基于人机工程学的数控机床设计与分析.pdf

第 l 1期 2 0 1 4年 1 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Au t o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c h n i qu e NO． 1 1 No v．2 01 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 1 1 0 0 4 9 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a mt ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 1 3 基于人机工程学的数控机床设计与分析 刘 涛 ， 陈 明 1 ． 东北大学 艺术学院， 沈阳 1 1 0 0 0 4 ； 2 ． 沈 阳机床 集 团 有限责任公 司 外观与防护研究所 ， 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要 针对数控机床人性化设计方法进行概述 ， 并分别从数控车床外观造型 中各 个单元部件一左 固 定罩 、 右 固定罩、 拉 门、 观察 窗与拉手， 提 出了其各 自的人机工程学设计要 点。为 了能够更好 的说 明 个单元部件的人机工程 学设计要点 ， 通过一成功的设计 实例论述 了在设计 中如何运用数控车床单元 部件的人机 工程学设计要点。其设计与分析 内容对于从事数控机床外观造型设计的工作人 员具有 一 定的参考价值。 关键词 人机工程 学； 数控车床 ； 外观 ； 造型设计 中图分类号 T H1 6 5 ； T G 6 5 9 文献标识码 A De s i g n a n d An a l y s i s o f CNC M a c hin e To o l Ba s e d o n Er g o n o mi c s L I U T a o ， CHEN Mi n g 1 ．A r t I n s t i t u t e， N o r t h e a s t e rn U n i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4， C h i n a ； 2 ． A p p e a r a n c e a n d P r o t e c t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e， S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l G r o u p C o ． ， L t d ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I t ha s o u t l i n e d t h e me tho d o f h u ma n i z e d d e s i g n o f CNC ma c h i ne t o o l ，，an d h a s p u t f o r wa r d the i r o wn e r d e s i g n po i n t s f r o m t h e e a c h a p p e a r a n c e u n i t s of t h e CNC 1 a t h e l e f t fix e d c o v e r ，fig h t fix e d c o v e r ， d o o r ，wi n d o w a n d h a n d l e ．I n o r de r t o b e e r i l l u s t r a t e t he e r g o n o mi c a l d e s i g n p o i n t o f t h e e a c h u n i t p a r t s ， Th r o u g h an s u c c e s s f u l e x a mp l e ，i t h a s d i s c u s s e d h ow t o u s e the e r g o n o mi c a l d e s i g n po i n t s i n t he e a c h a p - p e ara n c e u n i t o f the CNC l a the ． Th e c o n t e n t s o f the d e s i g n a n d a n a l y s i s h a v e a c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e f o r the p e r s o n n e l wh o are s t u dy i n g the a p p e ara n c e d e s i g n o f CNC ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wor d se r g o n o mi c s ； CNC l a t h e ； a p p e ara n c e ； mo d e l i n g d e s i g n 0 引言 数控机床是当代高科技的机电一体化产品⋯， 数 控机床造型设计是数控机床最直观 的部分 ， 也是操作 者经常接触的部分 ， 具有典型性和代表性 ， 研究它有重 大理论价值与现实意义。在数控机床造型设计 中， 应 强调对操 作者 的关注 。对于操作者经常接触 的部 件 ， 应以人的安全 、 舒适、 高效等作为重要的设计因素 ， 使数控机床与操作者之间互动达到和谐统一 ， 充分发 挥操作者 的最大效能与潜能。“ 以人为本” 的设计是 当代数控机床设计的一个重要设计原则。 1 数控机床 人性化设计 数控机床人性化设计是指在数控机床设计过程当 中， 根据操作者的身体生理结构、 行为习惯、 心理情况 、 思维方式等 ， 在数控机床设计基本功能和性能的基础 上 ， 对数控机床进行优化， 使操作者使用起来方便、 舒 适 引。其设计处处体现人文关怀， 是对人性 的尊重， 其核心是围绕着“ 人的因素” 考虑， 而人机工程学研究 核心也是“ 人的因素”， 故此 ， 数控机床人性化设计应 以人机工程学作为指导原则， 研究操作者 的行为、 能 力、 本能极限与其他特性 ， 设计出良好人机互动关系的 数控机床， 充分体现出数控机床对操作者的关注。 人机工程学 内容实质包含人的心理需要和生理需 要 ， 根据产品的种类不同， 两 种需要侧重点是不一样 的。对于普通 日常生活中的产品像手机、 家具、 电视 、 水杯等， 其设计 以心理需求为主兼顾生理需求 ， 产品更 多的需要符合当代美学及潮流设计 ； 对于像数控机床 此类专业性产品， 由于其功能性非常强， 在设计上则应 以生理需求为主兼顾心理需求。数控机床的人性化应 以造型、 色彩 、 装饰、 材料等设计形式要素的变化来实 现。其一 ， 造型要素是要 以一定的造型把产品得 以明 确化、 具体化与实体化 ， 它是一种重要象征符号； 其二， 色彩要素是依附于造型而存在 ， 色彩通过与具体形相 结合 ， 便会产生极强的感情色彩和表现特征 ， 具有强大 的精神影响； 其三 ， 材料要素应以当今绿色环保设计大 收稿 日期 2 0 1 4一 O 1 2 l ； 修回日期 2 0 1 4- 0 3 0 7 作者简介 刘涛 1 9 6 2 一 ， 男 ， 辽宁丹东人 ， 东北大学教授 ， 硕士生导师 ， 研究方向为工业设计 、 视觉传达， Em a i l 1 5 8 5 1 6 7 5 4 8 q q ． c o m。 5 0 组合机床与 自动化加工技术 第 1 1期 背景的前提下 ， 选择可以再循环利用和便于加工处理 的材料， 合理利用有限资源。 2 人机工程学在数控车床外观造型上 的设计 要点 数控车床外观造型其实质就是车床防护的设计， 而数控车床防护又分为若干个设计单元部件组成 ， 而 每个单元部件又由具体的小部件组成。每个设计单元 可视为整体组合中的一部分。例如， 在数控车床的造 型设计 中， 观察窗是车床门上的一部分 ， 而车床的门又 是车床整体造型的一部分 ， 这些造型单元之间的层次 构架关系与组合方式可 以用图 1 所示来表示， 防护由 各个单元部件构成 ， 部件下级又有子部件 ， 子部件又由 更小部件组成， 这样就形成了数控车床防护的层次关 系 。 数控 车 床防护 毫 垦 翟 麟 靛 抻 r 』 门 联 剧 前门侧门 C R T 箱 侧维修 口 图 I 数控车床防护层次关系 在数控车床造型设计 中， 把车床整体造型按照车 床防护布局要求划分为多个造型单元 ， 针对各个造型 单元分别寻找其可变的部分。可变部分的变化将导致 各个单元造型的变化 ， 将不 同造型特征的车床外观单 元进行排列组合 ， 以得到多样化的车床整体造型风格 。 最后 ， 通过对所有可能的方案进行评价 ， 在此期间必须 考虑车床防护单元部件与整体造型之间和防护单元部 件与单元部件之间造 型特征的协调 ， 并且考虑其结构 因素， 才能得到符合数控机床功能与结构要求的造型。 2 ． 1 数控车床单元部件的人机工程学设计 数控车 床的造型设计要 重点考虑 满足人机工 程学 方面的要求 ， 造型要以方便用户使用为前提 J 。单元 部件的人性化设计是数控车床外观造型设计的重点 ， 单元部件人机性能的好坏将直接影响人们对车床整体 性能的评价。数控车床单元部件的人机工程设计是决 定数控车床外观造型设计好坏的关键 ， 以左固定罩 、 右 固定罩 、 拉门、 观察窗、 拉手等主要单元部件 其位置 如图2 进行人机工程分析 ， 总结出此类主要单元部件 造型计 中需要满足的相关要求 。 电箱 左拉门 视窗 左 固定罩 前 门 前围板 后防护 c R 瞒 右 固定罩 右拉门 拉手 图 2 数控车床防护单元部件布局 1 左 固定罩 左固定罩虽然不是操作人员经常接触的机床部 件 ， 但是， 它与右固定罩是影响整体造型风格的重要因 素 ， 它们是数控车床外观的主体。数控车床左固定罩 通常防护的是床头箱 、 主电机等机床部件 ， 此处维护 、 维修频率较高， 为此 ， 左 固定罩侧 面通常会开设维修 门 ， 有 的左 固定罩前端 也开设 向上 开的 门 ， 此类 门的满 足度指标是通用 ， 依据 G B ／ T 1 2 9 8 5 9 1标准 ， 应选 择我国成年男子第 5 0百分位身高作为设计依据， 再由 如下通用公式 ①最小功能尺寸 人体尺寸百分位数 功能修正 量 ②最佳功能尺寸 人体尺寸百分位数 功能修正 量 心里修正量 故 此， 此 类 门 的 高 度 最 小 功 能 功 能 尺 寸 为 1 7 0 0 m m 1 6 7 8 2 5 1 7 0 31 7 0 0 ， 最 佳 功 能 尺 寸为 1 8 1 5 m m 1 6 7 8 2 51 1 5 I N ] 1 8 1 8 1 8 1 5 。 2 右 固定罩 右固定罩通常是防护的加工区域， 该 区域对防水 要求高。右固定罩前端通常承载着 C R T箱， C R T箱 的 位置应充分以人机工程学作 为基础 ， 查找我 国成年男 子第 5 0百分位数的眼高为 1 5 6 8 m m ， 再通过公式 1 确定 C R T箱显示屏 中心距地面的高度应为 1 5 9 0 m m 1 5 6 8 2 51 5 9 31 5 9 0 。对于右固定罩侧维修 口， 只要保证 人上半身 能够 进入 到 机床 防 护 内部就 可 以 ， 故查找我国成年男子第5 0百分位数的肩宽为 3 5 1 m m， 再根据公式 1求 出开 口宽度最小功能尺寸为 3 6 5 m m 3 5 1 1 3 3 6 4 3 6 5 。 3 拉门 车床拉门是车床外观造型的重要造型单元 ， 也是 机床操作人员接触较多的地方， 其尺寸与结构是否合 理对车床操作的易用性有着重要的影响。车床拉 门的 设计既要与车床左右 固定罩相配合 ， 还需要考虑拉 门 的大小。拉门的大小应保证拉门拉开的最大空间大于 机床最大加工工件尺寸， 并留出相应的余量 ， 一般操作 者 能装卸 的工 件 ， 拉 门拉 开 的尺 寸 比工 件 尺寸 大 1 0 0 m m以上 ； 需要 吊运的工件 ， 拉 门拉开 的尺寸 比工 件尺 寸大 2 0 0 ra m 以上 ； 横 向上 要 躲 开 钢 丝 绳 2 0 0 mm 左右 ， 如有 机械手 需 酌情处 理 。对 于最 大工 件较 小 的 车床一般采用单开 门， 而对于最大加工工件很大的车 床则多选用双开门。必要的时候， 还得借助气缸来控 制拉 门开关 。 4 观察 窗 车床工作时， 操作者常站在防护门前面 ， 通过头部 和眼部运动来观察工件加工， 故此， 操作者的观察视 野 就是观察窗设计的一个重要参考要素。操作者的 水平最佳视野为左右各 l 5 。 ， 垂直最佳视野为上 2 5 。 ， 下 3 0 。此外， 观察窗的高度应按照我国成年男子 第 5 0百分位数的人体的视高尺寸 1 5 9 0 ram 来设计。 基于这两要素 ， 观察窗的高度与大小应该把人 的最佳 视野包含在内， 以保证观察方便 。 车床视窗材质通常采用的是有机玻璃、 亚克力板 、 2 0 1 4年 l 1月 刘 涛， 等 基于人机工程学的数控机床设计与分析 5 1 钢化玻璃 、 防爆玻璃、 夹胶玻璃五种， 根据实际用途与 结构形式选择相应的材质与厚度。对于高速旋转 的工 件危险系数大 ， 视窗强度应能够承受住零件或危险物 质的抛 出。当今常用的方式有两种 ， 其一 ， 当视窗有相 应格栅保护 ， 可以选用 8 m m厚的有机玻璃 、 亚克力板 或钢化玻璃 ； 其二， 对于视窗前没有格栅保护， 一般选 用 1 8 m m的防爆玻璃或夹胶玻璃。对于工件旋转不 快 ， 危险系数小 ， 视窗可 以选择 3 m m～8 m m的有机玻 璃 、 亚克力或钢化玻璃。 5 拉手 拉手是操作人员操作机床常接触的部件， 对机床 操作的舒适性和操作人员工作效率的提高都有一定影 响。拉手除了要考虑安装高度 ， 还应从触觉生理角度 考虑拉手的直径、 长度 、 形状与材质等 ， 这些都要与人 手的尺寸相适应 ， 使得抓握舒适 ， 操作方便 。 拉手中心位置高度应按我国成年男子第 5 0百分 位数的肘高为 1 0 2 4 m m ， 再通过公式 1 确定拉手中 心位置 距地面 的高度应 为 1 0 5 0 mm 1 0 2 4 2 51 0 4 9 1 0 5 0 。此外 ， 拉手直径应 当以人体尺寸 的“ 手长” 为 依据设计 ， 一般横式安装把手要求截面积直径尺寸为 1 0 m m一 2 0 ra m， 优先考虑 1 2 m m～1 8 mm直径 ， 此类拉 手在机床使用较少 ， 并且 ， 通常所适用的门相对较小 ， 大部分机床拉手都是竖式拉手 ， 拉手通常双手推拉 ， 拉 手直径应为 2 0 m m ～ 5 0 m m。拉手长度取决于手掌宽 度 ， 掌宽一般在 7 1 ～9 7 m m之间 5 ％女性至 9 5 ％男性 数据 ， 因此 ， 合适 的拉手 至少长度为 1 0 0～1 2 5 m m。 拉手的截面形状 ， 对于着力抓握 ， 拉手与手掌的接触面 积越 大 ， 则压应 力越 小 ， 因此 ， 圆形截 面 积或 者 椭 圆形 截面拉手较好 ， 但是 ， 哪一种形状最适合 ， 应该综合考 虑作业 性质 和工作环境 。为 了防止与手掌 之间的相 对 滑动 ， 可以采用矩形或三角形。 2 ． 2 数控车床单元部件的色彩人机工程学设计 据有研究显示， 人在观察物体的最初 2 0 s中， 色彩 感占8 0 ％， 形态感占2 0 ％ ； 2 m i n之后 ， 色彩占6 0 ％， 形态 占4 0 ％； 5 m i n之后 ， 色彩与形体各 占一半 。由此可 知 ， 对观察者而言， 色彩具有先于形体信息传递的能力。 数控机床的色彩也不例外 ， 它也是先于形体进入人感 官。操作者使用机床时， 其观察的颜色的感觉在很大程 度上受心理因素的影响， 即心理颜色视觉感。通常不同 色彩会给人不同心理感受， 甚至同一色彩对不同的人也 会有不同的心理感觉。色彩人机工程学应用在数控机 床上主要体现在工作区域的划分与整体色彩搭配。 数控车床可分若干功能区域 ， 如加工 区、 操作 区、 电气柜和排屑器等。合理安排各区域色彩， 可 以使操 作者清晰分辨机床的各功能区域， 方便操作和维修 ， 很 好 地满足 操作者 的视觉生理要 求 。 如果数控车床外观各单元部件的色彩搭配得当， 就 能增加数控车床的美感。数控车床色彩搭配应力求单纯 大方， 一般以2种到 3 种颜色为宜， 所使用的色彩越简洁 醒目， 整体感越强。结合数控车床的功能区域划分来进行 色彩搭配的设计， 更能给人予舒适的色彩心理感受。 3 人机工程学在 C K 6 1 5 0外观设计上 的应 用 实例 图 3为 C K 6 1 5 0数控车床的外观设计方案。下面 结合该实际机床产品设计方案， 详细论述设计过程 中 如何 应用上文 中提到 的设计 要点 。 图 3 C K 6 1 5 0数控车床旧 上 、 新 下 外观设计方案对 1 左 固定罩 如 图 4所示 ， 左 固定 罩前面 设计 一个 向上翻 的前 门， 方便床头箱部分维修与维护， 其前门打开高度为以 人体最 佳 功 能 尺 寸 1 8 1 5 m m 为 依 据， 高度 设 计 成 1 9 8 7 m m。并且 ， 在其活动前门部分增设一个更小的活 动门， 方便操作员偶尔实行手动变档。由于该机床防 护高度较低 ， 不适合全身进人 防护内， 故此， 左 固定罩 的侧门采取人体上半身进入最小功能尺寸 3 6 5 mm作 为设计 基础 ， 开设 了 5 2 4 m m7 6 4 ． 6 mm的开 口尺寸 ， 方便人体上半身自由活动。 图 4左 固 定罩 活 动 门尺 寸 5 2 组合机床与 自动化／ j n - r 技术 第 l 1期 2 右 固定罩 由于此方案设计把 C R T箱设计在右拉 门上， 故右 固定罩涉及操作人员操作的地方只有其侧门， 其侧门 的开设 同样应采 取人体 上半 身进入最 小功 能尺寸 3 6 5 mm作为设计基础 ， 同时， 考虑此款机床 的对称结 构， 开设了一个与左固定罩侧 门一样的维修门。 3 拉门 此款机床其最大加工工件长度为 8 9 0 m m， 其设计 可以通过单扇 门的方式来实现功能要求 ， 但是 ， 本次设 计采用两扇 门的方式， 且把 C R T放在右拉 门上面 ， 主 要出于以下三方面考虑 1 从功能需求考虑 ， 该机床属于批量型普通数控 车床 ， 其电气 自动化程度低， 台尾不能通过操作箱控 制 ， 只能通过操作人在拉门完全打开的情况下， 通过手 臂伸入到防护内部来摇动台尾 ； 2 从人机工程学 方面考虑 ， 方便操作人 员对 刀 时 ， 能够让 C R T随拉门移动一段距离， 方便更清楚地 观察对 刀 ； 3 从美观因素考虑， 把操作 区域集 中在一起 ， 通 过凸显功能区域 ， 使机床整体设计显得非常简洁 、 明 快 、 高档。 4 观察窗与 C R T箱 基于此款机床高度较低 ， 观察窗采取 了斜 向上的 方式， 通 过 图 5显示， 视 窗玻璃 最低点 高度设 计为 1 2 6 8 mm， 小于人体视高尺寸 1 5 9 0 m m， 其视野范围包含 了人的水平最佳视野与人的垂直最佳视野。视窗玻璃 采用 1 8 m m的防爆玻璃 ， 符合人机工程学设计要点。 C R T箱 的设计 以 C R T显示屏幕中心距地面高度 作为设计基准， 由图 5可知 ， C R T屏幕中心距地高度为 1 5 6 0 m m， 比人体视高低 3 0 m m， 其原因是 C R T箱为 了 与外观防护整体风格保持一致 ， 其外观形式采用了一 定小倾斜角度 ， 导致操作员观察需要略微低头， 视平线 相当于有所降低。 5 拉 手 拉手的设计， 以人体操作舒适高度 1 0 5 0 ra m为基础， 将整个拉手中心位置高度设计为 1 0 3 2 m m 见图5所示 ， 整个拉手上下两个安装孑 L 距为 3 7 5 m m， 其范围包含了人 体舒适高度。拉手的截面积采用一个四角带小圆角的矩 形， 长宽为 3 0 m m 2 0 ra m， 其设计符合人机工程设计要点。 图 5 C R T箱与拉手功能尺寸图 6 色彩 此款方案 色彩设 计上 ， 力 求单 纯大 方 ， 凸显 机 床 的整体效果 ， 采用 由浅 灰、 橙 黄两 色搭配 。主体 色之所以采 用浅灰 ， 一方 面 ， 是为 了消除 车间操作 员长时间处于高纯度色彩环境 中产生视觉 疲劳 ； 另 一 方面 ， 方便机床 较好地 融人客户 车 间整体环 境。 拉 门采用 明度 与纯度 都很高 的橙 黄 ， 其 一 ， 是 为 了 很好 的划分功能区域 ， 凸显机床的视觉 中心 ； 其 二 ， 橙黄所 占面积相对较小 ， 这样 既避免操作员视觉疲 劳 ， 也改变 以往冷 冰冰 的机 械设备形 象 ， 增 添此类 小型车床 的亲和力 ； 其三 ， 出于安全方面考虑 ， 给予 非操作人员醒 目的警示 ， 机床 工作 时， 禁 止移 动拉 门。同时 ， 机床 防护 的小扣手 ， 均采 用拉 门的橙 黄 色 ， 既呼应 了拉 门的色彩 ， 又点缀 了整体 机床设 计 风格 ， 给操作者一个非常舒适的视觉感受。 4 结束语 充分运用人机工程学的研究方法去研究数控机床 外观造型设计是将来数控机床发展大趋势。文中只是 从人体静态和动态数据方面描述了数控车床各单元部 件设 计要点 ， 这是 数控 机床 人 机工 程学 研究 方 法 的一 部分， 还需要更多专业人士不断完善数控车床外观造 型设计要点 ， 推动我国数控车床外观造型设计实现真 正 意义上 的人性 化设计 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]张晶辉． 数控机床造型与人机工程的关系[ J ] ． 建材技术 与应用 ， 2 0 0 7 4 1 81 9 ． [ 2 ]徐礼锋． 数控机床设计中的人机工程界面研究 [ D] ． 合 肥 合肥工业大学， 2 0 0 6 ． [ 3 ]刘春荣， 齐元胜， 杨明忠． 现代制造系统 中的人因工程 [ J ] ． 机械设计与制造工程， 2 0 0 2 ， 3 1 1 4 5 4 7 ． [ 4 ]陈科， 郑红梅， 李钢． 人机工程学在数控系统中的应用 [ J ] ． 机械制造， 1 9 9 7 4 4 5 ． [ 5 ]孟庆强． 人机工程学在机械设计制造中应用的必然性 [ J ] ． 起重运输机械， 2 0 0 7 1 0 5 9 ． [ 6 ]丁玉兰． 人 机工程学 第 3版 [ M] ． 北京 北京 理工大 学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ]裘建新． 现 代工 业制造 中的人机 工程 学 [ J ] ． 机械 制造 ， 2 0 0 2 5 5 3 5 4 ． [ 8 ]胡萍． 人机工程学在工程机械设计中的综合应用[ J ] ． 质 量成本管理 ， 2 0 0 9 ， 4 7 5 3 3 5 65 8 ． [ 9 ]李维平 ， 李纶， 徐仁平． 加工中心造型设计[ J ] ． 现代机械， 2 0 0 1 1 4 1 4 9 ． [ 1 O ]G B ／ T 1 2 9 8 5 9 1 ， 在产品设计中应用人体尺寸百分位数 的通则[ S ] ． [ 1 1 ]G B 1 0 0 0 08 8 ， 中国成年人人体尺寸[ S ] ． [ 1 2 ]陈明， 马子 良， 张思复， 等． 数控机床人机工程学分析 [ J ] ． 科技创新导报 ， 2 0 1 2 1 6 1 0 71 0 8 ． [ 1 3 ]马帅， 贺运政． 色彩在人机工程学中的应用分析[ J ] ． 科 技信息， 2 0 0 9 2 4 7 0 ． 编辑李秀敏