基于人机工程的加工中心设计综述


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随着对加工中心的要求越来越高,国内外学者对加工中心设计中的人机因素进行了大量的研究,研究领域涉及加工中心造型、加工中心颜色等。加工中心设计的过程一般分为六个阶段:原理设计、概念设计或初步设计、人机工程设计、结构设计、造型设计及完成产品设计[1]。设计过程不一定全部按照以上阶段或顺序依次完成,但人机工程设计必不可少。

在设计加工中心时,特别是涉及到安全的部分都应该适应全体人员,但是出于经济考虑,一般只选择占
总人数90%的人加以考虑,同时希望剩下10%的人也能适应机器,或者对有可能操作的人员通过选择加以限制。其佘不涉及安全因素的地方以第50百分位的人体尺寸作为设计依据[3]。而完成加工中心的尺寸设计就要参考这些数据[4]

1加工中心造型设计与人机工程

人机工程学是实现人机交流的重要桥梁,在机床设计中起到非常重要的作用。Hafiz[5]等人发现,如果加工中心设计与操作者的物理尺寸、能力和极限不匹配,最终可能会导致操作者遭受职业伤害,可见人机工程在加工中心设计中至关重要的地位。

1.1控制面板的造型设计

控制面板是加工中心的重要组成部件之一,是操作者与加工中心进行交互的工具。整个加工中心的运作绝大部分体现在控制面板上,这使得操作者需集中精力把控整个操作的环节。为使操作者在最舒适的情境下操作加工中心,控制面板的设计要充分考虑操作者的立姿眼高,保证操作者在操作时不需要频繁地低头或抬头,减轻颈部活动量。在人水平视线上下30度和垂直视野左右各15度的范围内,是显7K器放置的最佳位置[6\孟祥旭[7]等总结了人的几种姿势下的最佳视野垂直角度(图1),视距保持在500 mm以内。

冯光勇[8]等人发现,当显示面板安装在支撑臂上时,为确保使用者观察时视线与屏幕垂直,面板要有一定的倾角?当显示面板竖直固定时,显示屏的中心点高度应小于或等于人的立姿眼高[8]。如果面板设计成可调节的结构,其实用性将大大提高^具体采用哪种安装方式,需以加工中心整体造型和功能要求为依据。

韩卫国[9]等人研究表明,当数控面板垂直地面时,最佳按键区的范围和手的活动范围密切相关。为便于操作,最佳按键区域应该比立姿肘高略高,而要低于立姿眼局,最终,定义最佳的按键区域为II53?I568 mm(图2)。当数控面板倾斜安装时,手部活动范围受到影响,从而最佳的按键区为974?1408 mm(图 3)。Muthukumar[1°]等人发现,机器显7K不当会导致颈部不适,面板控制器不当会导致肩膀和手臂不适^

显示面板上有大量按键,其尺寸要与操作者手指端面积相适应。通常来说,按键要略大于人体手指端面积,过小容易引起误操作,过大会增加面板面积。根据实验数据显示,按键最小尺寸长度应为10 mm较适宜尺寸长度为19 mm最大尺寸长度为25   在具体设计时,还应以实际情况为准。

按键的分布应以功能为原则进行区域排布,各区域间要有明显的界限[12]。毛洋[13]等人研究发现,最能有效提升操作者信息获取的精准性和便利性,是奇数个横向按键排列的方式[13]

显示面板的版式有矩形型、V型、U型、展开U型、半圆型和半球型,这不仅关乎美观,更直接影响操作。开窗式表盘误读率偏低,不同直径的圆盘认读速度和错误率也不同。指针的形状有三角形、梯形、三角形变形体、梯形变形体等多种形状,不同形状给人带来不一样的视觉感受,但是都必须以认读方便为准则。

1.2加工中心把手的造型设计

把手在加工中心设计中至关重要,把手的造型和安装位置都要考虑人机工程学的因素。为方便操作者使用,把手应与人手的尺寸相适应,这样才能提高作业者的舒适性与效率性。一般将把手的长度控制在75 mm以上,以满足操作者的使用要求。

把手有竖式安装和横式安装两种安装方式。横式安装把手的设计有三个关键尺寸:把手直径、把手截面形状和把手安装位置。手握直径应控制在10?20 mm优先选用12?18 mm直径过粗或过细,都不利于抓握和施力。把手的截面形状一般为圆形,因为圆形握起来更舒适。把手应在立姿肘高的位置安装。为满足不同操作者的需要,大型加工中心的把手可以设计得长一些[8]

在设计把手时,应先确定把手的高度(图4),以第50百分位身高操作者作为标准。在确定好高度之后,再依据把手的操作范围(图5)进行设计,只有这样,设计出来的把手才能保证操作时的精度和舒适度,使操作者舒适方便地作业。

1.3加工中心观察窗的造型设计

在加工中心中,观察窗是操作者观察加工工件和加工中心运动的部件[14\作为加工中心正立面视觉中心的观察窗,其造型对整体的风格有画龙点睛的作用。现有的加工中心的观察窗造型较多,多以圆角方形为主。小圆角方形观察窗常以直线平面为主,与边角较直硬的外防护造型相匹配。而大圆角观察窗造型常以曲面为主,或是与较为圆滑的外防护造型相匹配。

观察窗的设计与操作者的姿势密切相关,要从人机工程学角度出发,对观察窗进行设计[15]。根据王云德[16]等人研究,观察窗的设计以操作者的高度和视高为主要依据。一般来讲,为保证加工中心适合不同身高的作业者,观察窗的设计主要选取第50百分位的人体视高为依据。从人机工程学来说,人的最佳视线在水平方向15度和竖直方向25度效果最佳[16]

冯光勇[8]等人研究发现,不同类型的加工中心观察窗尺寸差异较大。一般来说,主轴运动范围较大的加工中心,其观察窗较大;而需要观察加工范围较小的加工中心,其观察窗较小[8]

1.4加工中心门的造型设计

对加工中心而言,加工中心门是加工中心造型中比较重要的一部分,如果加工中心门设计的不合理,将影响加工中心的操作性能及精度。加工中心门的尺寸,首先要满足作业者装夹工件的功能要求。根据王云德[16]等人的研究,为方便操作,加工中心门的尺寸要略大于工作台的宽度。

加工中心门的外廓线要与加工中心外防护正立面的轮廓线相匹配。现有的加工中心门按造型分为曲门、直门和折门三种,其造型的变化要符合外防护造型的变化[14]。在设计加工中心时,加工中心门的宽高度设计不仅影响加工中心的整体造型,更影响操作精度和机能,所以在设计加工中心时要对加工中心门的设计加以重视。由于加工中心的类型较多,加工中心的工作台宽度不一,所以加工中心门的尺寸也略不相同。加工中心门分为单开门和双开门结构。双开门是大型加工中心或工作台较宽的加工中心的最佳选择,必要时可借助气缸来控制拉门开关[17],而单开门结构更适合小型加工中心。

1.5加工中心整体造型设计

目前,加工中心的造型设计是从人性化、人机工程学、美学原则等方面入手,实用、经济、美观是造型设计的准则[18]

加工中心的整体造型对加工中心的合理使用、操作者的方便操作起了至关重要的作用。研究表明,各部件间的比例是外观造型设计的主要部分之一。现有加工中心中使用的比例较多,常用的有:黄金分割比(1 :

0.   618)、平方根比例(1 :及)等[16]。除了比例,还要注意加工中心的轮廓线设计,重视线型变化,以使加工中心美观。目前,我国的加工中心尺寸主要有以下几种:长2250 mm,2500 mm,3000 mm,3500 mm;宽 1370 mm;

1690 mm[l6]

加工中心的造型主要有两种:第一种是轮廓线以直线为主,另一种是轮廓线以曲线为主。直线有冷静、严肃的特点,曲线给人自由、活跃的感觉。在造型中,合理搭配运用直线和曲线,能让加工中心的造型简约中又富含感情,避免刻板。在设计时,应注意遵循“形式服从功能”和“形式表现功能”的原则。

加工中心的外罩造型是影响整体风格的关键,是数控加工中心主体上主要的部件之一,从其正立面上可以分为曲面造型、直面造型和斜面造型三种类型。曲线造型给人圆润、流畅的感觉;直面造型给人庄重、规整之感;斜面造型给人活力、轻巧的感觉。在加工中心的设计过程中,各种造型要灵活运用,使其美观、整体、和谐。积极赋予加工中心造型友好的情感因子,是设计师不懈追求的目标之一[|9]

2加工中心颜色设计与人机工程

在加工中心设计中上,使用颜色可以更好地传达提

示信息,还可以缓解操作者的视觉疲劳。但是色彩的使用一般不能超过3~5种,否则会给人杂乱的感觉,影响作业。为避免出现操作失误,通常采用灰色系。通常来说,报警按钮为红色,表示危险;启动按钮为绿色,表示安全,正常运转。

在控制面板设计中,还加\了图形的元素。图形具有直观、形象、信息量大的特点,广泛出现在界面中,增加了设备的易学易用性。除此之外,界面中的字体设计也有要求,字体形式应保持一致,选用简洁、清晰、识别性强的文字,避免视觉疲劳。面板上的数字至少应停留0.2 s才能被看清,所以,数字的变换速度不宜超过0.2                          。并且,版面风格、布局、

人机交互方式和信息显示格式应一致,有助于作业者学习、熟悉、使用设备,并减少出错率[8]

人眼在不同光照条件下的色彩感知力是不同的。在光线较暗的环境下,最好使用蓝绿色对控制面板的信息进行显小,反之选用橙色显疋信息[21],,采用背光技术的面板键盘,不仅可改善操作环境,更可增强敲击键盘的准确性,提高工作效率。需在暗中观察的操纵面板最好呈蓝绿色并配以红光照明;反之,需在昼光下观察的面板最好呈橙色且配以黄或黄绿光照明[22]

色彩的传递比形体的传递更迅速、强烈,其对人们的心理影响非常微妙。明快的色彩使人心情愉悦,厚重的色彩使人心情压抑并影响生产效[24]。因此,可通过色彩来提高工作效率。一般来说,加工中心的颜色下深上浅,给人安定、沉稳的感觉。此外,在加工过程中容易产生切屑,下部的深色调可以减轻加工中心的脏乱感[8]。因为灰色不容易分散作业人员的注意力,所以人们在工业设备中经常使用灰色系[25]。加工中心的底座、立柱等一般采用稳重且不笨重的颜色,如银灰色。为了提高加工中心的安全性能,对一些警示标志也会采用醒目的色调加以提醒。

在设计加工中心时,设计者可根据信息的重要程度来选用色彩。最重要的信息选用红色,依次可选择黄色、橙色、绿色。但是也要注意底色的选择,使底色与提示色在纯度和明度上有明显的对比[21 ]。特殊情况,还可以用闪烁的方式加以提醒。

有关实验表明,不宜应用过于刺激和兴奋的色彩,也不能使用过于沉闷的色彩,一般可以使用纯度低明度高的颜色,如银灰色、淡蓝色。而红、黄等刺激性色彩只能小面积使用[M]。在设计加工中心外部时,为提高操作者的工作兴致,会用不同的色调来进行装饰U7]。在色彩搭配上,加工中心要给操作者整体、协调、稳定、安全的感觉,保持操作者工作时心情愉悦、精力集中,满足其心理和生理需求。

3总结与展望

众多实验与研究表明,人机因素在加工中心设计中占有举足轻重的地位。从加工中心造型来说,控制面板与把手的安装有了合适的位置区间,观察窗和加工中心门的设计有了科学的尺寸依据,而在加工中心整体造型设计中,选择合适的直线型与曲线型也会为加工中心增色;对于加工中心颜色设计而言,既要使用纯度低明度高的颜色来保持操作者的注意力,又要使用色调进行装饰以提高操作者的工作兴趣。

人机工程学在加工中心设计中广泛应用,将“适用”与“美观”、“技术”与“艺术”结合与统一[28],并取得了一些成绩,设计出了更加人性化的加工中心。但是现有市面上的加工中心还是存在不足,需要进一步研究:

1) 造型方面:加工中心体型巨大,线型生硬;造型大同小异,刻板、冰冷;机械感过强是加工中心共同的特点,操作不人性化。

2)  色彩方面:色彩单调,甚至搭配不当;色调深沉、冷漠,没有安全感。

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