基于人機(jī)工程學(xué)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)探析

周波 林翠梅

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，也逐漸出現(xiàn)了較多新型技術(shù)領(lǐng)域，其中最具有代表性的就是人機(jī)工程學(xué)，該項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)充分體現(xiàn)出人性化設(shè)計(jì)原則。本文主要是探討分析基于人機(jī)工程學(xué)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)，首先闡述了人機(jī)工程學(xué)的基本概念，之后分析了人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用，主要包括造型設(shè)計(jì)，控制面板設(shè)計(jì)和防護(hù)門設(shè)計(jì)等方面，希望能夠借此研究對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員起到參考性價(jià)值。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；數(shù)控機(jī)床；設(shè)計(jì)應(yīng)用

隨著時(shí)代發(fā)展進(jìn)步，也在較大程度上促進(jìn)了工業(yè)化發(fā)展，在各行業(yè)領(lǐng)域也開始應(yīng)用數(shù)控機(jī)床，使各企業(yè)的產(chǎn)品逐漸向一體化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用能夠顯著降低人力成本，增加了企業(yè)人員與數(shù)控機(jī)床的溝通交流。然而在實(shí)際應(yīng)用機(jī)床期間如果出現(xiàn)不合理設(shè)計(jì)情況將會(huì)對(duì)機(jī)床生產(chǎn)精度造成極大影響，并且降低操作人員的舒適度。在當(dāng)前的機(jī)床設(shè)計(jì)當(dāng)中逐漸應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)，應(yīng)用效果顯著。能夠全面結(jié)合生理學(xué)和人體構(gòu)造學(xué)等各項(xiàng)學(xué)科，能夠降低機(jī)床使用期間所出現(xiàn)的人為誤差情況，顯著提升機(jī)床的穩(wěn)定性和精度。

1 人機(jī)工程學(xué)

現(xiàn)階段，我國(guó)工業(yè)化發(fā)展速度持續(xù)攀升，也明顯增加了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用需求。人機(jī)工程學(xué)主要是聯(lián)合心理學(xué)，生理學(xué)以及解剖學(xué)等方面知識(shí)，深入研究與分析人體與設(shè)備及環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，能夠給予企業(yè)人員高效，安全和健康的工作環(huán)境。數(shù)控機(jī)床在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也增加了操作人員需求量。因此需要給予企業(yè)人員智能化的工作環(huán)境，可以使其與機(jī)器之間進(jìn)行輕松和諧的交流互動(dòng)。對(duì)人體與設(shè)備機(jī)器交流造成影響的因素主要包括造型，控制面板以及防護(hù)門等，因此需要給予以上方面分析和討論人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用。

2 人機(jī)工程學(xué)在數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1 數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)當(dāng)中的人機(jī)工程學(xué)

（1）人體生理特征對(duì)數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)的要求：操作人員在操作設(shè)備時(shí)主要采取站立姿勢(shì)和手臂抬角等生理特征，以上行為均會(huì)對(duì)人體操作造成影響，因此在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床造型外觀時(shí)需要統(tǒng)一人體生理參數(shù)。由于當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的智能化特征逐漸加強(qiáng)，這樣將會(huì)降低操作人員的動(dòng)手操作量，也相應(yīng)提升了操作便利性和舒適度。在實(shí)際操作期間，操作人員主要關(guān)注數(shù)控機(jī)床前端，因此可以將其劃分為控制監(jiān)視區(qū)和加工區(qū)域。基于以上分析，人體生理特征對(duì)數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)的要求主要表現(xiàn)在人體視野范圍和身高方面。其中人體視野在達(dá)到-15°至+15°之間，豎直方向位于水平下10°范圍，此時(shí)視覺反饋?zhàn)罴?。?duì)于身高來說，操作人員在操作數(shù)控機(jī)床時(shí)需要與機(jī)床的距離控制在50cm，因此需要將數(shù)控機(jī)床總高度設(shè)計(jì)在170cm。（2）人體認(rèn)知特征對(duì)數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)要求：1）合理視覺引導(dǎo)：人體在感受操作對(duì)象時(shí)第一來源為視覺，因此合理視覺引導(dǎo)能夠科學(xué)選擇操作方法。因此在合計(jì)期間需要讓機(jī)床外觀給予人的認(rèn)知和操作進(jìn)行合理指導(dǎo)，并且全面體現(xiàn)出工業(yè)設(shè)計(jì)理念。2）動(dòng)作和信號(hào)反饋：操作人員不管實(shí)施何種操作都需要數(shù)控機(jī)床給予反饋，這樣將確保操作人員進(jìn)行下步操作。所以在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床機(jī)床時(shí)間需要按照人體操作流程給予科學(xué)的反饋信息。

2.2 數(shù)控機(jī)床造型的人機(jī)工程設(shè)計(jì)

（1）比例設(shè)計(jì)：在進(jìn)行比例設(shè)計(jì)時(shí)需要注重機(jī)床正面的組成內(nèi)容，可以將機(jī)床總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為230厘米，高度設(shè)計(jì)到170cm，將外框左側(cè)面與觀察窗中心面的距離控制在88厘米，并且主要觀察區(qū)在長(zhǎng)度方向的設(shè)計(jì)需要滿足0.618標(biāo)準(zhǔn)。（2）形體設(shè)計(jì)和線條應(yīng)用：在數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)當(dāng)中需要確保線條與形體的統(tǒng)一性。直線造型與曲線及圓角搭配使用，這樣能夠?qū)︼@露的手柄和手輪起到隱蔽作用。應(yīng)用封閉外罩設(shè)計(jì)冷卻液和切削模塊，確保數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性。操作人員在實(shí)際操作數(shù)控機(jī)床時(shí)主要是對(duì)觀察窗和面板實(shí)施操作，因此在設(shè)計(jì)期間需要注重以上兩部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 數(shù)控機(jī)床的控制面板設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)控機(jī)床控制面板的設(shè)計(jì)要求

（1）色視要求：人的眼睛對(duì)不同顏色具有不同事業(yè)范圍，由大到小一次表現(xiàn)為白色、黃色、藍(lán)色，紅色和綠色，所以在設(shè)計(jì)控制面板時(shí)需要按照不同的顏色合理設(shè)計(jì)操作裝置的位置，全面確保操作人員的視覺效果。（2）操作要求：人體在呈站立姿勢(shì)，需要確保操作狀態(tài)的舒適度，主體保持不動(dòng)的基礎(chǔ)上，在正前方手臂的活動(dòng)范圍。如下圖所示。手臂最大能及的范圍為大圓弧，前臂的正常活動(dòng)范圍為小圓弧，最佳活動(dòng)范圍為陰影區(qū)。

圖1 人體呈站立姿勢(shì)手臂的活動(dòng)范圍

（3）安放要求：通常情況下，數(shù)控機(jī)床控制面板的安放形式共有四種，需要全面考慮數(shù)控系統(tǒng)和總體布局情況確定安放形式，還需要全面分析視域在人體站立操作要求和設(shè)計(jì)應(yīng)用當(dāng)中的工效情況，對(duì)數(shù)控機(jī)床控制面板的高度，尺寸以及位置等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

3.2 控制面板當(dāng)中人機(jī)工程學(xué)的實(shí)際應(yīng)用

（1）硬界面設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)顯示器時(shí)需要考慮人體心理和生理特征，并且將硬界面設(shè)計(jì)在最佳視野范圍內(nèi)，能夠第一時(shí)間將各項(xiàng)信息傳遞給操作人員，確保操作人員能夠更加了解設(shè)備的運(yùn)行情況；對(duì)于LED數(shù)碼管顯示器來說，其功能主要是提供有限符號(hào)和數(shù)字，當(dāng)前只是在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床當(dāng)中應(yīng)用于LED數(shù)碼管顯示器；對(duì)于CRT顯示器來說，其能夠顯示出任何形式的信息，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床控制面板上。然而該種顯示器也存在缺點(diǎn)，比如體積大等，并且由于物理結(jié)構(gòu)較為特殊導(dǎo)致其無法全面發(fā)展到其他顯示領(lǐng)域當(dāng)中。（2）軟界面設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制面板當(dāng)中的軟界面時(shí)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)人機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)，其中比較重要的是數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然而人機(jī)設(shè)計(jì)能夠全面展現(xiàn)出機(jī)床性能。在設(shè)計(jì)期間需要避免操作人員的腦力消耗，能夠自主改變字體顯示內(nèi)容和形式，全面凸顯出人性化菜單結(jié)構(gòu)和軟鍵盤設(shè)計(jì)等。在軟鍵盤設(shè)計(jì)期間當(dāng)中的“軟”主要是區(qū)別傳統(tǒng)的按鍵，隨著不同的菜單能夠改變軟鍵所代表的含義，因此在設(shè)計(jì)期間需要全面按照人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)軟鍵盤。

4 數(shù)控機(jī)床的防護(hù)門設(shè)計(jì)

4.1 觀察窗的人機(jī)工程設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)觀察窗時(shí)需要全面按照操作人員的視覺高度和身體高度確定，由于不同的數(shù)控機(jī)床在精度和功能要求上也不同，因此在設(shè)計(jì)需要選擇人體視覺高度的50%設(shè)計(jì)觀察窗，全方位確保不同身高的操作人員能夠有效操作數(shù)控機(jī)床。按照人體結(jié)構(gòu)可以看出，人體水平視線處于水平線的15°為最佳效果，豎直方向的視線需要控制在25°左右。

4.2 把手的人機(jī)工程設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床當(dāng)中把手主要包括調(diào)節(jié)式數(shù)量面板和機(jī)床門把手。因此在設(shè)計(jì)把手期間需要全面按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，手部握住把手的截面直徑在15mm左右，并且需要應(yīng)用直徑為10mm的把手。由于傳統(tǒng)式把手的形態(tài)輕微垂直形態(tài)，在推拉橋梁下人手施力會(huì)導(dǎo)致手腕側(cè)偏。所以在設(shè)計(jì)把手時(shí)需要考慮人機(jī)工程學(xué)要求，使操作人員能夠在各類操作條件下輕微傾斜把手，避免腕關(guān)節(jié)受力，順直腕關(guān)節(jié)。在設(shè)計(jì)把手高度時(shí)需要按照我國(guó)成年人在站立姿勢(shì)下的肘高確定。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，此次研究主要是圍繞人機(jī)工程學(xué)理論對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)、控制面板設(shè)計(jì)以及防護(hù)門設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行闡述，全面提升了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的智能化和人性化，希望能夠在今后的設(shè)計(jì)當(dāng)中充分考慮人機(jī)工程學(xué)要求，全面確保數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)效性。

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