數控機床設計的人性化探討

【摘 要】人性化設計是工業設計研究中一個非常重要的課題，對人性的關懷是每個工業設計師不變的追求。在數控機床的設計中，設計師應以人機工程理論為指導，充分考慮如何讓使用者掌握數控機床的操作，解決諸如程序設計、人機對話、心理負荷、故障診斷和處理、系統安全以及社會心理等問題。這是數控機床人性化設計的關鍵，也就是如何設計出和諧的人機系統，創造一種良好的人機互動。

【關鍵詞】數控機床；人性化設計；人機工程

0.前言

在數控機床設計中，追求高技術、高精度、高效率和自動化是目的之一，而不是全部。工業設計師必須著力研究其使用者越來越高的精神需求和越來越強的個性表現，基于人的需求去創造數控機床的新形象，這也是現代工業設計價值的新拓展。數控機床的人性化設計就是在人機工程理論的指導下，探討和應用人的行為、能力、本能極限和其他的特性來對數控機床進行設計，創造一種良好的人機互動關系。如何讓使用者掌握數控機床的操作，解決諸如程序設計、人機對話、心理負荷、故障診斷和處理、系統安全及社會心理等問題，是數控機床設計的關鍵，也就是如何設計出和諧的人機系統。

1.數控機床系統的功能分配與人機匹配

1.1功能分配

在人機系統中，充分發揮人、機各自的特長，長短互補，以達到系統整體的最佳效率與總體功能，這是人機系統設計的基礎。人機功能分配建立在對人、機特性的分析比較基礎上。在數控機床使用中，指令程序編制、系統監控、維修排除故障，應付突發事件等工作由人承擔；而數控機床則承擔速度快、精密度高、規律性、長時間的重復操作，以及高級運算、危險、笨重方面的工作。隨著科學技術的發展，在人機系統中，人的工作將逐漸由機替代，促使人逐漸從各種不利于發揮特長的工作崗位上得到解放，從而更加安全、舒適[1]。

1.2人機匹配

在復雜的人機系統中，為使系統總體效能最優，必須在機械設備與操作者之間找到最優組合，達到最佳人機匹配。選擇最有利于發揮人的能力，提高人的操作可靠性的匹配方式來進行設計，能減輕人的負擔，改善工作條件，提高工作效率。如在數控機床控制與顯示裝置的設計中，必須研究人的生理和心理特點，了解感官功能的極限能力以及使用時可能出現的疲勞累積，以保證人機的最佳協調。隨著人機系統現代化程度的提高，腦力作業及心理緊張性作業負荷加重，留下事故發生的隱患。隨著計算機技術的發展，人機配合、人機對話將進入新的階段，使人機系統形成一種新的組織形式：人與智能機的結合，人類智能與人工智能的結合，人與機械的結合，從而使人在人機系統中處于新的地位 J。因此，在數控機床設計中，必須實時考慮人機匹配。

2.數控機床的人機界面分析

人機界面是人與機器之間傳遞和交換信息的媒介，是計算機科學、心理學、設計藝術學、認知科學和人機工程學的交叉研究領域。包括硬件界面和軟件界面。數控機床的軟件界面是應用軟件的界面，具有一定的程式化特征，因此，本文主要研究數控機床的硬件界面。

2.1顯示輸入面板的人機分析

數控機床的顯示輸入面板是人與機床之間信息交流的主要平臺。進行設計時，除考慮技術設計問題外，還應注意以下幾點：

（1）面板的位置面板的空間位置必須適合使用者觀察、認讀和進行輸入操作。一般情況下，面板應固定在床身的某一側，并能多角度、多位置調節，使任何身材的使用者在任何位置都能方便舒適地操作和觀測，保證較高的觀察精度和輸入效率。

（2）數顯的方式、字形、時間這部分屬于軟件界面。顯示的數字應由左向右橫讀，且各個數字的間隔不宜太大。顯示位數應按顯示精度的需要確定。現今數控機床的顯示屏大多為液晶屏，顯示數碼筆劃由點或短橫線組成，視需要而定，數字用短橫較好，字母或漢字用密集的點較好。每個數至少應停留0.2s才能被看清，因此，數字的變換速度不宜超過0.2s。

（3）輸入方式為整體美觀和清潔的需要，輸入鍵盤大多采用超薄或感應式的，其觸感要好，感應靈敏度要適中，這需要在材料和工藝上多做考慮。各功能鍵的排布和尺寸在設計時也要根據人的生理特征做好仔細思量，要符合人們的習慣，常用的鍵應相對大一些，便于辨認。

2.2控制裝置的人機分析

機床的操作是通過控制裝置（如手柄、手輪、按鈕等）來實現的，它們負責把操作者發出的即時指令傳遞給機床的執行環節，為此，控制裝置的設計和布置必須按人肢體的活動范圍、肌力大小及生理特點來考慮。

（1）手柄和控制桿它們都是單手控制器，由執握柄和杠桿組成，不同的只是手柄的杠桿較短，控制桿的杠桿較長。因此，手柄常用在操縱力較小，位置較近的場合-4J。執握柄的形狀主要依據手部的生理結構和用力大小來確定，而杠桿部分現在多用長度可調的。

（2）手輪和搖把它們都是旋轉器，可做多圈連續旋轉，適合做連續性的操作，如機床罩的開關。

（3）旋鈕旋鈕分為指示型和調節型兩種。指示型旋鈕的轉動角度小于360。其偏轉的角度位置有重要的信息意義，為避免誤操作應標示清楚。調節型旋鈕一般做多圈轉動，可用于調整機床的工作參數，其工作阻力較大，周邊常設計成凸棱或淺槽，以防操作時打滑。

2.3觀察方式與工作區顯示

機床的工作區是指刀具對工件進行切削加工的部分。在數控機床上，它能直觀顯示刀具的切削、破損、冷卻、潤滑、排屑情況以及工件的尺寸和形狀等，n-r狀況信息。在這里視覺器官起主要作用，這部分的機床罩要選用透明材料。[2]

3.數控機床的色彩宜人性

色彩在產品設計中蘊含強烈的人性化藝術魅力。實驗表明，人在看物體時，最初20s內，色彩的成分占80%；2rain后，色彩占6o%，形體占40%；5min后，色彩和形體各占50%，以后這種狀態將持續下去。由此可見，色彩在造型效果中起著重要作用。對于機床來說，其色彩要給人以舒適、高雅、清新的感覺。不宜過分灰暗與單調，也不宜過分艷麗與凌亂，一般采用大面積低純度的色彩統一全局，再選用小面積的高純度色彩使之活躍變化，采用中性色來聯系過渡，從而達到調和統一的目的。數控機床是精密設備，色彩力求單純，一般2～3色為宜，色彩越簡潔醒目，整體感越強。以沉著、樸素、純度不高的色彩為主，點綴以亮麗的色彩，使色彩單純而不單調，沉靜而不沉悶，這樣的用色溫馨、含蓄、耐看，既反映數控機床精密的功能特征，又可使使用者在操作中感覺環境舒適，機器親切，從而精神愉快、穩定而集中。

4.結語

數控機床人性化設計的優劣反映了人一機之間情感的協調程度，也是影響操作者心理情緒及生產效率的重要因素之一。對于設計師而言，通過設計，使其功能、材質、結構、色彩、線形、比例、尺度等構成優良產品造型的種種因素，能與人們的經驗感觀及精神性需求高度和諧，即與產品形象的傳遞與社會認知、人文崇尚、公德觀念等社會意識相聯系，使操作者在對產品的視、觸、嗅、聽等運作的全過程中，能將具體的物轉化為抽象的、機能的、觀念的、序列化和關系化的信息，從而得到準確的感應與傳遞。 [科]

【參考文獻】

[1]季晨，王俊民.人體參數與機床操縱裝置設計[J].現代制造工程，2006.

[2]歐靜，趙江洪.基于色彩調和理論的數控機床色彩評價研究[J].包裝工程，2007.