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，但是出于經濟考慮，一般只選擇占總人數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[3]。而完成加工中心的尺寸設計就要參考這些數據[4]。1加工中心造型設計與人機工程人機工程學是實現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]等人發現，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節。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，是顯7K器放置的******位置[6\孟祥旭[7]等總結了人的幾種姿勢下的******視野垂直角度（圖1)，視距保持在500 mm以內。馮光勇[8]等人發現，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節的結構，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。韓衛國[9]等人研究表明，當精工面板垂直地面時，******按鍵區的范圍和手的活動范圍密切相關。為便于操作，******按鍵區域應該比立姿肘高略高，而要低于立姿眼局，最終，定義******的按鍵區域為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******的按鍵區為974?1408 mm(圖 3)。Muthukumar[1°]等人發現，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。根據實驗數據顯示，按鍵最小尺寸長度應為10 mm，較適宜尺寸長度為19 mm，******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域排布，各區域間要有明顯的界限[12]。毛洋[13]等人研究發現，最能有效提升操作者信息獲取的精準性和便利性，是奇數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。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，對觀察窗進行設計[15]。根據王云德[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。一般來講，為保證加工中心適合不同身高的作業者，觀察窗的設計主要選取第50百分位的人體視高為依據。從人機工程學來說，人的******視線在水平方向15度和豎直方向25度效果******[16] 〇馮光勇[8]等人研究發現，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，首先要滿足作業者裝夾工件的功能要求。根據王云德[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******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。為避免出現操作失誤,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。面板上的數字至少應停留0.2 s才能被看清，所以，數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、沉穩的感覺。此外,在加工過程中容易產生切屑，下部的深色調可以減輕加工中心的臟亂感[8]。因為灰色不容易分散作業人員的注意力，所以人們在工業設備中經常使用灰色系[25]。加工中心的底座、立柱等一般采用穩重且不笨重的顏色，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加以提醒。在設計加工中心時，設計者可根據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，會用不同的色調來進行裝飾U7]。在色彩搭配上,加工中心要給操作者整體、協調、穩定、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間，觀察窗和加工中心門的設計有了科學的尺寸依據，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，甚至搭配不當；色調深沉、冷漠,沒有安全感。