人機工程學在數控機床耦合仿生設計中的應用研究

郝　芳

人機工程學在數控機床耦合仿生設計中的應用研究

郝芳

(新鄉職業技術學院，河南 新鄉 453000)

隨著時代的發展和科技的進步，我國有關機械工程領域的技術研究取得了巨大成就。數控機床是機械工程領域必不可缺的關鍵設備，它的設計和應用深受社會各界的關注。目前，我國數控機床設計技術與國外發達國家相比還存在差距，特別在動靜態性能和用戶個性化需求等的方面發展較為滯后，一定程度上影響了我國工業的綜合競爭力。以耦合仿生學技術為基礎，將人機工程學應用于數控機床的設計制造過程中，有利于提高數控機床整體的性能，推動我國工業向智能化和自動化轉型。

數控技術；數控機床；人機工程；耦合仿生；協同優化

1　研究現狀

1.1　人機工程設計技術的研究現狀

人機工程學是一門以技術與人之間的協調關系為研究對象的學科，強調遵從以人為本的原則，從外形、結構、功能等方面著手圍繞人的感知和體驗來進行產品的設計。近年來，我國有關于人機工程設計技術的研究成果顯著，學者們通過建立三維模型導入軟件后進行仿真，構建了相對成熟的人機工程學設計模式。在數控機床領域中，通過結合計算機技術，建立虛擬的人機交互關系，針對使用者的個性化需求和特征進行了物理層面的人性化設計，使數控機床產品操作的便捷性、簡潔性、舒適度大幅度提升，有效提高其生產效率和市場競爭力，充分證明了人機工程設計技術在數控機床設計中起到的重要作用。

1.2　機床優化設計方法的研究現狀

優化設計是以數學規劃為理論基礎，選擇數值計算軟件進行求解，最終獲得設計目標的最優解。目前優化設計已廣泛應于數控機床產品的設計之中，在優化機床的結構和關鍵參數，提升機床的動態和靜態性能方面發揮了重要的作用。意大利和加大拿的學者，采用模糊數學方法對機床主軸部件進行了優化，還通過仿真分析建立了一種可以對機床給進系統進行優化的模型，使機床優化設計的過程更為合理和高效。目前，我國有關機床優化設計方法的研究側重于通過找尋局部優化方式以實現機床整體的優化。例如結合機床動態特點和靈敏度進行數據采集分析，采用有限元法對機床的結構進行優化；采用多目標遺傳算法對加工中心進行優化，實現機床的輕量化設計；采用CAD技術完成機床給進系統的建模，以立柱固有頻率為優化目標，提升機床的抗震性。

1.3　機械仿生設計技術的研究現狀

機械仿生設計是以力學和機械學為基礎，對生物機制及生物功能進行工程分析和仿生設計，以設計和制造出結構優化、性能優越的智能型機械設備，是一門涉及工程學、生物學、信息學等學科的綜合性技術。目前，最前沿的現代機械仿生設計技術的相關研究主要集中在智能化機器人領域，在數控機床的設計制造中應用程度不高，多項技術還處于研究、試驗階段[1]。現階段，機械仿生設計技術在機床設計中的應用以提升數控機床的操作性能為目標，主要涉及構建人機交互化的友好操作環境，建立可視化的操作系統，模擬圖形加工的虛擬環境，打造智能化的工作監控系統等領域，讓數控機床具備高效能、可視化、人性化、幾何仿真等特點，以達到提升生產效率，降低生產成本的目的。

2　存在的問題

通過分析國內外人機工程學在數控機床耦合仿生技術中的應用現狀可知，雖然已積累一定的研究成果，但大部分還處于理論研究階段。目前，機床設計領域依然沿用傳統設計理念，嚴重阻礙了人機工程學技術與耦合仿生技術的融合發展，主要體現在以下方面。首先，人機工程學在數控機床耦合仿生設計中采用的是“人、機、環境”三者之間交互作用的機制，而采用傳統設計方法難以貫徹該機制所傳達的設計理念，僅僅著重于局部功能的改造，忽略了三者之間的交互關系，因此設計制造的機床產品難以真正滿足用戶的需求。其次，解決數控機床結構的多元耦合仿生機理和實現數控機床綜合性能的協同化建模，是該技術研究領域需要重點關注的問題，但傳統設計的方法容易忽略兩者之間協同的重要性，導致設計方案難以達到理想狀態。最后，在傳統方法和觀念的束縛下數控機床的多元耦合仿生設計的程度不高，目前的應用僅局限于系統的可視化操作和機床的自動化檢測等，沒有充分發揮仿生技術可以提升機床力學性能，使其向輕量化、智能化升級的優勢[2]。

3　應用原理

3.1　人機工程學在數控機床設計中的應用原理

數控機床是機械工程領域常用的加工設備，應用人機工程學進行數控機床設計的目的就是使其操控更為方便、快捷、高效，為用戶提供更加舒適、安全的操作體驗，讓操作人員在生理和心理上始終能保持良好的工作狀態。設計人員要從機床整體的結構、造型、布局、界面、操作等方面入手，始終遵循“人性化”的設計原則，針對數控機床結構合理性、操作安全性、使用舒適性等方面進行優化和升級。

3.2　耦合仿生技術在數控機床結構設計中的應用原理

耦合仿生設計技術是仿生學的重要發展方向之一，其應用原理就是結合生物的物理、幾何、力學特性，讓設計出的產品實現從形似到神似的跨越，使仿生設計從一元向多元化發展。目前，耦合仿生設計技術的應用側重于優化數控機床結構，針對傳統數控機床重要結構件體積大、質量重的缺點，通過參考生物結構輕巧的特性，應用生物結構的構型與力學原理，完成數控機床結構的輕量化設計，不但讓數控機床在結構上更加接近于仿生原型，還使其動靜態綜合性能得到本質提升[3]。

3.3　數控機床多性能耦合的協同優化設計原理

協同優化設計的原理就是更好地實現數控機床仿生設計的多性能耦合，人機工程學和耦合仿生設計技術在數控機床設計中應用的最終目的都是為了充分發揮人機工程學和耦合仿生設計技術的優勢，以解決數控機床設計研究領域的難題，使數控機床的整個設計體系趨于系統化、項目化、規范化。人機工程學優勢在于遵從“以人為本”設計原則，從操控性、便捷性入手提升數控機床的靜態和動態性能，耦合仿生設計技術的優勢在于建立數控機床的仿生性新結構，以體現其節能性、輕量化、環保性，協同優化的原則就是積極協調好兩者之間的關系，使產品能夠完整體現出技術應用的優勢和設計初衷。

4　應用方法

4.1　人機工程學在數控機床設計中的應用方法

傳統的數控機床設計改造以提升設備的加工性能為目的，往往忽視了其動態性能和綜合操作性能，而人機工程學的應用恰好解決了這些不足。首先，設計人員深入企業加工車間開展調研，可掌握一線操作人員對現有的機床結構、性能和操作的真實感受，并結合企業實際的生產需求，制定初步的設計方案，從設計上充分考慮數控機床的“人性化”需求。其次，設計人員在設計時要堅持人機工程學“人、機、環境”三者之間交互作用的原則，在實施技術改進的過程中充分考慮到數控機床使用的便捷性、舒適性要求，保證設計理念能落到實處。此外，在建模和模擬試驗階段，尤其注意人機工程學的應用要以數學原理、機械原理、力學原理為基礎，實現設計方案與數控機床改造目標相匹配[4]。

4.2　耦合仿生設計技術在數控機床結構設計中的應用方法

首先，設計人員要結合生產需求，做好仿生對象的選擇工作，深入研究仿生對象在內部結構、物理性能、力學性能等方面的參照性，結合數控機床設計結構優化設計需求，做好關鍵數據的采集、重要參數的計算。其次，由于仿生結構設計中所參照的生物體結構存在著精密性、復雜性等特點，在設計時候要充分考慮對其進行機械、力學、物理改造的可行性，做好計算公式的選擇，仿生結構虛擬模型的建模，改造方案的可行性分析。最后，運用CAD/CAE等軟件對仿生結構虛擬模型進行動靜態仿真分析，如若出現不匹配現象應及時進行修正。

4.3　數控機床多性能耦合的協同優化設計應用

首先，設計人員要通過模擬試驗和仿真分析采集數控機床運行的原始數據，根據數控機床的生產參數和性能需求，建立目標優化設計模型。其次，以原始數據為基礎，利用響應面法、人工神經網絡等數學方法建立起一套系統化的優化模型，隨后對其進行求解[5]。最后，通過應用遺傳算法、粒子算法等多種算法，從多種解集中擇優選擇最佳解，以提高設計研究效率，降低設計成本。

4　結語

數控機床是機械工程領域必不可缺的關鍵設備，目前我國數控機床設計技術與國外發達國家相比還存在差距，特別在動靜態性能和用戶個性化需求等方面發展較為滯后，一定程度上影響了我國工業的綜合競爭力。通過總結國內外人機工程學在數控機床耦合仿生技術中的應用現狀，深入分析了其應用原則和應用方法，以進一步推動數控機床耦合仿生設計技術的發展，讓數控機床具備高效能、可視化、人性化、幾何仿真等特點，達到提升企業生產效率，降低生產成本的目的。

[1] 于澤洋.數控機床操作動作分析及工效學評價研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2019.

[2] 蔡曉宇.人機工程學原理在數控機床操縱機構中的應用與研究[J].南方農機,2018,49(8):55.

[3] 劉桂芝,楊文亮,牟娟.人機工程學原理在數控機床操縱機構中的應用與研究[J].機械制造與自動化,2017,46(3): 28-30.

[4] 明富升.人機工程學在機床設計中的應用[J].中國高新區,2017(10):117.

[5] 徐學彬,苗雨楠.人機工程學在數控機床人性化設計中的應用探究[J].時代農機,2016,43(11):18-19.

Application of ergonomics in coupled bionic design of CNC machine tools

HAO Fang

(Xinxiang Vocational and Technical College, Xinxiang, Henan 453000, China)

With the development of science and technology, the technical research of mechanical engineering in China has made great achievements. CNC machine tool is a key equipment in mechanical engineering, and its design and application have attracted great attention. At present, there are gaps in the design technology of CNC machine tools between China and developed countries, especially in the aspects of dynamic and static performance and personalized needs of users, which affect the comprehensive competitiveness of China's industry to some extent. Based on coupled bionics technology, ergonomics is applied to the design and manufacturing process of CNC machine tools, which is beneficial to improving the overall performance of CNC machine tools and promoting the transformation of intelligence and automation in China's industry.

CNC technology; numerical control machine; ergonomics; coupled bionics; collaborative optimization

TG659

A

2096–8736(2022)06–0027–03

郝芳(1986—)，女，大學本科，講師，主要研究方向為機械工程。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：吳志立