機床造型設計中的人機尺寸應用研究

但 鵬 劉 耀 薛艷敏

（1.秦川集團西安技術研究院有限公司，西安 710018；2.西安理工大學 藝術與設計學院，西安 710018）

人機尺寸是人機工程學理論重要的組成部分，是人體測量學、人體生物力學和人體感知與信息處理3方面在人機設計中的具體應用。機床造型設計相較于普通機械造型設計更加復雜，其人機尺寸從整個加工系統、整機外部延伸到內部，需要從人-機床-環境的統一整體進行設計創造[1]，以人為本進行符合當代審美的機床造型設計[2]，通過一系列的人機尺寸優化，提升人機交互體驗，進而為機床產業帶來長期的鏈狀價值。

1 數控機床中的人機尺寸

1.1 整體系統的人機尺寸

數控機床整體系統指數控機床加工單元和多輔機單元的組合形態。數控機床加工單元即機床，是生產加工的主體；輔機單元包含多種設備，如電箱、操作箱、液壓裝置、刀庫、油冷機、排屑器、變壓器及靜電吸物等，可根據功能需求進行選型組合。不同的機床類型，配備的輔機單元存在很大差異。整體人機尺寸主要指加工單元與輔機間布局的合理性。加工單元與輔機單元的空間位置關系應符合《工作系統設計的人類工效學原則》（GB/T 16251—1996）中給出的工作空間設計的一般性原則。例如，排布整體布局時，部分輔機應避開人員操作區，給操作區預留出適合該位置操作方式的合適尺寸。另外，輔機間的排布在遵循以人為本的基礎上應以輔機操作頻率為依據，一般操作頻率越高，設計順序的優先級越高。

數控機床整體系統的視覺尺寸應遵循設計幾何學中的黃金比例原則，實現各部分與整體之間協調的秩序美。在摒棄華而不實的裝飾后，統籌功能部件間的距離是實現協調美的主要途徑。例如，某臥式加工中心布局如圖1所示，它整體采用矩形布局，大立柱所在位置剛好位于矩形分界處，將整體劃分為加工區和非加工區兩部分。加工單元被輔機單元環繞，加工區位于正方形中心，整體布局簡潔分明，輔機單元各部分互不干擾且方便操作。這樣既滿足了功能需求，又實現了協調的秩序美。

1.2 機床加工單元的人機尺寸

數控機床加工單元中涉及的人員操作區域均包含相應的人機尺寸，主要分布在加工位正門和操作箱區域。結合國家標準《中國成年人人體尺寸》（GB/T 10000—1988）人體尺寸標準表和設備及用具的高度和人體身高的關系尺寸表[3]，可計算出相應位置的近似取值。設備及用具的高度和人體身高的關系尺寸表如表1所示。

表1 設備及用具的高度和人體身高的關系尺寸表

產品設計所涉及的尺寸分為3種類型。第一，Ⅰ型設計尺寸，指在設計中需要兩個人體百分位數作為設計尺寸的上限值和下限值的產品設計尺寸。第二，Ⅱ型設計尺寸，指在設計中只需要單個人體百分位數作為設計尺寸的上限值或下限值。Ⅱ型設計尺寸包含了ⅡA型設計尺寸ⅡB型設計尺寸。ⅡA型設計尺寸即大尺寸設計，也被稱為包容空間設計尺寸。ⅡB型設計尺寸即小尺寸設計，也被稱為可及距離設計尺寸。第三，Ⅲ型設計尺寸，也被稱為平均設計尺寸。

加工位正門有打開和關閉兩種狀態。當門處于打開狀態時，門把手所處位置與相鄰邊框的距離參照手寬尺寸，取值為GB/T 10000—1988標準中18～66歲年齡段女性手寬第50百分位的ⅡB型小尺寸76 mm。 門把手的粗細應符合人舒適抓握的粗細程度，因為合理的把手直徑能夠提升抓握舒適度[4]。通常，把手直徑選擇Ⅲ型設計尺寸為30～40 mm，同時選擇圓弧面把手，以增加把手握感的舒適度。同理，可得操作箱旋轉把手的直徑。門把手所在高度（文中高度均指距地面距離）應符合手部施力最佳范圍，根據設備及用具的高度和人體身高的關系尺寸表中“能發揮最大拉力的高度”的3/5的比例關系，采用18～60歲年齡段第50百分位身高數值1 678 mm計算得出把手中心施力點高度約為1 000 mm，同時把手的人機尺寸應該滿足視覺人機要求。綜合考慮后，可將門把手擴大成范圍型把手，以滿足門與把手視覺比例的均衡。

雙開門和單開門打開后的尺寸被稱為凈開門尺寸。在滿足最大加工工件放入的基礎上，需具備人能夠通過門進入機床內部的功能，完成對機床內部檢修的目的。所以，凈開門尺寸不得低于ⅡA型肩寬大尺寸，即486。

當門處于關閉狀態時，雙開門把手間間隙不得小于30 mm。門窗和側面觀察窗大小至少應滿足能夠清楚看到機床內部目標可視區，所以設計尺寸應選擇雙限值Ⅰ型設計尺寸，即門窗高度尺寸上選擇窗口下高度低于女性立姿眼高第50百分位1 454 mm，窗口上高度高于男性立姿眼高第50百分位1 568 mm，得出取值區間為小于1 454 mm且大于1 568 mm。寬度取值結合窗口與所在板面的比例選擇功能與美學相適應的合理尺寸。

數控機床操作箱操作頻率為間歇性操作，非長時間作業。通過訪談，工人反饋簡易的操作過程為“打開機床門，放入毛坯件，關閉門，運行程序”。工件加工無需頻繁設定加工程序，從程序庫中選擇與加工零件所匹配的加工程序即可。

操作箱區域涉及的人機尺寸中包含視覺人機和觸覺人機兩方面。視覺人機中，視點高度應與顯示區中心對齊，以GB/T 10000—1988標準中18～66歲年齡段身高第50百分位1 678 mm為基準，結合設備及用具的高度和人體身高的關系尺寸表中“直立姿勢眼高”的11/12的比例關系得出視點高度約為1 467 mm。

操作箱的分區通常以按鍵或圖標、顏色、功能3方面為標準。色彩在操作控制面板、設備表面處理以及編碼方面具有優勢[5]。常規工況下，同一類型圖標或按鍵設計成相同大小。顏色選用對比明顯且長時間操作不引起視覺疲勞的色彩。在相同大小的按鍵中存在特別提醒的按鍵時，可通過亮色突顯。緊急制動類按鍵應采用大體積和亮色彩雙重突顯，同時為防止出現操作困難或影響效率的情況[6]，位置設計在視覺最明顯、遠離常規操作區域且在操作可及域內，以便提高應對緊急情況時操作的容錯率。

觸覺人機中，水平操作箱高度設計根據設備及用具的高度和人體身高的關系尺寸表中“采取直立姿勢時工作面的高度”的6/11的比例關系得出高度數值約為915 mm。數控機床垂直操作箱與人眼之間的視距應為小于500 mm。以視點高度1 467 mm為基準，操作箱整體區域應位于立姿視點水平線上夾角30°至下夾角40°范圍內，且顯示區中心區應設定在立姿視點水平線下夾角10°。該角度符合站姿時自然視線舒適區范圍。

1.3 數控機床人機尺寸表與隱性價值鏈

根據機床人機尺寸，結合功能修正量，進行數控機床人機尺寸表繪制，結果如表2所示。

表2 數控機床人機尺寸表（單位：mm）

機床是市場化的產品，其宏觀的發展模式遵循現代產品發展的規律，即愈發重視端到端的用戶體驗。在機床造型設計中，用戶體驗不單單是操作者的個人體驗，而且是在產品發展過程中與產品或服務交互前后來自感知層、認知層與行為層的綜合反映[7]。設計中人機尺寸的優化提升了多用戶的體驗感受，同時能夠帶來持續的隱性價值。持續的隱性價值串聯形成隱性價值鏈，并最終形成良性循環的產業環。隱性價值鏈圖如圖2所示。

2 滾刀復合磨床造型設計

2.1 滾刀復合磨床布局設計

MGK6432滾刀復合磨床是陜西省“智能制造”科技重大專項項目，是從用戶需求入手，針對滾齒刀具磨削工藝要求設計的具備刀具前刃面和鏟磨齒形的專用高精度數控磨床，能夠提高滾齒刀具的加工精度和加工效率。

通過對數控機床造型設計中人機尺寸的研究，得出相應的人機尺寸表，根據表格內數據設計MGK6432滾刀復合磨床造型。MGK6432滾刀復合磨床造型整體布局圖如圖3所示，部件及功能區分布圖如圖4所示。

不同設計因子之間存在一種穩定的相互轉變形式時，能使產品整體形態或系列產品之間產生統一、協調的效果[8]。從整體布局圖和部件及功能區分布圖可以得知，整體系統布局與加工單元中主要操作位均符合人機尺寸數據，且各操作位置均預留合理空間。根據設計幾何學中矩形布置，各部件形成的設計因子成統一調性。加工單元中的加工區X軸及電箱連接位分別位于矩形左側和右側黃金分割比處，Y軸與正門位于布局的中軸線上，布局清晰分明，蘊含著設計幾何學獨特的秩序美。

2.2 加工單元正面設計與設計效果圖

如圖5所示，正面設計圖中Logo位置位于豎直黃金分割線位置，視覺上給人美的感受，同時起到了突出標識的作用。在實際工況中，正面操作區有墊板，所以操作箱涉及的人機尺寸均根據墊板修正量進行修正，以滿足符合人機尺寸舒適度的要求。范圍型把手增大了握把位的范圍，同時能夠和整體風格融為一體。三色燈位于水平右側黃金分割線頂部，保證操作位工人和遠處工人能夠及時觀測加工狀態。

3 易忽視的人機要點

通過MGK6432滾刀復合磨床造型設計與車間調研發現，機床造型設計中人機尺寸設計要點存在被忽略的情況。

3.1 操作箱背板的安裝打開方式

常規操作箱背板通過螺釘安裝，電氣工程師在調試過程中需要反復打開關閉。由于鈑金加工誤差較大，背板上的孔位與操作箱上的孔位并不能實現完全軸心對齊，導致多顆螺釘需要全部安裝后才能進行螺釘緊固，大大增加了不必要的操作時長。此外，操作過程的煩瑣也易導致用戶變得煩躁。為解決這一問題，在MGK6432滾刀復合磨床的操作箱造型設計中，采用鉸鏈搭配平面鎖的方式實現操作箱背板的快速開關，極大地提升了電氣工程師的調試效率，同時改善了用戶體驗。設計前后對比如圖6所示，圖6（a）為常規操作箱背板，圖6（b）為滾刀復合磨床背板。

3.2 走線槽對應的走線方式

數控機床的走線方式多為穿線結構。在MGK6432 滾刀復合磨床的走線槽設計過程中發現，穿線結構在面臨穿插多線束和高頻次穿線時便捷性很差，增大了走線的難度。為解決這一問題，提出一種U形走線槽的設計方式，即打通以往穿線蓋板間的連接板，通過焊接在外罩殼上的U字形的鋼板承載線束，走線過程僅需1～2次穿線，整體按入U形槽內即可完成走線，如圖7所示。

3.3 維修門的拆裝方式及相關尺寸

常規機床維修門為至少4顆螺釘固定，拆裝耗時。MGK6432滾刀復合磨床將維修門的結構設計成下方向內斜面插入、上方螺釘緊固的結構。加工狀態下，噴濺的切削液可以通過下方斜面導流至機床內部，避免積液的同時，可有效解決安裝孔位偏心和拆裝不便的問題，提高了操作人員的效率。機床功能導致維修門打開后維修人員距加工主軸距離不在雙臂可及域范圍內，所以在操作人員雙臂承重范圍內擴大了門板尺寸，保證了操作人員進入機床內部后的空間需求。滾刀復合磨床最終設計效果圖如圖8所示。

4 結語

智能制造時代，機床造型不再是單純的防護，還是用戶與機床交互的窗口。本文通過對機床造型設計中涉及的諸多人機尺寸關鍵點的分析呈現，使得機床造型設計更加嚴謹合理，更加貼合以人為本的產品設計理念。符合人機尺寸的機床不僅提升了用戶舒適性，而且提高了機床產品的隱性價值。從產業長遠發展角度看，機床造型設計中人機尺寸的深入研究將是數控機床發展的必經之路。