng)使各功能區(qū)域按照人的生理和心理特征設(shè)計(jì)，便于操作。

1.2 字體設(shè)計(jì)

在同一個(gè)操作界面中，顯示的字體在形式上不應(yīng)有太大的變化，在字體的選用上應(yīng)該以簡(jiǎn)潔、清晰、可識(shí)別性強(qiáng)的字體。

1.3 界面風(fēng)格設(shè)計(jì)

軟件人機(jī)界面在不同的系統(tǒng)之間以及應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部，都要具有相似的界面外觀、布局、人機(jī)交互方式及信息顯示格式等。一致性的設(shè)計(jì)有助于操作者學(xué)習(xí)、熟悉機(jī)床的操作，可以有效減少使用時(shí)的出錯(cuò)率。

2 人機(jī)工程學(xué)在機(jī)床硬件界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對(duì)操作者而言，數(shù)控機(jī)床的人機(jī)界面可以劃分為三個(gè)區(qū)：監(jiān)控區(qū)、操作區(qū)、工作處理區(qū)。監(jiān)控區(qū)是顯示比較集中的區(qū)域，操作區(qū)是人完成主要操作的區(qū)域，工作處理區(qū)是裝卸工件的區(qū)域。這三個(gè)區(qū)在結(jié)構(gòu)、功能上構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的單元，監(jiān)控區(qū)和操作區(qū)組合為一個(gè)單元，成為控制區(qū)，集成在一個(gè)控制面板中。

2.1 工作處理區(qū)域設(shè)計(jì)

由于數(shù)控機(jī)床為自動(dòng)加工設(shè)備，操作者在工作處理區(qū)域的工作主要就是工件的裝卡與加工狀態(tài)的觀察。

①機(jī)床門、觀察窗與把手?，F(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床基本上在工作處理區(qū)域都采用防護(hù)門封閉式加工的方法，這既保證了操作者的安全，也增強(qiáng)了數(shù)控機(jī)床的整體感。機(jī)床門的尺寸，首先要滿足操作者裝卡工件的功能要求，因此在通常情況下機(jī)床門打開(kāi)時(shí)的寬度大于工作臺(tái)的寬度。根據(jù)機(jī)床加工尺寸的不同，大型數(shù)控機(jī)床多采用雙開(kāi)門的結(jié)構(gòu)，小型數(shù)控機(jī)床通常采用單開(kāi)門設(shè)計(jì)。

為了便于觀察工件加工進(jìn)度，門上都安裝鑲有玻璃的觀察窗。不同類型的機(jī)床觀察窗由于功能的差異，其尺寸大小差別較大。由于主軸運(yùn)動(dòng)范圍較大，加工中心的觀察窗較大；而車床由于需要觀察加工范圍較小，因此觀察窗較小。觀察窗高度以人體“立姿眼高”為依據(jù)，其高度和大小要保證把人的最佳視野包括在內(nèi)，以便觀察。

把手有豎式安裝和橫式安裝兩種類型。目前，數(shù)控機(jī)床門多以左右推拉式開(kāi)合，因此采用把手豎式安裝有利于人手左右運(yùn)動(dòng)時(shí)施展推拉力。橫式安裝把手的設(shè)計(jì)有三個(gè)關(guān)鍵尺寸：把手的直徑，應(yīng)當(dāng)以人體尺寸中的“手長(zhǎng)”為依據(jù)設(shè)計(jì)，一般要求截面直徑尺寸為 10mm～20mm，優(yōu)先選用 12mm～18mm 直徑的把手。直徑過(guò)粗或過(guò)細(xì)都不利于人手抓握和施力；把手的界面形狀，現(xiàn)在常用的機(jī)床門把手界面多為圓形，方形也有少量應(yīng)用；把手的安裝位置，要保證操作者在舒適操作高度（立姿肘高）附近能夠抓握到把手。大型機(jī)床的把手可以設(shè)計(jì)得長(zhǎng)一些，以滿足不同身高的操作者需要。

②操作區(qū)域設(shè)計(jì)。機(jī)床的操作區(qū)域（即工作臺(tái)）是對(duì)工件進(jìn)行處理的區(qū)域。操作者需要在加工前裝上零件毛坯，加工完成后取下零件。操作區(qū)域的控制裝置（如手柄、控制桿）整體布置要考慮手臂活動(dòng)及手操縱的最佳范圍，使操作者伸手可及。由于數(shù)控機(jī)床操作一般為立姿工作，考慮到實(shí)際工人操作時(shí)，軀干需要向前傾斜以接近工件，因此工作臺(tái)面的操作高度可小于人體尺寸立姿肘高。由于人站在床身外進(jìn)行操作，工作臺(tái)面離手不能太遠(yuǎn)，以免使操作者“被迫”以較大角度前傾彎腰。這種姿勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間維持會(huì)帶來(lái)不適，且會(huì)降低操作精度。操縱空間要保證門拉開(kāi)后的空間寬度至少要大于人的雙肩寬。因?yàn)椋顺叽邕€需要考慮工人身體可能擺動(dòng)的富裕量。

2.2 顯示面板的人機(jī)設(shè)計(jì)

①人眼視區(qū)。在顯示裝置設(shè)計(jì)及安裝上要注意與人的視覺(jué)特性相符合，在控制面板的尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和顯示裝置布局時(shí)要充分應(yīng)用人的最佳視區(qū)和有效視區(qū)。如在人的有效視野內(nèi)，按照目光巡視規(guī)律顯示信息，可以使人在更短的時(shí)間內(nèi)正確察看顯示信息。

②顯示屏高度與人眼視線。顯示器如果是第一種安裝方式，則顯示器都是豎直固定的，此時(shí)顯示區(qū)域的中心點(diǎn)高度應(yīng)略低于或等于人眼的立姿眼高。如果控制面板是安裝在支撐臂上的，要保證顯示屏有一定傾角，使得操作者在觀察顯示屏?xí)r視線與屏幕垂直。

此時(shí)，如果把顯示屏設(shè)計(jì)成可調(diào)性結(jié)構(gòu)，會(huì)使其適用性大大增強(qiáng)。例如，德國(guó)著名機(jī)床廠商德馬吉（DMG）設(shè)計(jì)的可調(diào)控制面板就是非常人性化的設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)在于：顯示屏傾斜度可在5°～30°范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；DMG SOFTkeys 功能，可以為經(jīng)常使用的顯示屏內(nèi)容或操作序列隨意設(shè)置快捷鍵；鍵盤傾斜度可在 15°～70°范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)控機(jī)床外罩色彩人機(jī)分析與設(shè)計(jì)

色彩能夠?qū)θ说那榫w以及心理產(chǎn)生一定的影響，科學(xué)地調(diào)整數(shù)控機(jī)床的色彩，能夠通過(guò)對(duì)操作人員心理的影響效用而提高工作效率。因而，數(shù)控機(jī)床的色彩是上淺下深的，進(jìn)而能夠使人產(chǎn)生安定的感覺(jué)，而且機(jī)床加工過(guò)程中易產(chǎn)生較多的切屑，切削會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的整潔，下部的深色調(diào)能夠保障數(shù)控機(jī)床的美觀整潔。此外，隨著數(shù)控機(jī)床的不斷發(fā)展，色彩的運(yùn)用得到了很好的體現(xiàn)，為了增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的美觀性，也會(huì)在外部設(shè)置不同色調(diào)的裝飾物，以使操作者的心情愉悅，而且為了提高了數(shù)控機(jī)床的安全性能，對(duì)于一些警示標(biāo)示也會(huì)采取一些醒目的色調(diào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床的人性化設(shè)計(jì)，不僅能夠滿足于操作者的應(yīng)用需求，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的美觀特性的展示以及發(fā)揮較高的效能也具有一定的價(jià)值功用，根據(jù)人體的基本生理結(jié)構(gòu)、身高比例等特征對(duì)調(diào)整數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效地增強(qiáng)人與數(shù)控機(jī)械設(shè)備之間密切的信息交流的關(guān)系?？傊?，人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠有效地促進(jìn)“人-機(jī)器-環(huán)境”三者的和諧發(fā)展的關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介：馮光勇（1981-），男，寧夏銀川市人，寧夏中衛(wèi)大河機(jī)床有限責(zé)任公司工作，主要研究機(jī)床設(shè)計(jì)和企業(yè)管理。