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浅析数控机床 触摸屏人机交互界 面设计 口杭久成 口何卫平 西北 工业大学 现代设计与集 成制造教育部重点实验室西安7 1 0 0 7 2 摘要运用人机 工程 学基 本原理 , 结合现代数控机床触摸屏在操作性、 准确性等方面的性能特点 , 提 出现代数控机 床触摸屏人机交互界面的基本设计原则。 通过取样统计、 模拟分析等方法, 有针对性地研究现代数控机床触摸屏在布局、 色彩 、 图标 、 按 键等方面的设计方法 , 并通过 实例 进行验证 。 关键词 数控机床触摸屏人机 交互界面设计 人机工程学 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 3 0 0 2 3 0 4 Abs t r a c t Ap pl y i n g t he b as i c p r i n c i p l e o f e r g o n o mi c s a n d c o mb i ne d wi t h t h e o p e r a b i l i t y , a c c ur a c y an d o t h e r f e a t u r e s o f t h e t O u c h s c r e e n o f CNC ma c h i n e t o o 1 .t h e b a s i c d e s i g n p r i n c i p l e o f t h e t o u c h s c r e e n hu ma n ma c h i ne i nt e r f a c e i s p ut for wa r d. Wi t h t h e he l p o f t he me t h o ds o f s a mp l i ng s t a t i s t i c s ,s i mu l a t i o n a na l y s i s a nd S O o n ,t h e d e Ng n of l a y o u t ,c o l o r ,i c o n,p r e s s k e y f o r t h e t o u c h s c r e e n of CNC ma c hi ne t o o l h a s b e e n s t u di e d a n d v e r i fie d wi t h s o me e x a mp l e s . K e y W o r ds CNC M a c h i n e To u c h S c r e e n De s i g n o f Hu ma n m a c hin e I n t e r f a c e Er g o n o mi c s 随 着 科 学 技 术 的 发 展 , 越 来 越 多 的 数 控 机 床 采 用 触 摸 屏作 为控 制 面 板 , 这 一 大 的变革 具 有 以下 几 个趋 势 1 平 板 化 、 超 薄 化 ; 2 表 现 形 式 的 多 样 化 、 灵 活 化 ; 3 交 互方 式 人性 化⋯。 即既 要 快速 、 准 确 地完 成 操 作 , 又 要 符 合 人 的 认 知 特 点 与 审 美 需 求 。 这 些 需 求 使 数 控 机 床 的 控 制 面 板 设 计 产 生 了 质 的 变 化 。 运 用 人 机 工 程 学原 理设 计 易 操 作且 宜 人 的操 作 界 面 , 可 大大 提 高数 控机 床 的可操作 性 , 从 而解 决人 机 协调 问题 。 1 触摸屏的性能特点 触 摸 屏是 一种 人 人都 会 使用 的计 算 机输 入设 备 。 具有 直观形 象 、 操作 简单 等优 点 , 大大增 强 了数控 机床 -k国家自然科学基金资助项 目 编号 5 0 5 0 5 0 3 9 国防基础研究项 目 编号 B 2 7 2 0 0 6 0 2 9 2 收稿 日期 2 0 0 7 年1 O 月 的 人 机 交 互 的 直 观 性 。 同 时 , 触 摸 屏 也 存 在 着 影 响 人 机 交 互 的缺 点 , 主要 缺 点 如 下 1 视 觉 交 互 上 的 透 明 度 、 色 彩 失 真 度 、 反 光 性和清 晰度 。 透 明度 和色彩 失真 度是 由于覆膜 导致 的。 因 而 通 过 触 摸 屏 看 到 的 图 像 不 可 避 免 地 比原 图 像 要 暗 些 , 而且 产 生 了色彩 失 真 。 通 过实 验 证 明 , 当触 摸 屏显 示 静 态 图 像 时 还 只是 色 彩 的 失 真 , 显 示 动 态 的 多 媒 体 图像感觉 就不 是很 舒服 了。 反光性 , 主要是 指 由于镜面 反射 造成 图 像上 重 叠身 后 的光 影 , 如 人 影 、 窗 户 、 灯光 等 。 它影 响操 作者 的浏览 速 度 , 严 重时 甚 至使操作 者无 法辨认 图像 字符 , 反 光 性 强 的触 摸 屏 的使 用 环境容 易 受到 限制 , 使 用现 场 的灯 光 布置也 被 迫需要调 整 。 清晰 度 , 由于薄膜 层 之 间光 反 复反 射 和 折射 而 造 成字 迹模 糊 , 图像 细 节 要 比 C RT显 示器 的模 糊些 。 在 进 行 界面 设 计 时 要 充 分 考 虑 透 明 度 、 色 彩 失 真 度 、 反 光 性 、 清 晰 通 过利 用 专 利 文献 进 行 反求 设 计 , 使 企业 可 以在 较 短 的时间 内开发 出一 种新 的产 品 , 使用 功能未 变 , 同 时 又 不 构 成 侵 权 , 为 尽 早 占领 市 场 创 造 了 条 件 。 4 结束语 利 用专 利 文 献进 行 反 求设 计 , 关 键 在 于反 求 对 象 的特征 分析 , 包括 结构 特征 和功 能 特征 , 有效 的特征 分 析结 果 , 可 以提 高 检索 效 率 , 减 小检 索 工 作量 。 其 次 是 创 新 设 计 , 要 设 计 替 代 结 构 , 规 避 原 产 品 的 专 利 保 护 范 机械制造4 6 卷 第 5 2 3 期 围 , 形 成 自己 的知 识 产 权 。 应 用 专 利 信 息 进行 反 求 设 计 , 在产 品设 计领 域具 有广 阔 的应 用 前景 。 参 考 文 献 1 洪允楣. 技术创新专利申请策划基础[ M] . 北京 化学工业出 版社, 2 0 0 4 . 2 高永迈. 专利在企业创新和发展中的作用[ J ] . 纺织机械, 2 0 0 3 , 5 2 6 . △ 编 辑 林 凡 2 oo 8 /3 圆 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 度 对 触 摸 屏 界 面 设 计 产 生 的 视 觉 影 响 。 2 独 立 的 坐 标 系 统 。 触 摸 屏 是 绝 对 坐 标 系 统 , 而 普 通 计 算 机 中 的 鼠标 则 是 相 对 坐 标 系 统 。 绝 对 坐 标 系 的 特 点 是 每 一 次 定 位 坐 标 与上 一次 定 位坐 标 没 有关 系 , 每次 触摸 的数据 通 过 校 准数 据转 为屏 幕 上 的坐 标 。 所 以在 触摸 屏 的人 机 交 互界面设 计 中要 注 意增加 操作反 馈 。 2 人的视觉信息感知过程 触摸屏 在数 控机 床 的人机交 互 系统 中传达 的是视 觉 信息 。 人 对视 觉信 息 的感 知是 人对信 息 的感 受 、 传递 和 加 工 , 以 至 于形 成 整 体 认 识 的 过 程 。 视 觉 信 息 按 感 知 程 度 可 分 为 以下 3 个 层 次 , 见 图 1 。 1 觉察 操作 者发 现信息 存在 ; 2 识别 操作者 辨别 出所 觉察 的信息 ; 3 解 释 操作 者理 解 了所 识别 信息 的意义 。 人 对 视 觉 信 息 的 感 知 是 一 个 非 常 短 暂 的 过 程 , 这 个 过程 为下 一 步 的动作 执行 提供 了判 断前 提 , 所 以视 觉 信息 的清晰度 至关重 要 。 3 触摸屏的人机交互界面设计基本原则与 设计过程 触 摸 屏 的 人 机 界 面 设 计 过 程 既 是 一 个 理 性 的 过 程 , 又 是 一 个 创 造 性 的 过 程 。 需 要 遵 从 一 定 的 设 计 原 则 。 基 本 原 则 是 以 人 为 本 , 即 以操 作 者 为 中 心 , 有 利 于 操 作者 与机 床 系统 间的 信息 理解 和交互 , 减 轻操 作者 的生理 、 心 理 负荷 。 既 要 使操 作者 具 有操 作 的 主动性 , 又要 避免 出现错误 操作 。 根 据这 一特点 , 参考 人机工 程 学 基本原理 , 在此 强调 以下几 个原 则 。 1 一 致 性 原 则 。 一 致 性 原 则 涵 盖 面 比较广 , 主要 有 ①界 面 内容 的安排 、 组 织结构 要 与操作者 的实 际知 识 结构 、 知识层 次相 一致 ; ② 界 面 的交 互过程 与操作者 的认 知过 程相 一致 ; ③ 界 面 的 内容 与表 现形 式 也要 相 一 致 , 否则 会增 加操 作者 的认 知负荷 , 影 响界 面 的可操 作 性 。 2 界 面 简 洁 性 原 则 。 界 面 设 计 是 视 觉 交 互 的 基 础 。 要尽 量保持 界面设 计 的简 洁 、 布局 的合 理和一 致性 , 各 区 域 功 能 明 确 , 重 点 突 出 。 千 万 不 要 被 多 媒 体 所 吸 引 , 导 致 滥 用 颜 色 、 动 画 、 声 音 等 , 以 免 分 散 操 作 者 的 注 意 力 或导 致其 认 知过 负 荷 。 因为简 洁性 原 则是 建 立在 人 的 短 期 记 忆 心 理 学 机 理 基 础 上 的 , 短 期 记 忆 的基 本 作 用 是 选 择 感 知 对 象 和 进 行 即 时 思 维 处 理 , 记 忆 量 约 为 “ 72 ” 段 c h u n k 息 , 例 如72 个 图形 、 72 个 名称 。 2 0 0 8/3 3 及 时 响应 原则 。 界 面 应 能对 操 作者 的决定 做 出 及 时 的 响 应 , 提 高 对 话 、 移 动 和 思 考 的 效 率 , 最 大 可 能 地减 少点 击次 数 , 缩 短光标 移动 距离 , 避免 使操作 者产 生 无 所 适 从 的感 觉 。 4 界 面 美 观 性 原 则 。 美 是 对 比 的产 物 。 界 面 的 美 观 性直 接关 系到操 作者 的视觉 、 心 理感受 , 从 而影 响操作 结 果 。 美 观 性 原 则 主 要 针 对 视 觉 界 面 布 局 、 颜 色 、 图 形 、 字 体 等 ; 同 时 , 美 观 性 又 是 一 个 综 合 概 念 , 这 是 由 交 互 的 整 体 和 谐 度 决 定 的 。 5 指导 性原 则 。 指 导性 原 则 应 注意 通 过任 务 提示 和 信息 反馈 来 指 导操 作者 , 使 操 作者 在 操作 时得 到伴 随 的视觉 引导支持 ; 从 而 自然地 掌握 使用 方 法。 数控 机床触 摸屏 的人机 交互 界面设 计 过程 可参考 一 般 人 机 工 程 学 的设 计 过 程 , 见 图 2 。 ① 需 求 分析 阶段 , 包 括 用 户 特 征 分 析 、 任务 分析 等 , 从 人 和 机 两 个 方 面 同 时 人 手 , 进 行 任 务 分 析 ; ② 调研 验证 阶段 , 包括 调查 操作 者 的界 面需 求 和 使用 环境 , 也要 尽可 能地 向系统 外 间接人 员调研 , 同时 调 查 界 面 的 硬 件 、 软 件 性 能 特 点 ; ③设 计 阶段 , 包括 界 面 的概 念设 计 、 详 细设 计 、 界 面 实 现 ; ④方 案改进 阶段 , 包括方 案测 试 、 方案改 进 ; ⑤用 户验证 反馈 阶段 , 由用 户对 界面 进行使 用 , 提 出修 改 意 见 , 并 针 对 意 见 进 行 修 改 调 整 。 4 触摸屏的人机交互界面设计要点 数 控 机 床 触 摸 屏 的 操 作 界 面 中 包 括 显 示 与 控 制 两 个部 分 , 由于这 两个部 分显 示信 息都 是虚 拟 的 , 设 计 时 具 有很 大的设 计 空 间 , 大大 增 强数 控 机 床操 作界 面设 计 的 灵 活 性 、 多 样 性 。 但 如 果 把 握 不 好 设 计 规 则 , 会 带 来 很 多 的 失 误 , 甚 至 导 致 事 故 发 生 。 笔 者 根 据 数 控 机 床 人 机 交 互 界 面 设 计 基 本 原 则 并 结 合 某 厂 的 部 分 数 控 机 床 与操 作 人员 男 性4 5 名 , 女 性 5 名 进行 实 验 , 总结 如 下 。 4 . 1 界 面的 布 局 与 划 分 关 于数控 机床界 面触 摸屏人 机 交互 界面 布局与划 分 问 题 。 前 人 已 经 进 行 了探 索 与 研 究 , 也 总 结 出 如 特 征 矩 形 、 均 方 根矩 形 、 F矩 形 等 划 分 方法 。 但这 些 划 分 方 法 只是 针对 视 觉上 划 分 。 数 控机 床触 摸 屏 除 了显示 视 觉信 息还要 具有操 作 的特点 。 根 据实地 调研 , 大多 数 操 作者 习惯使 用 右手 操 作 , 所 以按 键 控 制 区适 宜放 置 在 右侧 或下部 , 以减 少手 指 的移 动 距离 。 以下 为常用 的 机械制造4 6卷第5 2 3 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 种 布 局 形 式 , 见 图 3 。 布 局 划 分 方 式 可 采 用 不 同 色 相 的 高 明色 块 划 分 , 也 可 使 用 线 框 进 行 划 分 。 4 . 2界 面 的 色彩 设 计 色彩设 计是 数控 机床 触摸 屏 界面人机 交互 设 计 的 重要 因素 之一 , 设 计 时要 注意 以下 几点 1 主体色彩 的 选 择 。 由 于 触 摸 屏 的 亮 度 、 对 比 度 相 比较 CR T显 示 器 要 弱 很 多 , 再 加 上 工 业 应 用 应 区 别 于 娱 乐 界 面 , 所 以 在 界 面 设 计 中 包 括 背 景 和 操 作 组 件 , 颜 色 种 类 最 好 不 要超 过 5 种 ; 背 景 与大 面 积 色彩 宜 采用 白色 和浅 灰色 。 重要操作 组 件宜采 用红 色 、 黄色 、 蓝 色等彩 度较 高 的色 彩 , 但 不 宜 过 多 且 面 积 不 可 过 大 , 否 则 会 引 起 混 乱 , 导 致 视 觉 疲 劳 , 反 而 失 去 突 出 重 点 的 作 用 。 2 合 理 利 用 色 彩 的象 征 意 义 , 色 彩 在 生 产 方 面 的 主 要 象 征 意 义 如 下 红 色表 示 高度 危 险 、 禁 止 、 故 障 ; 黄 色表 示小 心 、 注 意 ; 绿 色 表 示 启 动 、 正 常 、 安 全 。 使 用 色 彩 的 象 征 作 用 时 应 该 和 图 标 、 字 体 结 合 使 用 f 2 ] 。 3 过 渡 色 块 的使 用 , 见 图 4, 因 为 触 摸 屏 分 辨 率 较 小 以 及 具 有 反 光 性 的 特 点 , 适 宜 使 用 单 一 色 块 , 尽 量 减 少 过 渡 色 块 的使 用 , 以免 影 响 观 察 。 4 . 3界 面 的 字 体 设 计 字 体 在 数 控 机 床 触 摸 屏 界 面 人 机 交 互 设 计 中 起 着 传 递 准 确 信 息 的作 用 。 因 此 在 设 计 时 要 注 意 1 字 体 的 设 计 首 先 要 考 虑 可 识 性 。 即 字 体 主 要 功 能 是 向 操 作 者 传 达 信 息 , 所 以 字 体 的 设 计 不 宜 花 哨 , 以清 晰 为 主 。 经 机械制造4 6 卷 第5 2 3 期 过 调 研 在 数 控 机 床 的人 机 交 互 界 面 设 计 中 英 文 和 数 字 适 宜 使 用 Ar i a l 和 C a mb r i a字 体 , 中 文 适 宜 使 用 宋 体 和 黑 体 。由于 触 摸 屏 的分 辨 率 要 小 于 传 统 C RT显 示 器 , 因 此 在 显 示 字 母 或 图形 时 容 易 产 生 ‘ 锯 齿 ’ 。 应 尽 量 减少斜 体字 的使 用 , 见 图5 。 2 字 体 的大 小 。 字 体太 大会 占用显 示 界面 , 同时 由于倾 斜 的笔 画也会 产生 ‘ 锯齿 ’ , 影 响视 觉 效 果 。 字体 太 小则 会影 响 识 别 。 通 过 实 验 得 出 , 字 体 大 小 选 择 范 围最 小 字 母 为 5 mm, 最 大 为 2 0 mm, 见 表 1。 3 字 的 间 距 。 字 跟 字 之 间 的距 离 最 小 为 1 mm, 最 大 为 5 mm。 4 字 体 的方 向设 计 应 遵 循 人 的 视 觉 习 惯 , 即水 平 方 向 上 从 左 向 右 ; 垂 直 方 向上 从 上 向下 。 表1 字体 大小范 围 I 字体的大小选择范围/ m m l 观察距离 l 最小字母的大小 I 最大字母的大小 5 0 09 0 0 l 5 『 2 O 4 . 4界 面 的 图 标 设 计 实 践 证 明 图 标 具 有 一 图 顶 千 言 的 效 果 。 在 图标 的 设 计 中 , 要 将 设 计 的 重 点 放 在 表 达 含 义 的 主 要 线 条 设 计 上 , 而 不 是 画 面 的 细 节 ; 这 就 意 味 着 并 不 需 要 复 杂 的 画 面 。 再 加 上 触 摸 屏 的 分 辨 率 及 反 光 性 的 特 点 , 所 以 在 设 计 图 标 时 要 注 意 以 下 几 点 1 图标 和 背 景 的 对 比 , 清 楚 和 粗 笔 画 的 图 形 及 背 景 对 比 是 十 分 必 要 的 。 笔 画 过 于 细 , 会 造 成 识 别 上 的 模 糊 性 , 见 图 6 所 示 。 2 实 心 图 标 , 实 心 图标 比开 放 式 边 界 的 图 标 识 别 性 强 , 且 不 易 产 生歧 义 , 见 图7 所 示 。 3 图标 的简 洁化 , 图标 在 确保意 义 表 达 明确 的基 础 上应 尽 量 简 洁 , 同 时借 鉴 行业 标 准 图 标 , 见 图 8 所 示 。 4 . 5界 面 的 按 键 设 计 数 控 机 床 触 摸 屏 人 机 交 互 界 面 中 的按 键 都 是 虚 拟 的 , 具 有 很 强 的 自 由 度 , 所 以 / 、 、 f/ / \\ \ / [ 好 不好 ▲图6图标线条对比 3 m in/im inL 一 . 实心 、 封闭图 开放式 、 细 线图标 标易识别 视觉力不强 ▲图7实心 图标易识别 简 单 的 、 标太多细节 的、 非 准化 的图标标准化 的图标 易识别 弱化了符 号感 ▲图8 图标的简洁化 2 oo 8 / 3 圆 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计 时要 注意大 小 、 布 局 的统一 , 也要参 考人手 指 的尺 寸 参 数 和触 摸 习惯 。 具 体 要 点 如 下 1 按 键 的大小 设 计 , 应 根 据 人 的手 指 的 大 小 以及 触 摸 习惯 进 行 设 计 , 笔 者 在 某 厂 通 过 调 研 操 作 者 的触 摸 习惯 得 出 , 在 被 测 者 中9 0 %使 用食 指 , 8 %使 用 中指 , 2 %使 用 大拇指 , 见 图 9。 同 时 以食 指作 为实 验 样 本 测 量指 尖 触 摸 面 积 的 大 小 , 见 图 1 0 。 根 据调 研 结果 结合 标 准进 行 修正 , 公 式如 下 S 口b t a n , 其 中修 正 系 数 卢 1 1 0 % 。 实验 结果 如下 按键 最小 为 1 0 mm, 适 宜 为 1 9 mm, 最大 为2 5 mm。 2 按 键 间距设 计 , 按键 的间距 要考 虑简单 操 作 和连续 操 作 , 简 单 操作 时最 小 间距 为 1 3 mm, 适 宜为 2 5 mm, 最 大 为 5 0姗; 连 续 操 作 时 如 数 字 输 入 键 最 小 间距 为2 mm, 适 宜 为 6 mm, 最 大 为1 2 mm。 3 数 字按 键 的布局 , 应 该 采 用人 们 日常 生 活 中常见 的数字键 的 布局 , 即采 用手机 数字键 的布局 , 不 宜使 用计算器 的布 局 方 式 ⋯ 1。 以减 少 短 时 记 忆 与 习惯 之 间 的冲 突 , 见 图 1 1 。 4 特殊键 的布 局 , 紧急停止 键等 特殊键 应 与常规键 分 开 , 以免 发生 误操 作 。 参 照人 们 的右 手 习惯 , 特殊 键 应 放 置 在 左 部 , 例 如 “ 取 消 C a n c e 1 ” 在 左 边 , 而 “ 是 Ye s ” 在 右边 。 特 殊 键 与普 通 键 之 间的 间隔距 离应 在 2 / 3 键 的 距 离 以 上 。 4 . 6触 摸 的反 馈 设 计 由于 触摸 屏 没 有类 似 于 电脑 的光 标 参照 , 所 以在 设计 时要 加强 反馈 的设 计 。 例 如 HNC一2 1 T数控 机 床 操 作 系 统 的 交 互 界 面 中 , 见 图 1 2, 当手 指 触 摸 按 键 后 , 即激活 了按 键 , 此按 键 显示 为 黄 色 。 操作 者能 准确 、 清 晰地得 到信 息反馈 。 5 小 结 数 控机 床触 摸屏人 机 交互界 面设计 是新 的研 究方 向 , 随着 我 国制 造业 信 息 化 、 数 字化进 程 的加 速 , 必将 越 来 越 受 到 重 视 。 同 时 只 有 大 量 的 调 查 研 究 、 合 理 的设 计 , 才能完 善数控 机床 触摸屏 的人 机交互 界面 , 从而增 强我 国数控 机床 的市场竞 争力 。 参 考 文 献 1 王坤茜. 基于人机工程学的数控机床控制面板设计【 J 】 _ 中国 制造业信息化, 2 0 0 3 , 3 2 3 9 49 6 . 2 丁玉兰. 人机工程学【 M】 . 北京 北京理工大学出版社, 2 0 0 5 . 3 赵江洪. 人机工程学【 M】 . 北京 高等教育出版社, 2 0 0 6 . 4 美 R o b e r t Q u e s a d a 著. 崔洪斌, 张敬凯译. 计算机数控技术 应用加工中心和车削中心【 M】 . 北京 清华大学出版社, 2 0 0 6 . △ 编 辑 文 圻 一 重 自主 研 制 国 内宽 幅最 大 的热 连 轧 机 组 国内首套自行研制、 宽幅最大的22 5 0 热连轧机组将于今 年年底在中国第一重型机械集团公司诞生。 近年来 , 中国一重始终致力于该类产品的研制和开发。 在目前国内正在建设或建成的近百台套热连轧机组中, 中国 一 重参与设计制造的达一半以上, 其中自行设计制造的、 具 有自主知识产权的占到了6 0 %。 经过多年的技术引进、 消化、 吸收, 并通过技术再创新 , 中国一重在成功自主研制国内第 一 套2 1 5 0 热连轧机组的基础上, 已经具备了设计制造各种规 格高水平成套热 连轧机组 的能力。 去年1 0 月, 在接到2 2 5 0 热连轧机组的设计制造合同后 , 中国一重将首次在该规格产品上为用户提供全套的、 具有当代 世界先进水平的机械和液压设备。 在合同执行中, 中国一重在 吸收国外先进技术的基础上, 进行再创新, 并采用了高压水粗 除鳞、 具有 A WC功能的粗轧机、 全液压式精轧机、 卷毂式飞 剪、 成流冷却装置、 全液压三助卷辊地下卷取机等多项该领域 国际前沿先进技术设备。 这套设计年产能为4 0 0 万 t 、 最薄可轧 厚度为1 . 5 l l l l n板材的热连轧机组交付用户后, 将对打造“ 中国 一 重” 品牌起到积极作用。 蔡静由庆祝 2 0 0 8 / 3 机械制造4 6 卷第5 2 3 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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