基于人機(jī)工程的數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)研究

張亮 周冰

摘要：數(shù)控機(jī)床外防護(hù)人機(jī)工程學(xué)研究是以人的需要為本，以人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)控機(jī)床外防護(hù)的組成件進(jìn)行研究，從而確定最佳的尺寸以滿足人的需要。對(duì)于數(shù)控機(jī)床外防護(hù)設(shè)計(jì)要滿足安全、效率和舒適三個(gè)層次的需要。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；防護(hù)；人機(jī)工程學(xué)

1.數(shù)控機(jī)床操作站的人機(jī)工程學(xué)

1.1 對(duì)數(shù)控機(jī)床的操作，主要是通過操作站發(fā)送指令信息來操縱數(shù)控機(jī)床及監(jiān)視數(shù)控機(jī)床執(zhí)行指令的情況。數(shù)控機(jī)床的操作站分為懸掛式、立柱式、鑲嵌式、獨(dú)立式四大類型。對(duì)于操作站位置的設(shè)計(jì)要符合人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)要求，要考慮操作者的視野和視距的限制。在水平面內(nèi)的視野是：雙眼視區(qū)大約在左右60°以內(nèi)的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里還包括字、字母和顏色的辨別范圍，辨別字的視線角度為10°-20°；辨別字母的視線角度為5°-30°，在各自的視線范圍以外，字和字母趨于消失。對(duì)于特定的顏色的辨別，視線角度為30°-60°。人的最敏銳的視力是在標(biāo)準(zhǔn)視線每側(cè)1度的范圍內(nèi)；單眼視野界限為標(biāo)準(zhǔn)視線每側(cè)94°-104°。

1.2 在垂直平面的視野是：假定標(biāo)準(zhǔn)視線是水平的，定為0°，則最大視區(qū)為視平線以上50°。和視平線以下70°。顏色辨別界限為視平線以上30°。，視平線以下40°。實(shí)際上人的自然視線是低于標(biāo)準(zhǔn)視線的，在一般狀態(tài)下，站立時(shí)自然視線低于水平線10°，坐著時(shí)低于水平線15°；在很松弛的狀態(tài)中，站著和坐著的自然視線偏離標(biāo)準(zhǔn)線分別為30°。和38°。觀看展示物的最佳視區(qū)在低于標(biāo)準(zhǔn)視線30°的區(qū)域里。

1.3 視距是指人在操作系統(tǒng)中正常的觀察距離。一般操作的視距范圍在38.76cm之問。 視距過遠(yuǎn)或過近都會(huì)影響認(rèn)讀的速度和準(zhǔn)確性，而且觀察距離與工作的精確程度密切相關(guān)，因而應(yīng)根據(jù)具體任務(wù)的要求來選擇最佳的視距。

1.4 多數(shù)操作站（獨(dú)立式操作站除外）一般都放置在數(shù)控機(jī)床拉門的右側(cè)。這是因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的拉門多數(shù)是向右側(cè)推拉或是雙開門，操作站放置在拉門的右側(cè)符合多數(shù)操作者的動(dòng)作習(xí)慣。對(duì)于懸掛式、立柱式和鑲嵌式的操作站的高度的設(shè)計(jì)要滿足人體站姿的視野和視距的參數(shù)，而對(duì)獨(dú)立式操作站要滿足人體坐姿的參數(shù)。這樣安置操作站可以提高操作者的工作效率，也體現(xiàn)了與人為本的設(shè)計(jì)理念。

2.數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的人機(jī)界面設(shè)計(jì)包括顯示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，其中顯示裝置主要包括顯示屏，操作系統(tǒng)包括按鈕、旋鈕、手柄等，輔助裝簧包括工作臺(tái)、安全防護(hù)罩等。對(duì)操作者而言，機(jī)床的人機(jī)界面可以分為三個(gè)區(qū)：監(jiān)控區(qū)、操作區(qū)、工作處理區(qū)。監(jiān)控區(qū)是顯示比較集中的區(qū)域，操作區(qū)是人完成主要操作的區(qū)域，工作處理區(qū)是裝卸工件的區(qū)域。這三個(gè)區(qū)在結(jié)構(gòu)、功能上構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的單元，監(jiān)控區(qū)和操作區(qū)組合為一個(gè)單元，成為控制區(qū)，集成在一個(gè)控制面板中。

3.數(shù)控機(jī)床顯示系統(tǒng)

在數(shù)控機(jī)床上采用的顯示器是視覺顯示器?，F(xiàn)在液晶屏逐漸代替了傳統(tǒng)的陰極射線顯示器了，液晶顯示器體積小，重量輕，占用空間小，在高級(jí)的數(shù)控機(jī)床上都采用的是液晶屏，缺點(diǎn)是造價(jià)高，維修難。顯示器是人了解數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀況而作出判斷的前提之一。顯示器所顯示的信息要為人所觀察，而人的眼高是在一定的范圍的高度上的，因此，顯示器的位置要根據(jù)人的眼高來確定，以保證數(shù)控機(jī)床的操作者都能準(zhǔn)確的獲取顯示信息。那么，人眼的高度和對(duì)可視范圍的要求就是顯示器位置設(shè)計(jì)的基本前提，顯示器的安放高度選擇就要根據(jù)人機(jī)工程學(xué)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人體尺寸數(shù)據(jù)的應(yīng)用原理來確定，產(chǎn)品最小功能尺寸是相應(yīng)百分位數(shù)的人體尺寸與功能修正量之和。站立式觀察的數(shù)控機(jī)床顯示器中心距離地面的高度根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的理論應(yīng)設(shè)定在上限為1685mm，下限為1387mm的范圍內(nèi)。同理，可知坐姿式觀察的數(shù)控機(jī)床顯示器的高度。

4.數(shù)控機(jī)床操作裝置的人機(jī)工程學(xué)

數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度越高，人的操作活動(dòng)就越少，也就更加強(qiáng)調(diào)使用的方便性和舒適性。對(duì)于數(shù)控機(jī)床的操作者而言，數(shù)控機(jī)床的操作活動(dòng)主要集中在顯示控制區(qū)和工 件處理區(qū)。在工件處理區(qū)，人主要進(jìn)行工件的裝卸操作。人的其他各種尺寸也會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床的可操作性有著不同的影響作用，例如，操作者在進(jìn)行裝卸工件或操作數(shù)控面板時(shí)，人的腳會(huì)很容易就碰到機(jī)床的床腳，設(shè)計(jì)時(shí)為人的腳留出應(yīng)有的空間；當(dāng)操作人員要進(jìn)行機(jī)床維修的時(shí)候，給操作人員維修所提供的足夠的維修空間。

5.觀察床設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)

對(duì)于全封閉防護(hù)的數(shù)控機(jī)床，觀察窗的設(shè)置是十分必要的。觀察窗的作用主要是操作者可通過它對(duì)加工工件和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察。觀察窗的設(shè)計(jì)主要以人的眼高為依據(jù)，以方便操作者觀察為前提。不同類型的機(jī)床的觀察窗由于功能的差異，其尺寸大小差別較大。根據(jù)視距推薦數(shù)據(jù)表的立姿人體的眼高尺寸和水平、垂直視野數(shù)據(jù)，可確定觀察窗的最小高度和寬度尺寸。

式中：為觀察窗的最小寬度尺寸，單位為mm；

為操作者視距觀察窗的距離，單位為mm；

為水平視野的角度，單位為°。

根據(jù)抽樣調(diào)查，將設(shè)定為250mm，根據(jù)人的水平視野數(shù)據(jù)可知，觀看展示物的最佳視線在標(biāo)準(zhǔn)視線30°的區(qū)域內(nèi)，所以的值為30°。

同理可知：

式中：為觀察窗的最小高度尺寸，單位為mm

為操作者視距觀察窗的距離，單位為mm；

為垂直視野的角度，單位為°；

根據(jù)抽樣調(diào)查，將設(shè)定為25mm，由垂直視野數(shù)據(jù)可知，觀看展示物的最佳視線在低于標(biāo)準(zhǔn)視線25°和°的區(qū)域內(nèi)，所以的值定為25°和°

由上述公式可知，對(duì)于全封閉數(shù)控機(jī)床的觀察窗自身的最小高度和寬度尺寸分別為260mm和289mm。

6.結(jié)語

從以上的分析中，可以看出人體各部分的基本測(cè)量尺度是決定安全性措施設(shè)計(jì)的前提。人的安全是對(duì)人的首要的關(guān)懷，同時(shí)也是“人一數(shù)控機(jī)床一環(huán)境”這個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展的基本保證。

參考文獻(xiàn)

[1]阮寶湘，邵祥華.工業(yè)設(shè)計(jì)人機(jī)工程[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005