機床造型設計中的人機工程

毛洋

摘 要：在工業生產領域，數控機床是一類非常重要的設備，其質量直接影響產品的加工質量。就目前狀況而言，國內數控機床存在著線條生硬、操作繁瑣等缺陷，不僅無法有效地提升工件加工的質量與效率，還可能危害流水線工人的生命財產安全。文章結合筆者工作經驗與相關理論知識，研究了機床造型設計中人機工程的應用，供有關人員參考借鑒。

關鍵詞：技術；電視藝術；電視美學

檢 索：www.artdesign.org.cn

中圖分類號：TB47 文獻標志碼：A 文章編號：1008-2832（2016）07-0105-03

Man Machine Engineering in Machine Tool Design

MAO Yang（Dalian Polytechinc University Art and Information Engineering，Dalian 116600，China）

Abstract ：In the field of industrial production， NC machine tool is a kind of very important equipment，its quality directly affects the quality of the product. Is the current situation， domestic CNC machine tools exist defects in rigid lines， the operation is complicated， not only can not effectively enhance machining quality and efficiency， also may endanger the safety of life and property of the assembly line workers. The author combined the work experience and the related theory knowledge， in this paper has studied the machine tool design in the man-machine engineering application， for the related personnel reference.

Key words ：machine tool modeling； design； ergonomics

Internet ：www.artdesign.org.cn

人機工程學自誕生以來便受到了數控機床設計界的廣泛關注，機床設計者利用人機工程學來改善數控機床運轉條件、調整機床顯示屏安裝角度等?，F階段，結合人機工程學知識所制造的數控機床不僅具備美觀的外型，性能也得到了顯著的提升。

一、人機工程學概述

心理學、人體測量學、生物力學、生理學與工程學等學科知識共同構成了人機工程學。在機床造型設計中應用人機工程學的主要目標是結合該學科理論，設計出擁有最大運轉效率、操作便利安全的機械設備。人機工程學之所以能夠實現確保人、機器以及環境系統總體性能最優化的目的，主要原因是其向設計者揭示了人、機器以及環境三者之間的規律與關系。

近年來，人機工程學的應用愈來愈廣泛，應用主要集中于工業領域。通過應用人機工程學，人們有效地提升了機器的性能、改善了工人的操作條件、減少了職業病的發生幾率。就目前狀況而言，我國工業發展勢頭較好，數控機床應用普遍，所以人機工程學應用條件良好。

二、數控機床人機系統設計目標

人機系統在數控機床中應用的基本目標便是實現“機宜人，人適機”。數控機床能夠承受巨大的工作量，在工件精度控制方面具有巨大的優勢，而相比于數控機床，人擁有活躍的思維，能夠對工作中的突發狀況做出緊急處理。在數控機床造型設計上應用人機工程學知識，就是為了加強人與機器的配合，從而最大程度地強化人機系統的總體功能并提升系統運轉效率。

人與數控機床構成和諧的人機系統，人與機器共同履行應盡的職責。人機系統中，機器負責開展高強度的運算以及工件加工工作，操作人員則負責編寫控制程序、下發操作指令以及維護保養數控機床等。

三、人機系統具體設計

（一）工作臺控制裝置設計

工作臺是數控機床的關鍵構成成分，其負責對相關工件進行加工。工作臺控制裝置是指揮機械臂運轉的“大腦”，在工作臺控制裝置設計工作中，設計者必須要考慮到操作人員手臂活動范圍等因素，力求使操作人員能夠便捷地操作工作臺。調查數據顯示，我國大部分數控機床操作人員患有腰肌勞損、腰椎盤突出等疾病，造成該現象的主要原因之一是常規的數控機床設計使得操作者長時間地處于靜態彎腰狀態中。因此，數控機床人機系統設計者應當竭力避免上述問題的發生，合理地設計工作臺臺面，充分結合人機工程學相關知識來確定臺面的高度。

通常情況下，操作人員是站立操作工作臺的，在此情況下，工作臺面應當靠近操作員的手部，如此方能避免操作人員長時間彎腰的現象出現，還能有效地防止操作人員因身體前傾而跌倒。數控機床的控制桿和手柄由杠桿以及執握柄構成，從操作條件來看，控制桿以及手柄屬于單手控制器范疇，數控機床的手柄一般在操縱力相對較小的操作環境下使用。結合人體工程學相關知識，認為在手柄轉動角度不大于手腕轉動的常規角度的條件下，工作人員的操作將更加地輕松高效。

為了最大程度地消除數控機床運行過程中手柄與操作人員手掌之間的摩擦，可以采用軸套式的手柄設計。為了提升操作人員手部的舒適性，可以采用觸感良好的軟樹脂作為手柄套的材料，也可以為操作人員發放軟樹脂制成的工作手套，從而實現對操作人員手部進行雙重保護的目的。

（二）顯示輸入面板設計

顯示輸入面板是數控機床的核心組分，負責顯示數控機床運行狀態等重要工作。顯示輸入面板的高度設計十分重要，傳統的數控機床未重視顯示輸入面板的高度設計工作，從而導致操作人員無法便捷地觀測運行數據，不僅影響了數控機床的正常運行，同時在一定程度上影響了操作人員的身體健康。

依照人機工程學理論，認為數控機床顯示輸入面板的高度應當取百分之五十的人體尺寸，即設計成操作人員平均身高的一半，事實表明，該種設計能夠有效地滿足機床操作人員的操作要求，使操作人員能夠輕松地完成數據分析、輸入等工序。為了提升面板操作的舒適性，機床設計者還需要重點考慮面板高度與操作人員肘高的適應性。如果操作人員經常性地抬高手臂以進行顯示輸入面板操作，則容易產生肌肉酸痛感，長此以往可能造成手臂肌肉血液循環不暢，所以，機床設計者需要充分確保面板與操作人員的肘高相匹配。

需要特別指出的是，應當采用可調節式面板設計，這是因為每個人的生理構造有著細微的差別，在此情況下，如果面板是固定的，即使高度設計考慮到了操作人員身高平均值、肘高平均值等因素，也難以最為有效地為每一個操作人員提供最優的工作環境。就目前狀況而言，懸掛式、分離式、貼合式以及下伸式等形式的顯示輸入面板技術實現難度相對較低、實際應用效果頗佳，因此被廣泛應用于數控機床中。每個操作人員對面板高度的要求不同，所以應當在控制面板上安裝體積與高度合理的把手，從而有效地增強操作人員的工作便利性。

由于現代化的數控機床需要執行多類加工任務，功能比較豐富，因此顯示輸入面板上分布著大量的按鍵，按鍵的大小設計工作十分重要，按鍵過大或者過小都可能導致操作效率低下甚至引發誤操作，影響數控機床的運轉效率與質量。面板按鍵尺寸大小要與操作人員手指端面積相匹配。一般來講，按鍵面積需要稍稍大于人的手指端面積。為了保障操作的準確性，按鍵的工作行程以及按壓力需要符合相關行業規范與國家標準。

為了盡量縮小顯示輸入面板的體積，按鍵的排布應當盡量緊密，但是應當注意按鍵排布不能過于緊密，否則操作人員可能在無意間同時按下兩個鍵位，如此有可能引發相關安全事故。得益于科技的迅猛進步，現階段數控機床控制面板按鍵技術得到了極大的改進，國有企業基本普及了感應式鍵盤設計，這種面板感應靈敏度非常好，并且擁有極佳的觸感，能夠顯著地增強數控機床操控工作的舒適性。

為了促使操作人員能夠更好更快地獲取收索信息，應當依照一定的原則來設計按鍵的排布，經驗表明，奇數個橫向的按鍵排列方式能夠最為有效地提升操作人員信息獲取工作的便利性與準確性。最好劃分功能鍵位區域，劃出字母鍵、數字鍵以及方向指示鍵等鍵位區域，如此能夠幫助操作人員更好地找到所需鍵位，同時有利于操作人員養成良好的擊鍵習慣。

數控機床顯示輸入面板上分布著大量的旋鈕，有的旋鈕可以旋轉一周以上，有的旋鈕只能旋轉一周以內，而有的旋鈕則無法旋轉，這類旋鈕發揮著定向指示的作用。為了便于操作人員迅速區分不同功能的旋鈕，可以在旋鈕設計中應用色彩編碼技術。依據相關技術規范可知，紅色可以用來表示停止機床運轉，而綠色則表示接通或者啟動數控機床。

為了提升操作的準確性與便捷性，數控機床面板上分布了一些符號與文字以標示鍵位的功能，如果操作環境中照明條件不佳，則操作人員將較難在短時間內準確獲取標示文字以及符號的信息，因此，建議設計者在面板鍵盤設計上采用背光技術，如此能夠顯著地改善面板操作環境，增強擊鍵的準確性與便捷性。

（三）機床開合門設計

在數控機床中，開合門是一道非常重要的設施，其能夠較為有效地保護操作人員的生命財產安全，與此同時還能發揮隔聲的效果。機床操作人員需要實時監控工作臺，為了支持這一工作，設計者應當合理設計開合門上的視窗，視窗不宜過大也不能太小?，F階段，數控機床開合門主要采用左右拖拉設計，應當確保拖拉開合門的力的大小處于合理水平。通常情況下，加工中心中的加工任務繁多、而且數控機床的體積也較大，而對于大型數控機床而言，最好增大把手的長度與開合門的尺寸。

（四）生產環境設計

現代化的數控機床操作業務對生產環境要求極高，因此要確保生產環境具備干凈整潔的特征。為了增強工作人員操作機床面板的舒適性，認為需要確保數控機床的造型與生產環境相和諧，著重突出數控機床造型的人性化特點。行為心理學相關理論指出，顏色可以影響人的行為與心理，在中國傳統文化中，紅色象征著喜悅、豐收，藍色代表著沉穩、寧靜，鑒于數控機床實際操作狀況，認為采用紅色作為機床裝飾色的方案不太實際，綜合考慮后，認為可以將藍色與綠色作為數控機床的主色調。

使用藍色與綠色來裝飾數控機床益處頗多。藍色能夠在一定程度放松人的心情，使得操作人員在輕松愉悅的環境中開展相關工作，而綠色不僅給人以清新的感受，還能有效地減緩操作人員的視覺疲勞，防止操作人員患上近視眼，有效地保護了操作人員的視力。德國是數控機床生產技術最發達的國家，而韓國DMG公司生產的一款數控機床便采用了藍綠色開合門設計，據一些機床操作人員反映，操作藍綠色的機床設備能夠放松自身的心情，從而提升了工作效率以及質量。

（五）安全防護設計

安全防護設計工作意義重大，在過去幾年中，媒體報道了許多慘烈的機床安全事故，主要原因之一是數控機床安全設計不到位，因此必須要確保數控機床的造型設計滿足相關安全標準，能夠給予操作人員一個安全舒適的操作環境。為了提升操作人員的心理安全感，數控機床的造型必須完全符合人機工程學的相關要求，要擁有飽滿的整體造型。應當高度重視數控機床的著色處理工作，主要采用藍色與綠色，如此能夠促使操作人員獲得足夠的心理安全感。除此之外，要著力于完善人機工程設計，做好造型尺寸設計工作。調查數據顯示，很大一部分機床安全事故的誘因是操作人員無意間接觸了機床的按鈕開關，所以為了保障操作人員的安全，必須要規范數控機床的尺寸設計，并將關鍵按鈕置于不易被無意碰觸到的位置上。

設計人員應當做好數控機床顯示以及控制裝置設計工作，各項設計需要充分結合操作人員的心理以及生理特點，最大程度地避免不合理設計的出現。由于操作人員需要長時間地查看顯示面板上的數據，長此以往可能會影響操作人員的視力，因此可以采用智能化面板設計，設置視力保護提醒時間。

四、如何提升數控機床造型設計工作的質量

（一）提升機床設計者的綜合素質

無論是何種工作，在其中發揮最關鍵作用的因素的“人才”，數控機床造型設計工作也不例外。通過調查走訪，發現部分機床設計者的綜合素質不高，主要表現在專業知識儲備量不足與對人機工程學知識理解不透徹上。因此，企業要對癥下藥，采取針對性措施以提升機床設計者的綜合素質。建議企業通過舉辦行業專家講座以及組織專業技能培訓活動等形式來切實地擴充機床設計者的專業知識儲備與強化其實踐設計能力，從而使其更加適應新時期數控機床造型設計工作的各類要求。

除此之外，企業應當定期派遣業績突出、學習能力強的設計者前往德國、日本等數控機床設計、制造技術成熟發達的國家學習交流，以便回國后提升設計團隊的整體綜合素質。企業可以制定合理的薪資分層制度，將機床設計人員的工作業績、工作態度以及周圍同事對其的評價等因素納入薪資考核體系當中，通過物質方面的激勵以激發設計人員的工作積極性。

（二）加快數控機床設計制造標準建設

客觀上講，我國數控機床設計與制造技術與德日等國家仍有較大的差距，除了人才保障體系方面有一定差落外，機床設計制造行業缺乏健全的技術指導體系也是造成中國數控機床整體性能落后進口德日機床的主要原因之一。鑒于上述情況，認為政府應當盡快組織專家小組，研討建立合理可行的數控機床設計與制造標準體系，從而為廣大機床設計、制造企業提供權威可靠的參考。此外，政府應當加大對中小型機床生產企業的財政補貼力度，降低這些企業的銀行貸款門檻，如此方能最大程度地促進數控機床生產行業的總體進步。

五、結語

新的發展形勢下開展機床造型設計革新工作極為必要，人體工程學在機床設計中能發揮巨大的作用，為此，廣大設計人員應當積極學習人機工程學知識，善于借鑒優秀的機床設計經驗，在實際工作中保持認真嚴謹的態度，如此方能促進我國工業的長足發展。

參考文獻：

[1] 徐鎮，張玉靜.人機工程仿真技術在車門裝焊工序中的應用[J].工程建設與設計，2016（01）.

[2] 黃芃超，谷海悅，許曉云，解嘉慈. 22°傾斜式線切割機[J].機械設計，2015（12）.

[3] 丁靜，楊雪麗.淺談機床設備外防護結構的設計問題探討[J].中國包裝工業，2013（06）.

[4]張俊竹.展示程序設計[J].設計，2013，（06）：79-81.

[5]李彤，韓鋒，李靜洪，丁建紅.基于DELMIA的導管虛擬裝配仿真研究[J].機械制造，2014（05）.

[6] 張鐵成.機床外防護設計中的人機工程仿真[J]. 制造業自動化，2014（17）.