基于人机工程的加工中心设计综述
文章预览：备注：为保证文章的完整度，本文核心内容都PDF格式显示，如未有显示请刷新或转换浏览器尝试！随着对加工中心的要求越来越高，国内外学者对加工中心设计中的人机因素进行了大量的研究，研究领域涉及加工中心造型、加工中心颜色等。加工中心设计的过程一般分为六个阶段:原理设计、概念设计或初步设计、人机工程设计、结构设计、造型设计及完成产品设计[1]。设计过程不一定全部按照以上阶段或顺序依次完成,但人机工程设计必不可少。在设计加工中心时，特别是涉及到安全的部分都应该适应全体人员，但是出于经济考虑，一般只选择占总人数90%的人加以考虑，同时希望剩下10%的人也能适应机器，或者对有可能操作的人员通过选择加以限制。其佘不涉及安全因素的地方以第50百分位的人体尺寸作为设计依据[3]。而完成加工中心的尺寸设计就要参考这些数据[4]。1加工中心造型设计与人机工程人机工程学是实现人机交流的重要桥梁，在机床设计中起到非常重要的作用。Hafiz[5]等人发现，如果加工中心设计与操作者的物理尺寸、能力和极限不匹配，最终可能会导致操作者遭受职业伤害，可见人机工程在加工中心设计中至关重要的地位。1.1控制面板的造型设计控制面板是加工中心的重要组成部件之一，是操作者与加工中心进行交互的工具。整个加工中心的运作绝大部分体现在控制面板上，这使得操作者需集中精力把控整个操作的环节。为使操作者在最舒适的情境下操作加工中心，控制面板的设计要充分考虑操作者的立姿眼高，保证操作者在操作时不需要频繁地低头或抬头，减轻颈部活动量。在人水平视线上下30度和垂直视野左右各15度的范围内，是显7K器放置的******位置[6\孟祥旭[7]等总结了人的几种姿势下的******视野垂直角度（图1)，视距保持在500 mm以内。冯光勇[8]等人发现，当显示面板安装在支撑臂上时，为确保使用者观察时视线与屏幕垂直，面板要有一定的倾角?当显示面板竖直固定时，显示屏的中心点高度应小于或等于人的立姿眼高[8]。如果面板设计成可调节的结构，其实用性将大大提高^具体采用哪种安装方式，需以加工中心整体造型和功能要求为依据。韩卫国[9]等人研究表明，当精工面板垂直地面时，******按键区的范围和手的活动范围密切相关。为便于操作，******按键区域应该比立姿肘高略高，而要低于立姿眼局，最终，定义******的按键区域为II53?I568 mm(图2)。当精工面板倾斜安装时，手部活动范围受到影响，从而******的按键区为974?1408 mm(图 3)。Muthukumar[1°]等人发现，机器显7K不当会导致颈部不适，面板控制器不当会导致肩膀和手臂不适^显示面板上有大量按键，其尺寸要与操作者手指端面积相适应。通常来说，按键要略大于人体手指端面积，过小容易引起误操作，过大会增加面板面积。根据实验数据显示，按键最小尺寸长度应为10 mm，较适宜尺寸长度为19 mm，******尺寸长度为25 在具体设计时，还应以实际情况为准。按键的分布应以功能为原则进行区域排布，各区域间要有明显的界限[12]。毛洋[13]等人研究发现，最能有效提升操作者信息获取的精准性和便利性，是奇数个横向按键排列的方式[13]。显示面板的版式有矩形型、V型、U型、展开U型、半圆型和半球型，这不仅关乎美观，更直接影响操作。开窗式表盘误读率偏低，不同直径的圆盘认读速度和错误率也不同。指针的形状有三角形、梯形、三角形变形体、梯形变形体等多种形状，不同形状给人带来不一样的视觉感受，但是都必须以认读方便为准则。1.2加工中心把手的造型设计把手在加工中心设计中至关重要，把手的造型和安装位置都要考虑人机工程学的因素。为方便操作者使用，把手应与人手的尺寸相适应，这样才能提高作业者的舒适性与效率性。一般将把手的长度控制在75 mm以上，以满足操作者的使用要求。把手有竖式安装和横式安装两种安装方式。横式安装把手的设计有三个关键尺寸:把手直径、把手截面形状和把手安装位置。手握直径应控制在10?20 mm，优先选用12?18 mm。直径过粗或过细，都不利于抓握和施力。把手的截面形状一般为圆形，因为圆形握起来更舒适。把手应在立姿肘高的位置安装。为满足不同操作者的需要，大型加工中心的把手可以设计得长一些[8]。在设计把手时，应先确定把手的高度（图4)，以第50百分位身高操作者作为标准。在确定好高度之后，再依据把手的操作范围（图5)进行设计，只有这样，设计出来的把手才能保证操作时的精度和舒适度，使操作者舒适方便地作业。1.3加工中心观察窗的造型设计在加工中心中，观察窗是操作者观察加工工件和加工中心运动的部件[14\作为加工中心正立面视觉中心的观察窗，其造型对整体的风格有画龙点睛的作用。现有的加工中心的观察窗造型较多，多以圆角方形为主。小圆角方形观察窗常以直线平面为主，与边角较直硬的外防护造型相匹配。而大圆角观察窗造型常以曲面为主，或是与较为圆滑的外防护造型相匹配。观察窗的设计与操作者的姿势密切相关，要从人机工程学角度出发，对观察窗进行设计[15]。根据王云德[16]等人研究，观察窗的设计以操作者的高度和视高为主要依据。一般来讲，为保证加工中心适合不同身高的作业者，观察窗的设计主要选取第50百分位的人体视高为依据。从人机工程学来说，人的******视线在水平方向15度和竖直方向25度效果******[16] 〇冯光勇[8]等人研究发现，不同类型的加工中心观察窗尺寸差异较大。一般来说，主轴运动范围较大的加工中心，其观察窗较大;而需要观察加工范围较小的加工中心，其观察窗较小[8]。1.4加工中心门的造型设计对加工中心而言，加工中心门是加工中心造型中比较重要的一部分，如果加工中心门设计的不合理，将影响加工中心的操作性能及精度。加工中心门的尺寸，首先要满足作业者装夹工件的功能要求。根据王云德[16]等人的研究，为方便操作，加工中心门的尺寸要略大于工作台的宽度。加工中心门的外廓线要与加工中心外防护正立面的轮廓线相匹配。现有的加工中心门按造型分为曲门、直门和折门三种，其造型的变化要符合外防护造型的变化[14]。在设计加工中心时，加工中心门的宽高度设计不仅影响加工中心的整体造型，更影响操作精度和机能，所以在设计加工中心时要对加工中心门的设计加以重视。由于加工中心的类型较多，加工中心的工作台宽度不一，所以加工中心门的尺寸也略不相同。加工中心门分为单开门和双开门结构。双开门是大型加工中心或工作台较宽的加工中心的******选择，必要时可借助气缸来控制拉门开关[17]，而单开门结构更适合小型加工中心。1.5加工中心整体造型设计目前，加工中心的造型设计是从人性化、人机工程学、美学原则等方面入手，实用、经济、美观是造型设计的准则[18]。加工中心的整体造型对加工中心的合理使用、操作者的方便操作起了至关重要的作用。研究表明，各部件间的比例是外观造型设计的主要部分之一。现有加工中心中使用的比例较多，常用的有：黄金分割比（1 :0. 618)、平方根比例（1 :及)等[16]。除了比例，还要注意加工中心的轮廓线设计，重视线型变化，以使加工中心美观。目前，我国的加工中心尺寸主要有以下几种：长2250 mm，2500 mm，3000 mm，3500 mm;宽 1370 mm;尚 1690 mm[l6]。加工中心的造型主要有两种:第一种是轮廓线以直线为主，另一种是轮廓线以曲线为主。直线有冷静、严肃的特点，曲线给人自由、活跃的感觉。在造型中，合理搭配运用直线和曲线,能让加工中心的造型简约中又富含感情，避免刻板。在设计时，应注意遵循“形式服从功能”和“形式表现功能”的原则。加工中心的外罩造型是影响整体风格的关键，是精工加工中心主体上主要的部件之一，从其正立面上可以分为曲面造型、直面造型和斜面造型三种类型。曲线造型给人圆润、流畅的感觉；直面造型给人庄重、规整之感;斜面造型给人活力、轻巧的感觉。在加工中心的设计过程中，各种造型要灵活运用，使其美观、整体、和谐。积极赋予加工中心造型友好的情感因子，是设计师不懈追求的目标之一[|9]。2加工中心颜色设计与人机工程在加工中心设计中上，使用颜色可以更好地传达提示信息，还可以缓解操作者的视觉疲劳。但是色彩的使用一般不能超过3~5种,否则会给人杂乱的感觉，影响作业。为避免出现操作失误,通常采用灰色系。通常来说，报警按钮为红色，表示危险;启动按钮为绿色，表示安全，正常运转。在控制面板设计中，还加\了图形的元素。图形具有直观、形象、信息量大的特点，广泛出现在界面中，增加了设备的易学易用性。除此之外,界面中的字体设计也有要求，字体形式应保持一致,选用简洁、清晰、识别性强的文字，避免视觉疲劳。面板上的数字至少应停留0.2 s才能被看清，所以，数字的变换速度不宜超过0.2 。并且，版面风格、布局、人机交互方式和信息显示格式应一致，有助于作业者学习、熟悉、使用设备，并减少出错率[8]。人眼在不同光照条件下的色彩感知力是不同的。在光线较暗的环境下，最好使用蓝绿色对控制面板的信息进行显小，反之选用橙色显疋信息[21],,采用背光技术的面板键盘,不仅可改善操作环境，更可增强敲击键盘的准确性，提高工作效率。需在暗中观察的操纵面板最好呈蓝绿色并配以红光照明；反之，需在昼光下观察的面板最好呈橙色且配以黄或黄绿光照明[22]。色彩的传递比形体的传递更迅速、强烈,其对人们的心理影响非常微妙。明快的色彩使人心情愉悦，厚重的色彩使人心情压抑并影响生产效率[24]。因此，可通过色彩来提高工作效率。一般来说,加工中心的颜色下深上浅，给人安定、沉稳的感觉。此外,在加工过程中容易产生切屑，下部的深色调可以减轻加工中心的脏乱感[8]。因为灰色不容易分散作业人员的注意力，所以人们在工业设备中经常使用灰色系[25]。加工中心的底座、立柱等一般采用稳重且不笨重的颜色，如银灰色。为了提高加工中心的安全性能，对一些警示标志也会采用醒目的色调加以提醒。在设计加工中心时，设计者可根据信息的重要程度来选用色彩。最重要的信息选用红色，依次可选择黄色、橙色、绿色。但是也要注意底色的选择，使底色与提示色在纯度和明度上有明显的对比[21 ]。特殊情况，还可以用闪烁的方式加以提醒。有关实验表明，不宜应用过于刺激和兴奋的色彩,也不能使用过于沉闷的色彩，一般可以使用纯度低明度高的颜色，如银灰色、淡蓝色。而红、黄等刺激性色彩只能小面积使用[M]。在设计加工中心外部时，为提高操作者的工作兴致，会用不同的色调来进行装饰U7]。在色彩搭配上,加工中心要给操作者整体、协调、稳定、安全的感觉，保持操作者工作时心情愉悦、精力集中，满足其心理和生理需求。3总结与展望众多实验与研究表明，人机因素在加工中心设计中占有举足轻重的地位。从加工中心造型来说，控制面板与把手的安装有了合适的位置区间，观察窗和加工中心门的设计有了科学的尺寸依据，而在加工中心整体造型设计中,选择合适的直线型与曲线型也会为加工中心增色;对于加工中心颜色设计而言，既要使用纯度低明度高的颜色来保持操作者的注意力，又要使用色调进行装饰以提高操作者的工作兴趣。人机工程学在加工中心设计中广泛应用，将“适用”与“美观”、“技术”与“艺术”结合与统一[28],并取得了一些成绩，设计出了更加人性化的加工中心。但是现有市面上的加工中心还是存在不足，需要进一步研究：1) 造型方面:加工中心体型巨大，线型生硬；造型大同小异，刻板、冰冷;机械感过强是加工中心共同的特点，操作不人性化。2)色彩方面：色彩单调，甚至搭配不当；色调深沉、冷漠,没有安全感。