（机械设计及理论专业论文）数控机床中人机工学应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 工业设计是我国机电装备设计中的薄弱环节，其产品在国际市场上缺乏竞争力， 究其原因，产品设计过程中仅注意了高技术的应用和多功能的要求，而忽视了人和机 器的协调关系。人机工程学在机电产品中的应用研究，作为一个具有很强的理论和实 际意义的课题，被推到前所未有的显要位置。 人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学，是按照人的特性设 计和改善人一机一环境系统。它把人和机器视为一个有机结合的系统，研究这门科学， 可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机系统实现高度协调统一，形成高效、经 济、安全的有机系统。 数控机床是现代高科技机电产品的一种重要设备，本文通过对人机工程学的系统 研究，针对数控机床这一设备的工作功能和操作特点，以它与操作者的使用界面的人 机问题作为突破口，将心理学、生理学、人机工程学、工程技术等多学科相关的内容 纳入整个研究体系中。对数控机床进行人性化、美学化、安全化的造型设计，重点是 控制面板上的显示操作的相合性设计。探索寻找有利于我国高科技机电产品的设计 开发和切入市场竞争，使我国的机电产品能在激烈的国际化竞争中得到有益启示。 关键词：人机工程；数控机床；工业设计；人一机关系 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r i a ld e s i g ni saw e a kl i n ki nt h ed e s i g no fe l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c e t h e r e a s o no f t h ed o m e s t i cp r o d u c t sl a c kc o m p e t i t i v ep o w e r i ni n t e r n a t i o n a lm a r k e ti st h a tt h ea p p l i c a t i o n o fh i g ht e c h n i c a la n dt h er e q u e s tf o rm u l t i - f u n c t i o na r en o t i c e dw h i l et h em a i l - m a c h i n e r a p p o r t i s n e g l e c t e d s o t h e a p p l i c a t i o ns t u d y o ne l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c eb a s e do n e r g o n o m i c si sp u s h e dt ot h eu n p r e c e d e n t e da n di m p o r t a n tp o s i t i o na sas u b j e c ts t u d yw i t h s t r o n gt h e o r e t i c a la n d a c t u a lp u r p o s e e r g o n o m i c s i st h es c i e n c et h a ts t u d i e sp e r s o nc h a r a c t e ra n dw o r kc o n d i t i o nh o wt om a t c h w i t hm a c h i n e s i ti m p r o v e st h es y s t e mo fp e r s o na n dm a c h i n ea n de n v i r o n m e n ta c c o r d i n g t o p e r s o n c h a r a c t e r i tc o m b i n e s p e r s o n a n dm a c h i n et oa s y s t e m o fa n o r g a n i s m c o m b i n a t i o n b ys t u d y i n g t h i ss c i e n c eh a r d ，t h eb e s td e s i g na n dt h em o s ts u i t a b l ec o n d i t i o t a c a nb ec r e a t e d ，m a i l m a c h i n es y s t e mi sf o r m e dt h eh i 出m o d e r a t e st ou n i f y ，e f f i c i e n t ， e c o n o m y a n ds a f eo r g a n i s ms y s t e mi sb e c a m e n cm a c h i n e sa r ei m p o r t a n te q u i p m e n t so fh i g h - t e c hp r o d u c t s a sf a ra st h et h e o r yo f e r g o n o m i c si sc o n c e m e d ，t h i se s s a yc o v e r saw i d er a n g eo fc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho n v l t r i o u s s u b j e c t s ，s u c h a s p s y c h o l o g y ，p h y s i o l o g y ，e r g o n o m i c s ，e n g i n e e r i n g a n d t e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ho nt h eb a s i co fm a i l m a c h i n ei n t e r a c t i o nr e s e a r c ha p p r o a c h t h e e s s a yp r e s e n t sh u m a n i z a t i o n b e a u t i f i c a t i o n & s a f e t yo nm o d e l i n gd e s i g no fn c m a c h i n e o nt h eo t h e rh a n d ，t h i se s s a ya l s op r e s e n t sa na n a l y s i st oc o n t r o l p a n e l w i t hp r i o r i t y r e s e a r c h i n go n t h ec o i n c i d e n c ei nd i s p l a ya n dc o n t r o ld e s i g n , s e a r c h i n gf o ra na c c e s st ot h e d e s i g nd e v e l o p m e n t o fc h i n a s h i g h - t e c h e l e c t r o m e c h a n i c a l p r o d u c t s a n db e n e f i c i a l e n l i g h t e n m e n ta m o n g f i e r c ei n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o n k e y w o r d ：e r g o n o m i c s ；n cm a c h i n e ；i n d u s u i a ld e s i g n ；m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：忙亍赳医 日期：劢牛年f 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向匡i 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密吖 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名；巧准瓶 日期：弘忤厂月争日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景与动机 1 绪论 由于科学技术的发展，新材料、新结构、新工艺的出现，机床外形给设计者以更 大的选择余地，在机械化生产的高效率和高效益，同时也带给操作者最致命的缺陷： 缺乏情感缺乏通俗化。换句话说，不少数控机床的设计，过分注意了高技术的应用和 多功能的要求，而忽视了现代人对数控机床设计越来越高的精神需求和越来越强的个 性表现。 工业设计的设计观是“以人为本”，为人服务是工业设计的目的所在。人机工程 学研究的对象是“系统中的人”。因此，工业设计和人机工程学的共同点是研究人， 研究人的生活和工作方式，以便改善人的生存条件和提高工作效益。随着高技术的应 用和高科技产品的发展，人们认识到高情感( h i g ht o u c h ) 产品的重要性。产品不仅 要求高质量、高精度、高科技含量，更要求高情感特性。 在高科技日新月异的当今时代里，人们普遍要求作为高科技生产的数控机床，除 具有高技术外，还应注入深厚的情感给予产品，在设计中勿忘给操作者更多的关心和 更通俗方便的操作使用方法，使产品富于人性化，赋予产品高情感性，充分体现“以 人为本”的社会意识。这对于工业设计师而言，无疑是一种新的挑战，但这也作为一 个严肃的课题，被推到前所未有的显要位置。 1 2 研究问题的提出 使人适应机器的要求，是4 0 年代以前人机关系研究的基本特点，工程师设计机 器往往只着眼于机械力学性能的改进，很少考虑使用者的要求，心理学家的工作也局 限于为现成的机器选拔和训练操作人员。 在第二次世界大战期间，由于武器性能和复杂性大大提高，即使经过选拔和训练 - 9 中科技大学硕士学位论文 的操作人员也很难适应，由此发生了许多机毁人亡或误击目标事故。这便迫使人们去 重新审查装备的设计，并促使人们认识到机器和操作者是一个整体，武器只有与使用 者的身心特点匹配时才能安全而有效地发挥作用。由这种认识出发，又提出了人机系 统的概念。这样，人们开始了从主要研究由人适应机器转向研究使机器适应人的阶段， 由此而形成了人机工程学这门学科。 数控机床采用人机工程学原则进行设计，实现美化数控机床外观形象和改善工作 人员工作环境的目的。我国目前工业生产中，机器设计阶段没有很好的考虑人机工程 问题，对人机系统缺乏必要的实验和研究，造成机器生产出来投入使用时，才发现由 于人机系统不合理，使得机器的效率不能很好发挥，甚至危及人身安全，付出很高的 代价，拖延大量时间对机器进行改造，修补又难以使人机关系得到彻底改善。从数控 机床的设计、制造、使用过程表明，数控机床的工作质量不但取决于机器本身的性能 和质量，还取决于操作的劳动者，而操作者的劳动质量在很大程度上又取决于该系统 中人机系统的功能质量。 1 3 研究对象分析 从人的本性来看，人的感性要更多于粤性，从这个角度出发，冰冷而机械味十足 的“不友善”的产品可以说是生产者强加于人们去使用日、j ，砖违背丫人的本性而不符 合人的生理及心理习惯的。 人机系统按手工与机器控制的程度，可分为三种系统：手工、机械和自动化。 1 ) 手工系统手工系统包括手工工具和其它辅助工具。这些系统的操作者用他 们自己的体力能量作为动力来源，传递给他们的工具，而且从他们那里收到大量信息， 以自己的速度操作，而且可以迅速地利用他们的能力去作为一个“高变化”系统。 2 ) 机械系统这些系统亦可称为半自动化系统，它是物理部件的很好的结合。 比如，不同类型的动力机械工具。这些工具在完成功能时很少能变动。动力是由机器 提供，操作者的功能基本上是种控制，通常是用控制装置。 3 ) 自动化系统当一个系统是完全自动化时，它完成所有的操作功能，包括感 2 华中科技大学硕士学位论文 ：= ：= = = = = = = g = = = = = = t # t = = = = = = = = = # = = = = = = 2 一 觉、信息加工和决策以及行动。这类系统需要完全被程序化，以便对所有可能的被感 知的偶然事件采取适当的行动。大多数自动化系统是封闭环性质，如果这个系统是完 全可靠的，它有可能去完成所有的功能而使人们去休息。完全可靠的自动化系统是不 可能的，在这类系统中，人的主要的功能是监管，设计程序和维修保养。【l j 当然，在手工、机械和自动化系统之间，不是完全隔开的。事实上，在任何一个 系统中，不同的组成部分( 或称子系统) 在手工或自动化程度上都可能是不同的。人 与机器在功能上各有所长，数控机床既有手工系统又有自动化系统，因此，机床的人 机工程设计应注意人和机器的功能分配。 机床产品发展的总趋势是从劳动密集型向技术密集型向高科技密集型转变。工业 发达国家，5 0 年代末开始采用数控机床。目前我国有大量数控机床和加工中心，数控 机床采用了大量的新技术，机床的自动化程度和生产率大大提高，并能进行小批量多 品种的自动化生产，从而完全取代人的体力劳动和部分脑力劳动。数控机床要求人根 据产品要求编制加工程序，把程序输入机床的控制系统，并监控机床的加工过程，诊 断和处理意外故障。因此，数控机床是在更高的层次上依赖于人，从而构成的技术密 集型人机系统。 分析系统中各个环节的要求和作用，确定最适合于由人或由机器做的工作，是人 机系统设计中的一项重要内容。一般说，强度大、速度快、精度高、单调的、操作条 件恶劣的工作应安排机器去做：拟定方案、编制程序、廖付不测、故障维修等工作适 合由人去做。随着计算机和自动控制技术的发展，人机功能分配也会有所变化。但是 不管技术如何发展，系统不能没有人的参与。【2 1 人将始终主宰技术的发展，技术的发 展又将使人的功能得到更充分的发挥。 1 4 本文研究的主要问题 数控机床是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家 设计和制造业的水平，倍受国内外企业界的高度重视，从而得以迅速发展并已成为现 代机床发展的主流方向。虽然我国是机床制造大国，但进口加工中心在国内市场具有 华中科技大学硕士学位论文 很高的占有率，这对我国的机床制造业造成很大的冲击，究其原因是我国机床的性能、 质量、可靠性和外观造型远不能满足用户需求。1 7 7 1 止i ，作为生产和制造d h t - 中心的厂 家，在借鉴和研究国外先进技术、进一步改进和提高产品各项性能的同时，还应注重 外观造型，要花大力气不断优化产品的造型、人机工程品质、色彩，形成自己独有的 特色来赢得用户与市场，从而进一步提高产品在国内外市场上的竞争力与附加值，使 产品立于不败之地。 人机工程设计的目的是为减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点以提高 机械产品的可靠性，并且体现机械产品的“情感性”。当然，人为差错除了人自身的 原因外，操纵台、控制及操纵环境等也与人的误操作有密切的关系。 数控机床的人机工程设计主要解决以下三个问题： 1 ) 保证系统向人传达的信息的可靠性。例如，指示系统不仅靠显示器，而且显 示的方式、显示器的配置等都应使人易于无误地接受。显示装置是机器与人的直接交 互界面。机器的显示装置通过高科技设计，直接将机器的运行信息，通过人的视觉系 统传递给人的中枢神经系统，作为人判断和决策的依据。 2 ) 保证控制、操纵系统可靠，而且适于人的使用习惯，便于识别操作，不易出 错。与安全有关的操纵元件，应有防止误操作设计。显示和操作通常是同步进行的， 因此，设计时应遵守显示一操作的相合性设计原则，减少操作者的信息加工量，减少 疲劳和避免误操作，提高安全性能。 3 ) 设计的操作环境尽量适合于人的情感需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素。 高情感特性包括符合人的生理需要和心理需要，具有很高的宜人性、舒适性、安全性， 符合人机工程学的要求：使用方便、操作性好、不易疲劳，产品设计安全，为用户着 想，考虑到每一个细微的环节，尽可能地达到操作者的要求，贴近人的感觉，甚至人 只要轻轻地触摸到它，它就会自然地为人工作。高情感特性是产品设计的一个新观念 和新发展。 以上三个方面的问题相互影响，产品的情感性和可靠性也是相辅相成的。因此， 数控机床的造型设计应结合人的操作习惯，将物理功能与人的生理、心理的基本理论 相结合。本文对数控机床的形态、色彩及布置进行设计方面的探讨，使人机界面识别 4 华中科技大学硕士学位论文 容易、操作方便，同时减少误操作，达到安全可靠。 1 5 设计方法与思路 人机工程的主要研究方法是通过调查，收集大量信息，并应用统计、归纳的方法， 分析信息得出相应的结论，在测试过程中，为收集用户的行为反应数据，主要采用的 调研方式有直接观察法、问卷法、访谈法、录像记录法等。【3 1 笔者应用上述调研方法， 通过参观和实践得到第一手学习资料，对比搜集到的资料，指出当今数控机床的人机 界面设计中存在的问题，根据这些存在的问题，应用人机工程学原理，提出自己的设 计思想和设计方案。在接下来的设计过程中，必须应用设计方法来实现设计方案，设 计方法主要有以下几种： 1 ) 创新设计创新设计是依据市场需求发展的预测，在没有样机可供参考的条 件下，根据对新产品预期的功能要求和性能指标，充分发挥设计者的创造力，利用人 类已有的技术成果( 含理论、方法、技术手段和原理等) 进行创新构思，设计出具有 新颖性、创造性及实用性的设备的一种实践活动。【4 1 2 ) 绿色设计绿色设计的基本思想是：在设计阶段就将环境因素纳入产品设计 之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。 核心内容是“3 r ”，即r e d u c e ，r e c y c l e ，r e u s e ，( 减少消耗、循环使用、回收利 用) ，1 5 】主要通过材料的选择和使用来实现。材料的问题在笔者的概念设计中未作深 入探讨，因此，绿色设计在本文不作为设计方法的重点，但在实际产品设计中的指导 意义是十分重要的。 3 ) 模块设计模块设计是按要求选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组 合产品”，进行组合产品的设计，应首先在对一定范围内不同性能，不同规格的产品 进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过这些模块的组合，构成 不同类型或相同类型不同性能的产品。 4 ) 变形设计单一产品往往不能满足市场需求多样化和瞬息万变的情况，如果 每种产品都采用创新设计，这样代价高，花费时间多。如果只需改进部分地方，采用 5 华中科技大学硕士学位论文 变型设计，将需要改进的地方进行改良设计，这样以前的东西不至于全部报废，能继 续利用。【6 】同时，新产品也能适应市场的需求，不断跟进时代的步伐。 本文在数控机床的工业设计中运用上述设计方法，依此进行人机床系统设计。 数控机床的产品中大部分属于变形产品，创新产品只占- - 4 , 部分，但笔者认为，创新 设计的重要意义不容低估，因为采用创新设计方法不断推出崭新的产品，是企业在市 场竞争中取胜的必要条件。 工业设计是我国机电产品设计中的薄弱环节，产品在国际市场上缺乏竞争力，其 原因并不是产品的功能欠缺，而是缺乏创新设计，突出表现为缺乏人机工学的应用研 究。因此，本文中数控机床的工业设计以概念设计为核心，以人机问题为突破口，采 用人机工程设计理念和表现形式，对数控机床的外观和使用操作进行创新设计。本文 同时采用了模块设计方法，将机床分为控制面板和机身，控制面板分为显示区和操作 区，不断细分为多个子系统，分别对各个子系统进行设计，最后组合成完整的机床。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 人机工程学 2 研究的理论基础 人机工程学是一门关于技术和人的协调关系的科学，它首先是一种理念，把使用 产品的人作为产品设计的出发点，要求产品的外形、色彩、性能等都要围绕人的生理、 心理特点来设计，使人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。 一、人机工程学的定义 人机工程学是以人的生理、心理特性为依据，运用系统工程的观点，分析研究人 与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、安全舒适、 人一机一环境的配合达到最佳状态的工程系统，提供理论和方法的科学。即人机工程学 是按照人的特性设计和改善人机环境系统的科学。【7 】 人机工程学研究的核心问题是不同的作业中人和机器之间的协调，指出机器应该 具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益，创造出最 佳设计和最适宜的条件。【8 】研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测 量学、美学和工程技术等多个领域；研究方法包括观察、访谈、对照比较和测试、统 计分析等；研究的目的则是通过各学科知识的应用，指导工作器具、工作方式和工作 环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。 二、人机工程学的发展 人机工程学是从2 0 世纪中期开始，跨越不同学科领域，应用多种学科的原理、 方法和数据发展起来的一门新兴边缘科学。人机工程学的学科发展动力有三个来源， 即实践需要、技术进步和语言学的发展。【9 】 在人机工程学诞生之前，设计师把研究的重点放在“设计人去适应机器”上面， 把重点放在人的训练上。然而，第二次世界大战的经验表明，对有些系统，即使具有 良好训练的操作人员仍不能很好地工作。人机工程学发展的第二个动力来自技术的发 展。随着日益增进的技术进步，复杂的系统具有的愈来愈多相互联系的元素，这种情 华中科技大学硕士学位论文 况迫使设计者去考虑人与机器两者的任务分配问题。最后，对人机工程学发展的影响 来自信息论和控制论。 1 0 】这种理论开始替代了行为心理学的刺激一反应用语，同时这 些语言使人们有可能用在机械、电子或操作者在交互过程的信息系统中使用的相同术 语来描述人的某些功能，这有助于在系统设计与分析中把人与机器结合成一体。 作为一门在军事上具有广泛应用价值的科学，人机工程学在战后美苏军备竞赛中 得到迅速发展。美国有关机构在十几年的时间里解决了载人宇宙航空中宇航员的生 理、心理问题，将人机工程学向前推进了一大步。 另一个使人机工程学获得发展的领域是汽车行业。战后汽车工业的发展使人们更 加注重车辆的安全和舒适，汽车设计师们把人机工程学创造性地应用于汽车设计，使 汽车的安全性、操纵性、舒适性大大提高。 图2 l 是v o l v o ( 富豪) 轿车的室内，新 型$ 8 0 座椅采用人机工程学设计，为驾驶 提供支撑和减震。此外具有记忆功能，只 需轻触按钮，座椅就能记忆你最喜爱的驾 驶位置。便捷的操作能使产品具有更广泛 图2 - 1v o l v o 轿车内室 的适用性和更强的市场竞争力。 家具制造业也是应用人机工程学比较广泛深入 的领域。长期的不良姿势极大地影响着身体健康。 最典型的例子是椅子的设计，图2 - 2 ( a ) 休闲座椅简 洁漂亮，坐垫的设计符合人机工学。图( b ) 会议椅 的每个细节设计都应用了人机工程学，从扶手到靠 背的曲线全部按照人体的生理曲线设计。 ( a ) 体闲椅( b ) 会议祷一 随着人机工程学被广泛应用于各行各业，大多图2 - 2 应用人机工学设计的座椅 数工业国家的有关机构制定相关的行业标准，国际标准化组织i s o 也制订了工作系统 设计中的人机工程学原则标准，这对提高产品的安全性和易用性，减少对使用者的潜 在威胁起到了重要的作用。 三、人机工程学的作用 8 华中科技大学硕士学位论文 人机工程学在许多领域具有广泛的应用，从大型的机器设备到人的日常生活用 品，遍及人类的生产和生活的各个方面。不管人所使用的产品如何演变，重要的是要 为适应人的持久不变的力量与能力限度而进行设计，这是人机工程学的基本目标。j 工业设计与人机工程学相辅相成，人机工程学给工业设计提供了有关人和机关系 方面的理论知识和设计依据，工业设计也反过来推动了人机工程学的发展。人机工程 学的基本理论“产品设计要适合人的生理，心理因素”与工业设计的基本观念“创造 的产品应同时满足人们的物质与文化需求”，两者意义基本相同，都是以人为核心i 以人类的健康发展为最终目的。 产品设计的出发点是人，设计的目的是为人而不是产品，概而言之，工业设计的 主导思想以人为中心，着重研究“物”与“人”之间的协调关系。如果设计活动只考 虑物质功能，而不考虑人机工程学的原理与方法，那是设计活动的失败。因此，如何 解决“物”与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生理、心理机能相协调的“物”， 这是当今工业设计中在功能问题上的新课题。【1 2 】 如何让操作者掌握数控机床的操作，解决诸如人机对话、人的心理负荷、故障诊 断和处理能力，使用数控机床带来的系统安全问题，以及社会心理等问题，是设计数 控机床的关键，也就是如何设计出符合人机系统的数控机床。这些问题不仅靠技术来 解决，更需要应用人机工程学的原理进行合理化设计，使之更适合于人的使用。 2 2 工程心理学 工程心理学是以人一机一环境系统为对象，研究系统中人的行为及其与机器和环境 相互作用的特点的工业心理学分支。工程心理学主要研究与技术设计有关的人体生理 心理特点，目的是使工程技术设计与人的身心特点相匹配，从而提高系统效率、保障 人机安全、并使人在系统中能够有效而舒适地工作。 1 3 】 2 2 1心理空间 个人心理空间是指围绕一个人并按其心理尺寸要求的空间。通常把确定心理空间 9 华中科技大学硕士学位论文 的距离分为四个范围，即亲密距离、个人距离、社交距离、公共距离，如图2 3 所示。 该图表明，在人际交往时，有一个属于个人心理的空间场。【14 人际交往的距离除与个 人心理有关外，还与亲密程度、性别、民族、季节和环境条件均有关系。 i ) 亲密距离：以最小距离相互接近，亲密无 间。如亲人至友等相互距离可保持在3 5 c m 内。 2 ) 个人距离：对联系较多的亲密朋友，虽然 关系比较亲密，但并非亲密无闻，交往距离约在 3 5 一1 2 0 c m 。 3 ) 社交距离：如熟人相遇、同事或公事交往、 交谈、办理公务时，相互距离在1 2 0 3 0 0 c m 为宣。 4 ) 公共距离：素不相识与自己无直接交往关 系的人，应保持一定的社会距离，一般相距3 9 m 。 图2 - 3 个人心理空间 上述几种心理空间距离与作业空间设计有重要关系。虽然设计的作业空间主要与 物理条件相关，但也应考虑作业空间对人引起的心理反应。心理距离对于工作空间和 工作环境的设计有着重要的指导意义。 当在工作中的空间距离设计不适当，与心理距离相冲突时，会令操作者产生心理 厌烦，继而产生心理疲劳，引发安全事故。【”1 数控机床的操作也涉及到工作空间的问 题，在设计过程中就注意将个人的操作范围选择在个人心理所允许的空间内。 2 3 2 心理疲劳 疲劳是一个相当复杂的生理、心理现象。苏联生理学家谢切诺夫通过实验得出结 论：肌肉活动时，中枢神经系统不断遭受出肌肉等末梢神经传来的神经冲动的攻击， 从而降低了中枢神经的必奋性，使中枢神经逐渐趋于疲劳，这是一个反射过程。n 6 1 劳动者由于心理系统发生变化而引起作业能力下降的现象称为心理疲劳。 一、产生疲劳的工作动机研究 在实际劳动中，劳动者产生疲劳的速度和疲倦体验随着工作动机而波动。动机能 影响人的情绪和心境，也能调节人对工作的态度。美国心理学家迈尔( r f m a r i e r ) l o 华中科技大学硕士学位论文 开展了关于动机一疲劳一能量消耗三者关系的研究，并提出了关于疲劳的动机理论。 迈尔理论表明：每个人的总能量是个相对稳定的常量。每个人每天都在不自觉地 根据自己的需要层次和优势动机的水平对总能量系统进行合理的分配。【7 将它按不同 比例分配到工作、学习、生活等各个不同的方面。不同的人，由于认知、态度、需要 等方面的差异，他们对总能量的分配领域和比例都各不相同。即使同一个人，在不同 的时间、地点和情境中，由于动机需要和态度等变化，也会对总能量做出不同的分配。 二、引发疲劳的原因 从前面对疲劳所作的探讨中可能知道，影响疲劳的因素有生理和心理因素，亦有 主观和客观因素。对引发疲劳的原因作系统归纳，大致可列为如下几个方面： 1 ) 劳动组织的不合理，如劳动强度过大，速度过快，工作单调、重复，注意力 持久集中，劳动时间过长，不良的工作体位，以及工作设备、工具太差，等等。 2 ) 不良的劳动环境条件，如高温、高湿、低温等气象条件，或存在有毒有害物 质，通风不良，照明不足，有噪声、振动等。 3 ) 劳动者自身的不良因素，包括劳动者在体力、智能等多方面，如劳动者体力 不支，对工作生疏，长时间劳逸不当，对工作缺乏兴趣，情绪波动等都会引起疲劳。 三、预防和消除疲劳的措施 针对引发疲劳的上述原因，预防和消除疲劳可以采取以下几条主要措施： 1 ) 改善劳动组织，注意劳逸结合。重视改善劳动者的工作体位，克服强制体位， 防止长期的个别系统或器官过度紧张出发，按照人的劳动能力和生理规律来改革、设 计工具，使操作更方便省力。 2 ) 对工作场所选用合理的颜色，构成良好的色彩环境，充分发挥色彩对劳动者 的心理和生理效应，精神愉快，减少心理疲劳，提高效率。在特殊工作环境中，加强 防护设施，减少劳动者的疲劳感受。 3 ) 重视调节劳动者的心理因素，通过科学合理的管理制度和手段，同时采用美 观的造型设计，激发劳动者对工作的兴趣和动机，尽可能使工作丰富多样化，避免单 调重复性，使劳动者情绪饱满地积极工作，从而抑制或减少劳动者的疲劳感。 在数控机床的使用中，心理因素将极大地影响工作者的判断与操作，而工作者的 华中科技大学硕士学位论文 心理又受到上述各种因素的影响。在数控机床的设计中，要尽量注意到影响心理的各 种因素，对色彩、形状、位置等诸方面进行协调设计，最大限度减少操作者的心理疲 劳，使之能够心情愉悦、热情饱满地工作。 2 3 安全人机工程 安全，意指没有危险，不受威胁，不出事故。安全需要是人类的基本需要之一i 人在任何环境中，都具有安全的需要。在人机工程中，安全主要是不出事故或防止事 故之意。众所周知，安全问题是随着生产的产生而产生，随着生产的发展而发展的。 随着工业规模的不断扩大，煤矿、土建、化工、运输等工程往往发生人数很多的重大 伤亡事故。安全问题受到越来越多的关注，安全技术也逐渐形成了一个综合性学科。 传统的安全工作法虽然能防止一些伤亡事故，但仍存在一些问题，事故预防工作 总跟不上技术的进步，为了能够事先预测事故发生的可能性和掌握事故发生的规律， 安全人一机系统工程学就发展起来了。 2 - 3 1 安全人机系统 用系统理论管理安全人一机系统是近年来发展起来的，它的主要作用是：从全局 观点出发，在系统生存的各个阶段，充分发挥各个分系统的安全功能，运用工程逻辑 和近代数学科学方法，采用综合性安全措施，将系统可能发生的事故减少到最低限度， 或者加以消除和控制，从而达到较理想的安全状态。 安全人机系 统事故模型用来 阐明人身伤亡事 故的成因、始末 过程和后果。这 对于探讨安全防 护原理是十分有 效的，是事故分 图2 - 4安全人机系统事故模型在系统安全中的作用 1 2 华中科技大学硕士学位论文 析和预测和依据，是实现安全生产的核心，它的作用如图2 - 4 所示。 2 3 2 色彩与安全 色彩学研究是人机工程学研究的一个方面，是对人的状态研究，如疲劳、应激、 觉醒、持续、单调、警觉等状态性现象的研究。在色彩的应用中，不仅是要考虑美学， 还要考虑生理学和心理学，以及色彩对人类心理和活动的影响。 一、色彩的作用 在造型设计中，常用色彩的对比手段，达到一定的视觉效果。在占支配地位的色 彩中，利用异质色彩的诱惑力给人以强烈的特征表现，起到短时凝聚人的视觉作用， 达到先声夺人的效果。如果产品的色彩处理不当，不但影响产品功能，破坏产品造型 的整体美，而且很容易破坏人的工作情埔，分散操作者的注意力，降低工作效率。 由于颜色能对人的心理产生巨大的影响，继而影响到人的活动，不良的颜色设计 易产生视觉疲劳，影响人的正确判断，因此安全和色彩是相互关联的。为了在安全研 究中应用色彩分析，我们采用了颜色编码的方式来进行研究。 二、色彩的应用颜色编码 讨论目标搜索和视觉注意必须简要地涉及显示中颜色编码的特殊作用。9 7 的人 色觉是正常的。不同颜色的加工或多或少是自动加工的，它和形状、动作特征的加工 是平行的。【l9 】利用颜色自动加工的特征中可以获得以下收获： 1 ) 彩色从黑白背景中突显出来。因此，颜色编码目标可以快速而容易地被注意 到。在视觉搜索中，在杂乱的多个项目的呈现中，单一颜色编码目标的搜索和现场的 大小无关。因而，目标和关键因素的颜色编码对快速定位非常有效。 2 ) 一定的编码在总体中具有即定的符号意义。例如红色代表危险、停止，绿色 代表通行、安全。同时，颜色如果作为形状、大小和位置的冗余编码可以使颜色编码 的自动性得到加强。例如交通信号灯的位置和颜色编码。 3 ) 颜色编码可以把空间上彼此独立的元素联系、整合起来。如果相同颜色的项 目作为任务的一个部分整合起来的话，这个颜色的特点就非常有用。例如，在温度气 象图上，根据不同温度，用不同颜色编码来表示不同的区域。在知觉上，具有不同温 1 3 华中科技大学硕士学位论文 度的区域或以平行、成组地加工。 由于色彩的美学和工程特性，颜色编码在很多控制系统中广泛应用。数控机床的 色彩设计可充分应用颜色编码作为视觉信息符号，不仅美观、大方、和谐，又能表现 产品的功能要求和形态特征，符合人机工程学的要求和环境的要求，体现科技与美学、 功能与情感的完美结合。 2 3 3 心理与安全 、安全心理的基本概念 安全心理是人在劳动生产过程这一特定环境中的心理活动的反映。它是人在劳动 过程中伴随着生产工具、机器设备、工作环境、人际关系而产生的安全需要、安全意 识等等心理活动。 安全心理的规律具有一定的特殊性，但它离不开人的一般心理活动的规律。研究 安全心理就是要在掌握人的一般心理活动规律的基础上，结合在劳动生产过程中安全 的特殊领域，揭示出人的安全心理活动及其规律性。安全心理主要指生产过程中的感 觉、知觉与安全，以及生产过程中的情绪、情感与安全等。 二、安全心理分析的重要性 人一机系统的正常的、安全的运转条件必须由人去创造。“机”的安全是人控制 的，而人的安全也是人通过设计“机”的安全装置来实现的。人的思想、知识、技能、 创造力是保证安全生产的决定性因素。然而，人的一切活动，都不会自发地产生，而 是受人的心理活动支配的。 人的行为，不仅受到大脑中枢神经的控制，受到人的心理状态的作用，而且与心 理状态有密切的关系。因为，如果心理状态不正常，人有感知觉和中枢神经活动就不 能正常进行，此时所决定的措施、方案和策略等，就不可能是正确反映，所以在实施 过程中，事故就难以避免。同时，操作者的反应速度往往受其心理状态的影响。在作 业过程中，操作者有一个良好的精神状态，才有可能避免事故，保证安全生产。 三、影响安全的主要心理因素 探讨安全心理的目的，是要在人机系统中，充分发挥劳动者的积极的心理因素， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 保证安全，提高效率，消除劳动者的消极的心理因素，防止事故的发生。影响安全的 主要心理因素如下： 1 ) 注意注意是指心理活动对一定对象的指 向和集中，注意集中与否直接关系到安全与否。 2 ) 动作知觉过程人在处理信息时，会有感 觉、记忆、比较、判断、操作等一连串的动作知觉 过程，这包括八个过程，如图2 5 。在这八个过程 中，每个过程都可能出现不同的差错。f 2 0 】 3 ) 个性特征和智力情绪不稳定的人，在工作 思想不集中，而引发事故。智力代表个体的基本能 力水平，影响劳动者对工作的分析、判断、决策等。 掣 一 图2 - 5 信息处理模型 4 ) 间接心理因素间接心理因素有工作环境条件和设备特征等影响，不良等恶劣 环境都容易使人产生误操作。还有设各的设计，没有考虑人的生理和心理特征，例如 显示和操作是否符合相合性设计，这些在有关章节有详细说明。 机床的安全要求高于一般的加工工具，注重操作者的安全心理能有效地避免误操 作，减少事故的发生。在机床的设计中，应注重通过人性化设计提高操作者的安全心 理意识，例如，张贴必要的安全标志和醒目的色彩对比设计。 2 3 4 空间与安全 工作空间设计是工程心理学研究的基本内容。在人机系统中，工作空间的大小、 显示器与控制器的位置、工作台的高低、座位的尺寸等都会对操作人员的工作效率与 系统的安全发生影响。因此，工作空间的设计要适应使用者的人体特征，以保证工作 人员能够采取正确的作业姿式，达到减轻疲劳，提高工效。 从人机工程学的角度来看，作业空间设计应以人体尺度为重要设计基准。在受限 工作空间的设计中，应根据作业特点和人体尺寸确定受限作业空间的最低尺寸要求， 为防止受限作业空间设计过小，其尺寸应以9 5 或更高百分位数人体测量数值为依 据，并应考虑作业者在某些时期( 例如冬季穿着厚棉衣等服装) 进行操作的要求。【2 i 】 华中科技大学硕士学位论文 作业空间的设计还应考虑到它的用途、功能和工作状态等。以汽车室内空间的设 计为例，如果空间设计不合理，手脚不易伸展而引起肌肉疲劳，极易引发安全事故。 轿车多为商用或家用，主要考虑乘坐时的平稳舒适，汽车底盘较低，适合平路行驶。 吉普车是一种越野车，马力大，汽车底盘较高，乘座空间较大，适合于多种复杂道路 情况。由于两者的用途不同，同时行驶环境、 道路状况有很大的区别，因此两者的车内的 驾驶空间与乘坐空间不一样。驾驶空间由方 向盘和座椅等决定，这些部件的空间位置设 计也就相应的发生改变，如图2 - 6 所示。 要设计一个合适的作业空间，不仅要考 虑元件布置的造型与样式，还要顾及下列因素：操作者的舒适性与安全性；便于使用、 避免差错，提高效率；控制与显示的安排要做到既紧凑，又可区分；四肢分担的作业 要均衡，避免身体局部超负荷作业；作业者身材的大小等等。 数控机床工作空间的设计直接影响机床的操作和使用者的安全，控制系统的空间 设计应注重操作者的身高与工作姿势对操作的影响。在机床的设计过程中，应充分考 虑影响安全的各种因素，将一些安全隐患消除在设计过程之中。 2 4 小结 笔者根据数控机床的操作特点，提出了在数控机床的工业设计中实现人性化、安 全化和高情感性设计的理念，并以此为出发点，参考应用了人机工程学、心理学和安 全人机工程中相关的理论知识，本章对相关内容进行了简要阐述。安全是生产的第 准则，疲劳是引发事故的主要因素之一，因此在心理学中重点介绍关于疲劳的理论和 预防措施，并且在安全人机工程中论述了影响安全的心理因素，这些影响因素在设计 的过程中必须考虑到。本章内容是研究的理论基础，要实现数控机床的工业设计必须 充分应用上述理论基础，并在此基础上分析机床的造型与人机工程的关系，继而进行 人一机系统设计，这是下一章将要论述的内容。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 数控机床的造型与人机工程关系 数控机床正在被广泛地应用在加工制造业的各个领域。控制系统在数控机床中起 着重要的作用，其用户人机界面直接影响着数控机床的工作效率和效果。因此，在充 分考虑人的因素下，设计数控机床的人机界面变得越来越重要。 3 1 数控机床的基本概念 一、数控机床的定义 数控机床是一种用数字和符号构成的数值信息控制的自动化机床，简称n c 机床 ( n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ) 。p 2 数控机床是一个装有数字式程序控制系统的机 床，该数控系统能够逻辑地处理号码或其他符号编码指令所规定的程序，这种程序控 制系统( 即数控系统) 能自动地阅读输入载体上事先给定的数字指令，并将其译码和 数据进行处理，从而使机床完成规定的动作。该指令是以数码和文字码的形式记录在 控制介质( 如程序纸带) 上，控制介质上的信息代码输入数控装置后，经运算处理由 数控装置发出一系列数字控制指令来实现对机床的自动控制。它是一种典型的机电一 体化产品。 二、数控机床的特点 机床不同于一般的机电装备，它是生产其他机械的工作母机，因此在精度、剐度、 动态方面有其特殊要求。【2 3 】与通用机床和专用机床相比，数控机床具有以下主要特点： 1 ) 提高加工零件的精度，稳定产品的质量。 2 ) 能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。例如，采用二轴 联动或二轴以上联动的数控机床，可加工各种复杂空间曲面类零件。 3 ) 生产率高。与普通机床相比，采用数控机床可提高生产率2 3 倍，尤其对某 些复杂零件的加工，数控加工中心生产率可提高十几倍甚至几十倍。 4 ) 对产品改型设计的适应性强。当被加工零件改型设计后，在数控机床上只需 要重新编写或用手动输入新零件的程序，就能实现对新零件的加工。因此，数控机床 华中科技大学硕士学位论文 可以很快地从加工一种零件转换为加工另一种改型设计后的零件，这为单件、小批量 新试制产品的加工和产品结构的频繁更新提供了极大的方便。 5 ) 有利于制造技术向综合自动化方向发展。以数控机床为基础建立起来的f m c 、 f m s 、c i m s 等综合自动化系统使机械制造的集成化、智能化和自动化得以实现。 6 ) 减轻工人劳动强度、改善劳动条件。数控机床具有手动加工、机动加工和程 序控制自动加工功能，加工过程一般不需要人工干预。而普通机床只具有手动加工和 机动加工功能，加工过程全部由人工干预。 7 ) 数控机床具有屏幕显示功能，可显示加工程序、工艺参数、加工时间、刀具 运动轨迹及工件图形等。数控机床还具有自动报警功能，根据报警信号，可以迅速查 找机床故障，而普通机床则不具备上述功能。 三、数控系统的结构 数控系统是数控机床 的核心。现代数控系统均 采用c n c 形式，这种c n c 装置一般使用多个微处理 器，以程序化的软件形式 实现数控功能，又称为软 件数控( s o f t w a r en c ) 。 2 4 】 经济型数控系统的结 ：数控系统 i 通信1 i 接口r i 一 微 机 网+ i