基于人機工程的加工中心設計綜述
文章預覽：備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試！隨著對加工中心的要求越來越高，國內(nèi)外學者對加工中心設計中的人機因素進行了大量的研究，研究領域涉及加工中心造型、加工中心顏色等。加工中心設計的過程一般分為六個階段:原理設計、概念設計或初步設計、人機工程設計、結構設計、造型設計及完成產(chǎn)品設計[1]。設計過程不一定全部按照以上階段或順序依次完成,但人機工程設計必不可少。在設計加工中心時，特別是涉及到安全的部分都應該適應全體人員，但是出于經(jīng)濟考慮，一般只選擇占總人數(shù)90%的人加以考慮，同時希望剩下10%的人也能適應機器，或者對有可能操作的人員通過選擇加以限制。其佘不涉及安全因素的地方以第50百分位的人體尺寸作為設計依據(jù)[3]。而完成加工中心的尺寸設計就要參考這些數(shù)據(jù)[4]。1加工中心造型設計與人機工程人機工程學是實現(xiàn)人機交流的重要橋梁，在機床設計中起到非常重要的作用。Hafiz[5]等人發(fā)現(xiàn)，如果加工中心設計與操作者的物理尺寸、能力和極限不匹配，最終可能會導致操作者遭受職業(yè)傷害，可見人機工程在加工中心設計中至關重要的地位。1.1控制面板的造型設計控制面板是加工中心的重要組成部件之一，是操作者與加工中心進行交互的工具。整個加工中心的運作絕大部分體現(xiàn)在控制面板上，這使得操作者需集中精力把控整個操作的環(huán)節(jié)。為使操作者在最舒適的情境下操作加工中心，控制面板的設計要充分考慮操作者的立姿眼高，保證操作者在操作時不需要頻繁地低頭或抬頭，減輕頸部活動量。在人水平視線上下30度和垂直視野左右各15度的范圍內(nèi)，是顯7K器放置的最佳位置[6\孟祥旭[7]等總結了人的幾種姿勢下的最佳視野垂直角度（圖1)，視距保持在500 mm以內(nèi)。馮光勇[8]等人發(fā)現(xiàn)，當顯示面板安裝在支撐臂上時，為確保使用者觀察時視線與屏幕垂直，面板要有一定的傾角?當顯示面板豎直固定時，顯示屏的中心點高度應小于或等于人的立姿眼高[8]。如果面板設計成可調(diào)節(jié)的結構，其實用性將大大提高^具體采用哪種安裝方式，需以加工中心整體造型和功能要求為依據(jù)。韓衛(wèi)國[9]等人研究表明，當精工面板垂直地面時，最佳按鍵區(qū)的范圍和手的活動范圍密切相關。為便于操作，最佳按鍵區(qū)域應該比立姿肘高略高，而要低于立姿眼局，最終，定義最佳的按鍵區(qū)域為II53?I568 mm(圖2)。當精工面板傾斜安裝時，手部活動范圍受到影響，從而最佳的按鍵區(qū)為974?1408 mm(圖 3)。Muthukumar[1°]等人發(fā)現(xiàn)，機器顯7K不當會導致頸部不適，面板控制器不當會導致肩膀和手臂不適^顯示面板上有大量按鍵，其尺寸要與操作者手指端面積相適應。通常來說，按鍵要略大于人體手指端面積，過小容易引起誤操作，過大會增加面板面積。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，按鍵最小尺寸長度應為10 mm，較適宜尺寸長度為19 mm，最大尺寸長度為25 在具體設計時，還應以實際情況為準。按鍵的分布應以功能為原則進行區(qū)域排布，各區(qū)域間要有明顯的界限[12]。毛洋[13]等人研究發(fā)現(xiàn)，最能有效提升操作者信息獲取的精準性和便利性，是奇數(shù)個橫向按鍵排列的方式[13]。顯示面板的版式有矩形型、V型、U型、展開U型、半圓型和半球型，這不僅關乎美觀，更直接影響操作。開窗式表盤誤讀率偏低，不同直徑的圓盤認讀速度和錯誤率也不同。指針的形狀有三角形、梯形、三角形變形體、梯形變形體等多種形狀，不同形狀給人帶來不一樣的視覺感受，但是都必須以認讀方便為準則。1.2加工中心把手的造型設計把手在加工中心設計中至關重要，把手的造型和安裝位置都要考慮人機工程學的因素。為方便操作者使用，把手應與人手的尺寸相適應，這樣才能提高作業(yè)者的舒適性與效率性。一般將把手的長度控制在75 mm以上，以滿足操作者的使用要求。把手有豎式安裝和橫式安裝兩種安裝方式。橫式安裝把手的設計有三個關鍵尺寸:把手直徑、把手截面形狀和把手安裝位置。手握直徑應控制在10?20 mm，優(yōu)先選用12?18 mm。直徑過粗或過細，都不利于抓握和施力。把手的截面形狀一般為圓形，因為圓形握起來更舒適。把手應在立姿肘高的位置安裝。為滿足不同操作者的需要，大型加工中心的把手可以設計得長一些[8]。在設計把手時，應先確定把手的高度（圖4)，以第50百分位身高操作者作為標準。在確定好高度之后，再依據(jù)把手的操作范圍（圖5)進行設計，只有這樣，設計出來的把手才能保證操作時的精度和舒適度，使操作者舒適方便地作業(yè)。1.3加工中心觀察窗的造型設計在加工中心中，觀察窗是操作者觀察加工工件和加工中心運動的部件[14\作為加工中心正立面視覺中心的觀察窗，其造型對整體的風格有畫龍點睛的作用。現(xiàn)有的加工中心的觀察窗造型較多，多以圓角方形為主。小圓角方形觀察窗常以直線平面為主，與邊角較直硬的外防護造型相匹配。而大圓角觀察窗造型常以曲面為主，或是與較為圓滑的外防護造型相匹配。觀察窗的設計與操作者的姿勢密切相關，要從人機工程學角度出發(fā)，對觀察窗進行設計[15]。根據(jù)王云德[16]等人研究，觀察窗的設計以操作者的高度和視高為主要依據(jù)。一般來講，為保證加工中心適合不同身高的作業(yè)者，觀察窗的設計主要選取第50百分位的人體視高為依據(jù)。從人機工程學來說，人的最佳視線在水平方向15度和豎直方向25度效果最佳[16] 〇馮光勇[8]等人研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的加工中心觀察窗尺寸差異較大。一般來說，主軸運動范圍較大的加工中心，其觀察窗較大;而需要觀察加工范圍較小的加工中心，其觀察窗較小[8]。1.4加工中心門的造型設計對加工中心而言，加工中心門是加工中心造型中比較重要的一部分，如果加工中心門設計的不合理，將影響加工中心的操作性能及精度。加工中心門的尺寸，首先要滿足作業(yè)者裝夾工件的功能要求。根據(jù)王云德[16]等人的研究，為方便操作，加工中心門的尺寸要略大于工作臺的寬度。加工中心門的外廓線要與加工中心外防護正立面的輪廓線相匹配。現(xiàn)有的加工中心門按造型分為曲門、直門和折門三種，其造型的變化要符合外防護造型的變化[14]。在設計加工中心時，加工中心門的寬高度設計不僅影響加工中心的整體造型，更影響操作精度和機能，所以在設計加工中心時要對加工中心門的設計加以重視。由于加工中心的類型較多，加工中心的工作臺寬度不一，所以加工中心門的尺寸也略不相同。加工中心門分為單開門和雙開門結構。雙開門是大型加工中心或工作臺較寬的加工中心的最佳選擇，必要時可借助氣缸來控制拉門開關[17]，而單開門結構更適合小型加工中心。1.5加工中心整體造型設計目前，加工中心的造型設計是從人性化、人機工程學、美學原則等方面入手，實用、經(jīng)濟、美觀是造型設計的準則[18]。加工中心的整體造型對加工中心的合理使用、操作者的方便操作起了至關重要的作用。研究表明，各部件間的比例是外觀造型設計的主要部分之一。現(xiàn)有加工中心中使用的比例較多，常用的有：黃金分割比（1 :0. 618)、平方根比例（1 :及)等[16]。除了比例，還要注意加工中心的輪廓線設計，重視線型變化，以使加工中心美觀。目前，我國的加工中心尺寸主要有以下幾種：長2250 mm，2500 mm，3000 mm，3500 mm;寬 1370 mm;尚 1690 mm[l6]。加工中心的造型主要有兩種:第一種是輪廓線以直線為主，另一種是輪廓線以曲線為主。直線有冷靜、嚴肅的特點，曲線給人自由、活躍的感覺。在造型中，合理搭配運用直線和曲線,能讓加工中心的造型簡約中又富含感情，避免刻板。在設計時，應注意遵循“形式服從功能”和“形式表現(xiàn)功能”的原則。加工中心的外罩造型是影響整體風格的關鍵，是精工加工中心主體上主要的部件之一，從其正立面上可以分為曲面造型、直面造型和斜面造型三種類型。曲線造型給人圓潤、流暢的感覺；直面造型給人莊重、規(guī)整之感;斜面造型給人活力、輕巧的感覺。在加工中心的設計過程中，各種造型要靈活運用，使其美觀、整體、和諧。積極賦予加工中心造型友好的情感因子，是設計師不懈追求的目標之一[|9]。2加工中心顏色設計與人機工程在加工中心設計中上，使用顏色可以更好地傳達提示信息，還可以緩解操作者的視覺疲勞。但是色彩的使用一般不能超過3~5種,否則會給人雜亂的感覺，影響作業(yè)。為避免出現(xiàn)操作失誤,通常采用灰色系。通常來說，報警按鈕為紅色，表示危險;啟動按鈕為綠色，表示安全，正常運轉。在控制面板設計中，還加\了圖形的元素。圖形具有直觀、形象、信息量大的特點，廣泛出現(xiàn)在界面中，增加了設備的易學易用性。除此之外,界面中的字體設計也有要求，字體形式應保持一致,選用簡潔、清晰、識別性強的文字，避免視覺疲勞。面板上的數(shù)字至少應停留0.2 s才能被看清，所以，數(shù)字的變換速度不宜超過0.2 。并且，版面風格、布局、人機交互方式和信息顯示格式應一致，有助于作業(yè)者學習、熟悉、使用設備，并減少出錯率[8]。人眼在不同光照條件下的色彩感知力是不同的。在光線較暗的環(huán)境下，最好使用藍綠色對控制面板的信息進行顯小，反之選用橙色顯疋信息[21],,采用背光技術的面板鍵盤,不僅可改善操作環(huán)境，更可增強敲擊鍵盤的準確性，提高工作效率。需在暗中觀察的操縱面板最好呈藍綠色并配以紅光照明；反之，需在晝光下觀察的面板最好呈橙色且配以黃或黃綠光照明[22]。色彩的傳遞比形體的傳遞更迅速、強烈,其對人們的心理影響非常微妙。明快的色彩使人心情愉悅，厚重的色彩使人心情壓抑并影響生產(chǎn)效率[24]。因此，可通過色彩來提高工作效率。一般來說,加工中心的顏色下深上淺，給人安定、沉穩(wěn)的感覺。此外,在加工過程中容易產(chǎn)生切屑，下部的深色調(diào)可以減輕加工中心的臟亂感[8]。因為灰色不容易分散作業(yè)人員的注意力，所以人們在工業(yè)設備中經(jīng)常使用灰色系[25]。加工中心的底座、立柱等一般采用穩(wěn)重且不笨重的顏色，如銀灰色。為了提高加工中心的安全性能，對一些警示標志也會采用醒目的色調(diào)加以提醒。在設計加工中心時，設計者可根據(jù)信息的重要程度來選用色彩。最重要的信息選用紅色，依次可選擇黃色、橙色、綠色。但是也要注意底色的選擇，使底色與提示色在純度和明度上有明顯的對比[21 ]。特殊情況，還可以用閃爍的方式加以提醒。有關實驗表明，不宜應用過于刺激和興奮的色彩,也不能使用過于沉悶的色彩，一般可以使用純度低明度高的顏色，如銀灰色、淡藍色。而紅、黃等刺激性色彩只能小面積使用[M]。在設計加工中心外部時，為提高操作者的工作興致，會用不同的色調(diào)來進行裝飾U7]。在色彩搭配上,加工中心要給操作者整體、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、安全的感覺，保持操作者工作時心情愉悅、精力集中，滿足其心理和生理需求。3總結與展望眾多實驗與研究表明，人機因素在加工中心設計中占有舉足輕重的地位。從加工中心造型來說，控制面板與把手的安裝有了合適的位置區(qū)間，觀察窗和加工中心門的設計有了科學的尺寸依據(jù)，而在加工中心整體造型設計中,選擇合適的直線型與曲線型也會為加工中心增色;對于加工中心顏色設計而言，既要使用純度低明度高的顏色來保持操作者的注意力，又要使用色調(diào)進行裝飾以提高操作者的工作興趣。人機工程學在加工中心設計中廣泛應用，將“適用”與“美觀”、“技術”與“藝術”結合與統(tǒng)一[28],并取得了一些成績，設計出了更加人性化的加工中心。但是現(xiàn)有市面上的加工中心還是存在不足，需要進一步研究：1) 造型方面:加工中心體型巨大，線型生硬；造型大同小異，刻板、冰冷;機械感過強是加工中心共同的特點，操作不人性化。2)色彩方面：色彩單調(diào)，甚至搭配不當；色調(diào)深沉、冷漠,沒有安全感。