一種面向人因的加工中心觀察窗設(shè)計方法*

彭衛(wèi)平 倪仕文 雷 金 王 慶 董豐波 劉 曉

(①武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；②武漢大學(xué)流體機(jī)械與動力工程裝備技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072；③上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200240)

加工中心是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于加工復(fù)雜工件的高效率自動化機(jī)床，它是目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一[1]。在加工中心的屏蔽門上大多有能夠識別的、有透過性的觀察窗。觀察窗是輔助操作者了解內(nèi)部機(jī)床工作狀態(tài)的重要部件，操作者監(jiān)視機(jī)床工作狀態(tài)和觀察工件加工都需通過觀察窗來進(jìn)行。這種通過直接觀察所獲取的加工狀態(tài)信息同控制面板上的顯示數(shù)據(jù)一起構(gòu)成了加工中心對個人反饋，對操作者更好的完成加工任務(wù)具有重要指導(dǎo)作用[2]。操作者對加工狀態(tài)的觀察和監(jiān)視控制十分頻繁，如果觀察窗設(shè)計不合理，會使操作者在觀察時感到不適，進(jìn)而對加工狀態(tài)信息的獲取產(chǎn)生影響，因此觀察窗的人性化設(shè)計顯得尤為重要。

在現(xiàn)有對加工中心觀察窗的研究中，李世葳[3]通過對機(jī)床外罩選用透明材料構(gòu)成觀察窗來增加機(jī)床工作區(qū)的可視性；張鐵成[4]利用Core對觀察窗進(jìn)行了人機(jī)仿真分析；范含晶[5]、孫旭東[6]通過對觀察窗結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化，使之具有較好的強(qiáng)度和透明度；藤井隆亮[7]通過為觀察窗加裝具有自動控制功能的擋板來保持觀察窗的清潔；李倩[8]基于人的視覺特征對加工中心觀察窗的尺寸展開了研究。作為一種觀察和了解機(jī)床工作狀態(tài)與工件加工情況的重要人機(jī)界面，觀察窗的設(shè)計不僅要達(dá)到“可觀察”、“能觀察”的目標(biāo)，而且應(yīng)符合人機(jī)學(xué)原理滿足“易觀察”、“宜觀察”的要求。由于目前國內(nèi)外運用人機(jī)工程學(xué)理論專門針對加工中心觀察窗的設(shè)計方法展開的深入研究還相對較少，并且缺乏相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則以及評價模型。人們在加工中心觀察窗的設(shè)計時更多注重的是功能的實現(xiàn)問題，卻很少考慮對人因(生理和心理)的影響，其宜人性等難以符合人機(jī)學(xué)要求。

本文以國產(chǎn)μ2000-630HF臥式加工中心為例，研究面向人因的加工中心觀察窗設(shè)計方法。面向人因的設(shè)計方法可以保障人在觀察時的安全前提下，同時使人能在自然舒適的狀態(tài)下實現(xiàn)對加工過程信息快速且準(zhǔn)確的獲取。在各種型號的加工中心以及數(shù)控機(jī)床的觀察窗設(shè)計中都可以從可視性、宜人性和安全性等方面出發(fā)，采用面向人因的設(shè)計方法來提高觀察窗的實用性和人性化程度。

1 加工中心觀察窗人機(jī)學(xué)設(shè)計準(zhǔn)則

在滿足觀察窗基本功能的前提下，對觀察窗進(jìn)行人機(jī)學(xué)設(shè)計，主要滿足可視性、宜人性和安全性等要求。

1.1 可視性準(zhǔn)則

可視性是指操作者透過觀察窗能夠清晰地看到機(jī)床加工過程中的各種必要視覺信息。它取決于觀察路徑上是否存在視線遮擋以及觀察者的視野范圍和視覺清晰程度。

(1)視野范圍要求

如圖1人的視野即在其頭部和眼球固定不動的情況下，其眼睛觀看正前方物體時所能看到的視覺范圍(常用角度表示)[9]。根據(jù)人機(jī)學(xué)原理，水平方向上人的雙眼視區(qū)在62°左右，人的最佳可視錐為30°即最佳視野范圍位于標(biāo)準(zhǔn)視線左右各15°的區(qū)間內(nèi)；而垂直方向上人站立時自然舒適的視線低于水平線10°，坐著時低于水平線15°，垂直方向上人站立時的最佳視野為水平線上5°到水平線下25°之間。

由圖1可得出滿足人觀察的最佳視野必要條件如下：

(1)

其中：h代表觀察窗的高度；b代表觀察窗的寬度；L1和L2分別代表觀察者眼睛至觀察窗和觀察窗至工作臺的距離；L3為工作臺視線方向的長度；B為工作臺的寬度；H為工作臺的高度。

(2)視覺清晰要求

視覺清晰度與觀察距離(L=L1+L2+L3)以及觀察窗的透明度有關(guān)。根據(jù)人機(jī)學(xué)原理，L∈[380 mm,1 500 mm]為最佳觀察視距[10]，但在實際加工中心的觀察過程中視距往往大于這一范圍。觀察視距的過遠(yuǎn)或過近都會影響觀察者的認(rèn)讀速度和準(zhǔn)確性。

通常情況下，觀察窗要求采用完全透明的材料(如玻璃)制作，但由于實際工作中存在切削液和粉塵等的作用，觀察窗的透明度往往不高。設(shè)觀察窗的不透明度為F，則觀察者的視覺清晰度G=L×F，G的值越小說明視覺越清晰。

設(shè)計觀察窗時，視覺清晰度可通過人機(jī)學(xué)工具進(jìn)行模擬仿真加以分析。如果因切削液等影響了觀察窗的透明度，可增設(shè)觀察窗清潔裝置(如自動高壓清洗，手動擦拭等)。如果觀察距離L過大而影響了視覺清晰度，可在不影響加工過程的情況下適當(dāng)減小L2或者增設(shè)輔助觀察裝置(如視屏監(jiān)控等)[11-12]。

1.2 宜人性準(zhǔn)則

除可視性外，觀察窗的位置及大小還影響著其宜人性，體現(xiàn)了對人的生理條件和心理需求的適應(yīng)度。觀察窗的位置高度的選擇主要根據(jù)人的身高來確定。為了適應(yīng)不同操作者間的身高差異，滿足大多數(shù)操作者的使用需求，觀察窗的位置高度可以第50百分位(P50)的中國男性平均身高HP50為依據(jù)，盡可能地使觀察者在自然舒適的姿勢下滿足最佳視野對工作臺的覆蓋。

觀察窗的大小與視距、工作臺大小及最佳視野有關(guān)(如圖1)，為了使其適應(yīng)90%的操作者觀察，觀察窗高度h可以P95和P5的中國成年男子的眼高為參照，即h≥HP95-HP5。

此外，觀察空間的大小會對人的生理和心理產(chǎn)生影響。應(yīng)滿足：X≥WP95+W心，Z≥HP95+H心(實際中觀察空間的長度通常足夠大，不予考慮)。

其中：X、Z分別代表觀察空間的寬度和高度；WP95和HP95分別代表第95百分位數(shù)中國成年男性的身寬和身高；W心和H心分別代表考慮人的心理因素的觀察空間寬度和高度的修正值，基于人機(jī)工程學(xué)原理，W心和H心分別取值為320 mm和280 mm[13]。

1.3 安全性準(zhǔn)則

安全性是指觀察窗所具備的防護(hù)能力。為了防止切屑以及冷卻液等飛濺物對操作者造成傷害，保障人在操作機(jī)床時的安全，觀察者在觀察窗前應(yīng)保持一定的安全距離L1，并根據(jù)需要采用相應(yīng)的防護(hù)措施。在防護(hù)裝置設(shè)計時，應(yīng)按GB22997-2008使其在結(jié)構(gòu)上能承受預(yù)計的最大沖擊能量。觀察窗的材料及結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其防護(hù)能力，表1給出了相應(yīng)的安全設(shè)計參考依據(jù)。

表1 觀察窗材料、安全距離與防護(hù)措施

觀察窗材料安全距離L1/mm防護(hù)措施防爆玻璃<300不需要鋼化玻璃300～500大孔防護(hù)網(wǎng)普通玻璃>500小孔防護(hù)網(wǎng)

2 加工中心觀察窗人機(jī)學(xué)評價方法

2.1 評價指標(biāo)的確定

由上述設(shè)計準(zhǔn)則，可取3個一級評價指標(biāo)和8個二級評價指標(biāo)，作為加工中心觀察窗的人機(jī)學(xué)評判依據(jù)。

(1)可視性指標(biāo)(E1)。E1={E11,E12,E13}，其中E11代表視覺可達(dá)；E12代表清洗措施；E13代表視覺清晰度。

(2)宜人性指標(biāo)(A1)。A1={A11,A12,A13}，其中A11代表尺寸大?。籄12代表安裝位置；A13代表觀察空間。

(3)安全性指標(biāo)(Q1)。Q1={Q11,Q12}，其中Q11代表安全距離；Q12代表防護(hù)能力。

2.2 評價模型的構(gòu)建

首先建立評價指標(biāo)的評語集。根據(jù)一般評價原則，本文采用優(yōu)、良、一般、差、極差5級評語對加工中心觀察窗進(jìn)行評判，各級評語分別對應(yīng)的得分范圍為{90～100,80～90,60～80,40～60,0～40}。其評價等級和對應(yīng)的評語集如下：

(2)

基于上述設(shè)計準(zhǔn)則和評價指標(biāo)建立了觀察窗的評價模型，如表2的評價模型給出了上述各級評價指標(biāo)的等級取值及評判依據(jù)。

2.3 權(quán)重的確定

采用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)確定加工中心觀察窗各級評價指標(biāo)的權(quán)重的過程如下[14-15]：

(1)分析待評價問題。將待評價的問題分解為若干相關(guān)的評價因素，然后根據(jù)這些因素之間的相關(guān)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行主次分析，確定各個因素之間的隸屬關(guān)系。本文將加工中心觀察窗人機(jī)學(xué)的評價指標(biāo)分為兩層共8個指標(biāo)。

(2)構(gòu)建評價模型。根據(jù)各個評價指標(biāo)之間的隸屬關(guān)系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。臥式加工中心觀察窗人機(jī)學(xué)評價模型如表2所示。

(3)建立比較判斷矩陣。根據(jù)各級評價指標(biāo)對于上級指標(biāo)的貢獻(xiàn)度，對所有同級評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要度分析，得到評價指標(biāo)的重要度比值矩陣，即為判斷矩陣。在層次分析法中為了使評價指標(biāo)定量化和無量綱化，最常用的評價指標(biāo)標(biāo)度為Satty提出的1～9標(biāo)度法[16]。但該標(biāo)度區(qū)分過細(xì)，往往會出現(xiàn)兩評價指標(biāo)之間的重要性程度無法明確界定的情況，而且當(dāng)某一層評價指標(biāo)過多時，會導(dǎo)致邏輯性錯誤，出現(xiàn)標(biāo)度把握不準(zhǔn)并丟失信息的情況。為了克服9級評價指標(biāo)主觀性過強(qiáng)的問題，本文將評價級數(shù)縮減到3級，同時3級評價標(biāo)度也避免了進(jìn)行一致性檢驗的問題。具體的評判標(biāo)度及其含義如表3所示。

(4)層次單排序。層次單排序需要計算判別矩陣R的最大特征值λmax所對應(yīng)的特征向量ξ，然后對特征向量ξ進(jìn)行歸一化處理，得到的數(shù)值可對應(yīng)到每個評價指標(biāo)的權(quán)重。本文利用Matlab軟件計算出每個判別矩陣的最大特征值λmax所對應(yīng)的特征向量，歸一化后得到各指標(biāo)的絕對權(quán)重，然后將絕對權(quán)重?fù)Q算成相對權(quán)重并構(gòu)造權(quán)重矩陣W。二級指標(biāo)權(quán)重矩陣W=[w1,w2,…,w8]，各指標(biāo)權(quán)重如圖2所示。

表2 加工中心觀察窗人機(jī)學(xué)評價模型

一級指標(biāo)二級指標(biāo)各等級和分值的評判依據(jù)名稱代號名稱代號優(yōu)(v1)90分～100分良(v2)80分～90分一般(v3)60分～80分差(v4)40分～60分極差(v5)0分～40分可視性E1視覺可達(dá)E11視覺路徑上基本無遮擋根據(jù)柵格大小以及金屬網(wǎng)的寬度對視線影響分級清洗措施E12有高效自動的清洗裝置對清洗裝置的清洗能力和效率以及操作難易程度進(jìn)行綜合評價分級無清洗裝置視覺清晰度E13G的值小于1200(L單位為mm)G的值小于1400(L單位為mm)G的值小于1600(L單位為mm)G的值小于1800(L單位為mm)G的值大于1800(L單位為mm)宜人性A1尺寸大小A11長不小于434mm,寬不小于268mm若不滿足長不小于434mm,寬不小于268mm,則根據(jù)美觀性、協(xié)調(diào)性、及用戶觀察的視野范圍等進(jìn)行評價分級。安裝位置A12P5～P95的人群方便觀察P10～P90的人群方便觀察P20～P80的人群方便觀察P30～P70的人群方便觀察P40～P60的人群方便觀察觀察空間A13其大小滿足:X≥WP95+W心Z≥HP95+H心WP95≤X≤WP95+W心HP95≤Z≤HP95+H心WP95≤X≤WP95+W心/2HP95≤Z≤HP95+H心/2WP95≤X≤WP95+W心/3HP95≤Z≤HP95+H心/3X≤WP95Z≤HP95安全性Q1安全距離Q11安全距離大于500mm安全距離大于400mm安全距離大于300mm安全距離大于200mm安全距離小于200mm防護(hù)能力Q12使用高強(qiáng)度的防爆玻璃使用鋼化玻璃加金屬防護(hù)網(wǎng)格使用鋼化玻璃,但無金屬防護(hù)網(wǎng)格使用普通的玻璃加金屬防護(hù)網(wǎng)格僅使用普通玻璃且無金屬防護(hù)網(wǎng)格

表3 判斷矩陣的標(biāo)度及其含義

標(biāo)度含義1表示兩個評價指標(biāo)具有相同的重要性5表示一個評價指標(biāo)比另一個評價指標(biāo)重要9表示一個評價指標(biāo)比另一個評價指標(biāo)重要得多倒數(shù)評價指標(biāo)a與b比較得分為x,則指標(biāo)b與a比較得分為1/x

2.4 綜合評價過程

模糊綜合評價是一種比較客觀的評價方法，其在確定評價指標(biāo)權(quán)重時實際采用的也是層次分析法的原理。其基本評價步驟如下[17-18]：

(1)確定評判指標(biāo)集

由隸屬度函數(shù)確定各評判對象對評語集V的隸屬度。對某個指標(biāo)可得其隸屬度矩陣Ri=[ri1,ri2,ri3,ri4,ri5]反應(yīng)指標(biāo)Ui對某一評語等級vj(j=1,2,3,4,5)的隸屬程度。

(2)確定評判矩陣R。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)造隸屬度函數(shù)μvi(x)，其表達(dá)式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

通過上述設(shè)計準(zhǔn)則由專家給出各指標(biāo)的評分x，再由隸屬度函數(shù)確定各評判對象對評語集V的隸屬度。對某個指標(biāo)Ui(i=1,2,…,8)可得其隸屬度矩陣Ri=[ri1,ri2,ri3,ri4,ri5]，rij反應(yīng)指標(biāo)Ui對某一評語等級vj的隸屬程度。每個指標(biāo)Ui都對應(yīng)于一個隸屬度矩陣Ri，將i個評價指標(biāo)的隸屬度矩陣組成一個總的評判矩陣R。

(8)

(3)綜合評判

每個指標(biāo)Ui都對應(yīng)于一個隸屬度矩陣Ri，將i個評價指標(biāo)的隸屬度矩陣組成一個總的評判矩陣R。將通過層次法得出的權(quán)重矩陣W和總評判矩陣R作模糊變換得到綜合評判矩陣B。綜合評判矩陣B：

(9)

式中：i為指標(biāo)個數(shù)；“°”為模糊合成算子，在這里取加權(quán)平均型M(?,⊕)算子。

最后，對評價集中的評級進(jìn)行賦值，可以得出一個綜合性的數(shù)值，對觀察窗進(jìn)行等級評定。各等級賦值為：v1=1，v2=2，v3=3，v4=4，v5=5。將評判矩陣B中每個隸屬度與對應(yīng)的評價等級值做綜合計算，可得加工中心觀察窗的總評價等級值S：

(10)

3 應(yīng)用實例

3.1 630HF加工中心觀察窗的改進(jìn)設(shè)計

以國產(chǎn)大型臥式加工中心μ2000-630HF的觀察窗為例進(jìn)行改進(jìn)與評價，其觀察窗由矩形門上的金屬柵格和其內(nèi)側(cè)緊貼著的一層玻璃組成。其實物照片如圖3所示。

根據(jù)上述設(shè)計準(zhǔn)則在滿足觀察窗的基本功能下對觀察窗進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1)將矩形門以及觀察窗的大小從670 mm×1 350 mm和450 mm×1 058 mm改為670 mm×1 730 mm和450 mm×1 438 mm。即將矩形門和觀察窗的長度增加了380 mm，增大了觀察者上下的視野范圍。

(2)對觀察窗的位置進(jìn)行調(diào)整降低矩形門離臺階的高度(原矩形門下?lián)醢暹^高為1 280 mm，根據(jù)心理裕量優(yōu)化后下高為900 mm)可方便觀察者進(jìn)入檢查。

(3)將矩形門和觀察窗整體向左移使門把手距離右邊操作臺的至從80 mm優(yōu)化到120 mm，使操作者的觀察空間增大，并且防止開門時手被夾到。

(4)為縮短觀察距離增加觀察的視線清晰度，在不影響機(jī)床功能的前提下，將觀察窗至工作臺中心的距離從830 mm縮短為750 mm。

(5)在原有觀察窗的基礎(chǔ)上增加一個可旋轉(zhuǎn)的小觀察窗，在加工過程中此觀察窗可以細(xì)致地查看加工中心內(nèi)部工作狀態(tài)，通過翻轉(zhuǎn)玻璃板，方便對玻璃板上冷卻液的清除，從而清楚地觀察到機(jī)床內(nèi)部加工情況。

(6)為同時滿足P5到P95的中國成年男性離小觀察窗0～400 mm之間的最佳可視范圍，通過計算得該觀察窗的寬度取214 mm，長度取346 mm；觀察窗的形狀為黃金矩形(短邊與長邊之比為0.618)并且將觀察窗的位置設(shè)計在矩形門的正中間，即觀察窗和矩形門整體上下以及左右對稱，使整體符合形式美法則。觀察窗的形狀和布局設(shè)計如圖4所示。

(7)由于可旋轉(zhuǎn)的矩形小觀察窗前面去除了金屬柵格的安全防護(hù)，為保證操作者的工作安全，選用符合GB 15763.2-2005的鋼化玻璃作為材料以保證操作人員的安全性。

3.2 630HF加工中心觀察窗的人機(jī)學(xué)評價

將630HF的三維實體模型導(dǎo)入Jack，并在中國人體數(shù)據(jù)庫中選取P50中國成年男性虛擬人體模型，建立改進(jìn)前后觀察窗的虛擬仿真觀察效果，其對比如圖5所示。

運用上述人因仿真分析以及設(shè)計準(zhǔn)則和評價模型分別對改進(jìn)前后觀察窗各指標(biāo)進(jìn)行專家評分，評價對比結(jié)果如表4所示。

表4 630HF觀察窗改進(jìn)前后各項指標(biāo)評價結(jié)果

指標(biāo)名稱代號改進(jìn)前改進(jìn)后評分評語評分評語視覺可達(dá)E1175一般98優(yōu)清洗措施E1235極差86良視覺清晰度E1376一般87良尺寸大小A1197優(yōu)97優(yōu)安裝位置A1294優(yōu)95優(yōu)觀察空間A1386良94優(yōu)安全距離Q1155差96優(yōu)防護(hù)能力Q1274一般85良

由隸屬度函數(shù)μvi(x) 及表4的評分結(jié)果，經(jīng)過計算確定優(yōu)化前后的總評判矩陣R1和R2。

由圖2得出二級指標(biāo)的權(quán)重矩陣W。

已知總評判矩陣R和二級指標(biāo)權(quán)重矩陣W，由公式(9)分別計算出優(yōu)化前后綜合評判矩陣B1=[0.055 08,0.079 56,0.414 34,0.308 75,0.142 18]，B2=[0.454 02,0.395 82,0.150 06,0,0]，從而可知μ2000-630HF臥式加工中觀察窗對于各評價等級的隸屬關(guān)系，并由公式(10)計算總評價等級值S1=3.403 08，S2=1.695 84，綜合評價結(jié)果對比如圖6所示。

由圖6中各指標(biāo)的隸屬度可得觀察窗改進(jìn)前的評價等級為一般(v3)，改進(jìn)后的評價等級為優(yōu)(v1)。由上述信息對比可直觀地看出改進(jìn)后的觀察窗在各方面的性能上都有了明顯的提高。

4 結(jié)語

根據(jù)上述研究和實例應(yīng)用可以得出如下結(jié)論：

(1)面向人因的加工中心觀察窗設(shè)計主要遵循的是可視性、宜人性和安全性等原則。其中可視性指操作者透過觀察窗能夠清晰地看到機(jī)床加工過程中的各種必要視覺信息；宜人性指觀察者在自然舒適的姿勢下滿足最佳視野對工作臺的覆蓋；安全性是指觀察窗所具備的防護(hù)能力。

(2)加工中心觀察窗人機(jī)學(xué)評價指標(biāo)主要包括：可視性、宜人性、安全性3個一級指標(biāo)，以及視覺可達(dá)、清洗措施、視覺清晰度、尺寸大小、安裝位置、觀察空間、安全距離、防護(hù)措施8個二級指標(biāo)。它們之間既有區(qū)別又有聯(lián)系，采用層次分析法和模糊綜合評價方法比較符合實際。

(3)在實例應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，運用了面向人因的觀察窗設(shè)計方法，在視覺可達(dá)、清潔措施和防護(hù)能力等方面都有了明顯的改善。該方法不僅可保證產(chǎn)品的功能即“可觀察”目標(biāo)的實現(xiàn)，而且能滿足“宜觀察”的要求，使產(chǎn)品具有良好的宜人性。

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