（设计艺术学专业论文）加工中心的人性化设计研究与应用.pdf

摘要 摘要 加工中心是典型的高科技机械加工设备，其发展代表了一个国家设计和制造业 的水平。加工中心具有高精度、高速度、高效率和高自动化且能适应多品种小批 量生产的显著特点，故其发展受到国内外企业界的高度重视。国外加工中心大量 进入中国市场，对我国的机床行业冲击很大。作为生产和制造加工中心的中国企 业，如何顶住国外的冲击，提高自身的竞争力，重要的是使国内外加工中在性能、 质量、可靠性和外观造型上缩小与国外的差距。因此，在借鉴和研究外国先进技 术、进一步改进和提高产品各项性能的同时，也要在外观造型设计、人机工程、 色彩设计上进行深入的研究，使我国的加工中心制造业在操作方面更加宜人，在 外观设计上能体现企业的特色，在色彩上给客户留下深刻的视觉印象，给操作者 带来愉悦的心情。 加工中心的人性化设计就是在人机工程原则的指导下探讨个人的行为、能力、 本能极限和其他特性，来对加工中心进行设计，创造一种良好的人机互动关系， 体现加工中心对人的需求的关注。而目前我国的部分数控加工中心设计中，没有 很好的考虑人机工程问题，对于人机系统也缺乏必要的研究和实验。 论文分析了人性化设计的概念，并将人性化设计的思想引入加工中心的设计 中。通过对加工中心的结构与造型的分析，分析现有加工中心在人性化设计存在 的问题，并提出加工中心造型设计的研究思路。本文重点是利用人机工程学系统 的研究方法，运用人体模型技术，对与加工中心设计相关的人体尺寸进行了细致 的分析和研究，包括操作者视距、视高、视角范围、肘部高度的设定，控制面板 布局设计、按键设计，作业空间的分析研究。本文总结了加工中心显示一控制面板， 加工中心防护罩、以及操作空间的设计方法。对所研究的加工中心进行全方位的 可靠性研究，力争通过本研究使企业的人、机床、环境得到很好的协调，使企业 所用数控机床的可靠性、加工能力及生产效率得到大幅度提高。 论文通过对加工中心环境的分析，对影响作业的环境因素：照明、噪声、温度、 等外部环境的因素，做了相关的范围的规定，使人在舒适操作机床的同时，达到 最高的工作效率。 本文将以山东华兴机械有限公司的s m c 3 2 0 5 石材加工中心为代表，利用现代工 山东大学硕七学何论文 业设计方法进行设计研究，为其提供科学、客观的设计依据：并利用计算机辅助设 计方法，应用现代工业设计理论，对加工中心人性化设计出具体的设计方案，并 对其建模、渲染制作出相应的效果图。 本文通过理论研究、数据分析、实例设计，总结出加工中心设计特征和方法， 并用3 dm a x 和r h i n o 进行建模和渲染，绘制三维造型效果图，并对最佳方案进行 设计，最后设计出符合人性化设计要求的加工中心。 关键词：加工中心；人性化设计；造型设计；人机工程；色彩设计 l i a b s t r a c t a b s t 队c t m a c h i n ec e n t e ri sat y p i c a ls e to f1 1 i g h t e c hm a c h i n i n gi nm e c h a n i c a ld e v i c e ，i t r e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to fac o u n t r y sl e v e lo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g m a c h i n e c e n t e rw i t hh i g h - p r e c i s i o n ，h i 曲s p e e d ，h i 曲e f f i c i e n c ya n dh i g ha u t o m a t i o na n dc a l l a d a p tt om a n yv a r i e t i e so fs m a l lb a t c hp r o d u c t i o no fad i s t i n c t i v ef e a t u r e ，s ot h e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n df o r e i g ne n t e r p r i s e sa t t a c hg r e a ti m p o r t a n c e al a r g e n u m b e ro fp r o c e s s i n gc e n t e r sa b r o a de n t e rt h ec h i n e s em a r k e t ，a t t a c k i n gc h i n a s m a c h i n ei n d u s t r yal o t a sac e n t e rp r o d u c t i o na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fc h i n e s e e n t e r p r i s e s ，h o wt ow i t h s t a n dt h ei m p a c to ff o r e i g ne n t e r p r i s e s ，i ti si m p o r t a n tt om a k e a th o m ea n da b r o a di np r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e ，q u a l i t y , r e l i a b i l i t ya n da p p e a r a n c eo ft h e g a p 、航t l lf o r e i g nc o u n t r i e s t h e r e f o r el e a r n i n gf r o mf o r e i g na d v a n c e d t e c h n o l o g ya n dr e s e a r c ht of u r t h e ri m p r o v ea n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fp r o d u c t s ，a t t h es a m et i m e ，c o n d u c ti n - d e p t hs t u d i e si nt h ea p p e a r a n c eo fd e s i g n ，e r g o n o m i c s ，c o l o r d e s i g n ，i no r d e rt oe n a b l et h ep r o c e s s i n gc e n t e ro fc h i n a sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi nt h e o p e r a t i o n m o r ep l e a s a n t ，t h el a s ti nt h ed e s i g ne m b o d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f e n t e r p r i s e s ，i nt h ec o l o ro nt ot h ec u s t o m e rl e f tad e e pi m p r e s s i o no ft h ev i s u a lt ot h e o p e r a t o rt ob r i n gt h ef e e l i n g so fp l e a s u r e m a c h i n i n gc e n t e rd e s i g ni su s e r - f r i e n d l ye r g o n o m i c st oe x p l o r eu n d e r t h eg u i d a n c e o ft h ep r i n c i p l e so ft h a tp e r s o n sb e h a v i o r , a b i l i t y , i n s t i n c ta n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so f t h el i m i to nt h em a c h i n i n gc e n t e rd e s i g n e dt oc r e a t eag o o dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ， r e f l e c t i n go nt h em a c h i n i n gc e n t e rd e m a n da t t e n t i o n a tp r e s e n t ，s o m eo fm yd e s i g no f c n c m a c h i n i n gc e n t e r , t h e r ei sn og o o dt oc o n s i d e rt h ei s s u eo f m a n m a c h i n e e n g i n e e r i n g ，h u m a n - c o m p u t e rs y s t e mf o rt h el a c ko f t h en e c e s s a r yr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t a t i o n p a p e ra n a l y z e dt h ed e s i g no ft h ec o n c e p to fh u m a nn a t u r ea n dh u m a nd e s i g nt o i n t r o d u c et h ei d e ao ft h ed e s i g no fm a c h i n i n gc e n t e r b yt h ea n a l y s i so fp r o c e s s i n g c e n t e ro ft h es t r u c t u r ea n ds h a p e ，i tp o i n t e do u tt h a tt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa m o n gt h e m a n db r i n gf o r t hs t u d yd e s i g ni d e a so fp r o c e s s i n gc e n t e rd e s i g n t h i sa r t i c l ef o c u s e so n t h eu s eo fm a n - m a c h i n es y s t e m s m o d e l i n gt e c h n o l o g yt od e s i g na n d e n g l n e e r m g p r o c e s s i n g r e s e a r c hm e t h o d s ，t h eu s eo fh u m a n c e n t e ro ft h eb o d ys i z eo ft h ed e t a i l e d a n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，i n c l u d i n gt h eo p e r a t o rl i n e o f - s i g h t ，t h eh i g ha n g l er a n g e ，e l b o w i i i 山东犬学硕士学位论文 h e i g h ts e t t i n g s ，c o n t r o lp a n e ll a y o u t ，b u t t o nd e s i g n ，t h ea n a l y s i so fo p e r a t i n gs p a c e t h e a r t i c l es u m m e du pt h ec o n t r o lp a n e l ，p r o c e s s i n gc e n t e rs h i e l d ，a sw e l la st h ed e s i g n m e t h o do fo p e r a t i n gs p a c e t h e s i sr e s e a r c ho nt h em a c h i n i n gc e n t e rt os t u d yaf u l lr a n g e o fr e l i a b i l i t y , s t r i v i n gt om a k eb u s i n e s st h r o u g ht h es t u d yo fh u m a n ，m a c h i n et o o l s ，t h e e n v i r o n m e n th a sb e e nw e l lc o o r d i n a t e d ，s ot h a te n t e r p r i s e s 谢t ht h er e l i a b i l i t yo fc n c m a c h i n et o o l s ，p r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f l a r g er a t et oi n c r e a s e t h i sa r t i c l ew i l lb eo fs h a n d o n gh u a x i n gm a c h i n e r yc o ，l t d ，r e p r e s e n t e db y s m c 3 2 0 5m a c h i n i n gc e n t e r , t h eu s eo fm o d e mi n d u s t r i a ld e s i g na p p r o a c ht od e s i g n r e s e a r c h ，t op r o v i d es c i e n t i f i ca n do b j e c t i v eb a s i sf o rt h ed e s i g n ；a n dt h eu s eo f c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nm e t h o d s ，a p p l i c a t i o no fm o d e mi n d u s t r i a ld e s i g nt h e o r y , o nt h e p r o c e s s i n gc e n t e rf o rd e s i g no fh u m a n i z e dd e s i g no fs p e c i f i cp r o g r a m s ，a n di t s m o d e l i n g ，r e n d e r i n gt op r o d u c et h ee f f e c to f t h ec o r r e s p o n d i n gm a p i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，d a t aa n a l y s i s ，e x a m p l e so fd e s i g n ， s u m m e du pt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n i n gc e n t e r sa n dm e t h o d so fd e s i g n ，a n d3 d m a x ，a n dr h i n of o rm o d e l i n ga n dr e n d e d n g ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gt h ee f f e c to f d r a w i n gm a p sa n dd e s i g nt h eb e s ts o l u t i o n f i n a l l y , i nl i n ew i t ht h eu s e r - f r i e n d l yd e s i g n o ft h em a c h i n i n gc e n t e rd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d sm a c h i n i n gc e n t e r ；h u m a n i z e dd e s i g n ；s h a p ed e s i g n ；e r g o n o m i c s ；c o l o r d e s i g n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，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责任由本人承担。 论文作者签名：垒丝 e t 论文作者签名：生二缅 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 垄：缉 导师签名： 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景 第1 章绪论 自从上个世纪9 0 年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术的发展，世界 经济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的市场，经济循环加大、加快， 市场竞争日趋激烈。工业产品由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产 品方向发展，技术含量大为提高；社会的消费观念也不断发生变化，产品的功能 已不再是消费者决定购买的最主要因素，产品的创新性、外观造型、宜人性、环 保性等因素愈来愈受到重视，并在竞争中占据突出地位。这种趋势促使企业在着 手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造型、人机工程等的设计提到一 个新的高度，从而也迫切要求对工业设计的研究能有进一步的突破，以提高企业 形象、产品设计水平和市场竞争力。 机床产品的发展总趋势是从劳动密集型向技术密集型改向高技术密集型转变 相应的代表产品为普通机床、数控机床和柔性加工系统。其中加工中心是现代先 进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品，也是人性化设计研究 的重点对象。加工中心的工作质量不但取决于机器本身的性能和质量，还取决于 加工中心的操作者。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。认识生产的主体，满足了人的安全及心理需求，才能充分发挥人 的主观能动性，提高生产效率【l j 。 加工中心是典型的集高科技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。加工中心具有高精度、高速度、高效率和高自动化且能适 应多品种小批量生产的显著特点，故其发展受到国内外企业界的高度重视。国内 外加工中心大量进入中国市场，对我国的机床行业冲击很大。作为生产和制造加 工中心的中国企业，如何顶住国外的冲击，重要的是使国内外加工中在性能、质 量、可靠性和外观造型上缩小与国外的差距。因此，在借鉴和研究外国先进技术、 进一步改进和提高产品各项性能的同时，也要在外观造型设计、人机工程、色彩 设计上进行深入的研究，使我国的加工中心制造业在操作方面更加宜人，在外观 设计上个能体现企业的特色，在色彩上给客户留下深刻的视觉印象，给操作者带 山东大学硕士学位论文 来愉悦的心情。 11 1 数控机床的发晨现状 我国对数控机床的需求在日益增加，数控机床的性能也日趋完善，自动化程度 和生产率大大提高，从而取代了人的大部分体力劳动和脑力劳动，但同时也就使 得数控机床在更高层次上依赖于人，从而构成技术密集型的人机系统。对于数控 机床来说，人的主要工作不只是体力劳动，而且还包含了一定程度的脑力劳动， 随着数控机床的发展，脑力劳动的负荷越来越大，对操作者的知识技能水平的要 求也就更高了。但是，对于操作者来说，体力劳动是依然存在的，这时人的主要 体力作业集中在加工前的准备工作和加工后的一些后续工作。 从1 9 9 8 2 0 0 8 这几年的世界数控机床展览会来看，数控机床行业同新月异，特 别是世界领先的德国、同本等产品，推陈出新的速度更是惊人，无论是造型、材 质、工艺等方面都在不断创新( 图卜1 ，图卜2 ) 。我国数控机床企业通过多年的 努力，在提高数控机床性能的同时，机床的外观造型水平有了很大的提高，但是 距国际领先水平仍有一些差距。随着我国机床行业的蓬勃发展，工业设计在数控 机床设计与制造领域中的地位和作用更为突出。现代数控机床己由传统片面强调 功能的设计观念项功能与形式相协调的人性化设计方向发展。 l 鹰，亨郾啊一 幽亨则 图卜1b r e t o n 公司的n c 3 9 9 型加工中心图卜2 叫g 公司的d m c 6 3 5 型加工中心 11 2 国内外石材救控技术现状 ( 1 ) 国外石材数控加工技术的现状 国外以意大利、美国、德国等国的石材数控加工中心代表了世界领先技术， 每年的国际知名石材展览会上( 如意大利维罗纳石材展、美国奥兰多石材展等) 都会 看到他们的身影，其自动化、智能化水平之高确实令人叹为观止，著名的石材加 工设备品牌有b r e t o n 、o m a g 、d m g 、c m s 、s i m e c 、b m 、b a r s a n 、p e d r i n i 第1 章绪论 等。其中有五轴、三轴数字控制，配备先进的电脑编程语言和电脑制图软件，可 实现5 个外形表面的立体式、全自动化石材异型加工，实现石材台面板、圆柱、 球体、椭圆等各类异型的工件加工，并且具有很高的效率，还有将锯片切割和超 高压水切割结合在一起的三轴数控桥切机等，国外石材数控加工中心以其高质量、 高效率、高可靠性以及先进的技术和实用性，代表了世界先进水平，这与国外企 业注重科研技术、不断创新、质量上精益求精是分不开的，但因其高昂的价格阻 碍了在我国石材业的大力推广，我们主要寄望于国产数控技术的不断发展和进步。 ( 2 ) 我国石材数控技术的现状 近些年来，我国石材机械行业的发展非常迅猛，以电脑智能化为基础的设备 开发以及数控技术发展地也很快，山东、福建、广东等地一批石材机械企业注重 技术研发和产品创新，在吸收和消化国外先进技术的基础上进一步提升了国产石 材机械的加工制造水平，具有很强的市场竞争力，有的已经达到世界先进水平。 有专家预测，只要我们坚持走吸收国外先进经验技术与自主研发并举的道路，国 产智能化石材加工机械必将取代价格昂贵的“泊来品 ，从而成为装备我国石材企 业的主流产品【3 1 。我国的石材数控加工技术发展时间很短，虽然先进、高效、智能 化的数控加工技术将会逐渐取代传统石材加工技术及装备，但是受到国内石材市 场、行业发展瓶颈等种种不利因素的制约，因而发展缓慢，今后一段时间内传统 设备和数控设备并用将会形成一种常态。 1 1 3 工业设计在数控机床设计中的应用 工业设计( i n d u s t r i a ld e s i g n ，简称i d ) 是随着工业革命的出现而兴起的， 经过近三百年的开拓，其实践和理论得到了极大的发展与完善，是工业时代科学 技术与人类文化艺术发展相互融合的边缘学科之一。1 9 8 0 年国际工业设计协会第 十一次年会上公布修改后的定义为：“就批量生产的工业产品而言，凭借训练、 技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、构造、形态、色彩、表面加工以 及装饰以新的品质和资格，叫做工业设计h 。”目前虽然各国对工业设计范围理解 略有不同，但总的趋势是把它归结为较狭义的产品设计以及为推广这些产品的辅 助性设计，如包装、广告等，但其核心是产品设计。工业设计是人类创造生存的 重要手段之一。它通过对大批量工业产品内在与外在的综合分析，进行多角度整 3 山东大学硕+ 学位论文 体规划，设计出更加符合人们生理与心理需求的产品，使产品趋于更实用、更科 学、更完美。工业设计也促进人类审美意识的普及与提高，从而使它不仅对发展 经济，而且对社会文明的提高，有着不可低估的作用。 “十一五”期间，中国将进入创新阶段，自主创新能力已经成为企业获利和国 家经济增长的主要拉动力量。而高新技术产业的发展不仅成为中国经济增长的引 擎，同时，又对提高国家和企业自主创新能力发挥决定性作用。当进入以创新领 导实现价值增值的经济发展阶段时，工业设计就会成为先导产业。因此，工业设 计水平将极大地影响高新技术产业的发展水平。数控机床作为高新技术产业的重 要代表产品，直接影响着国家制造业的生产能力。因此，工业设计在数控机床设 计与制造领域中的地位和作用更为突出： ( 1 ) 工业设计使机床产品造型、功能、结构科学合理。数控机床作为体现国 家制造业生产能力高低的重要代表产品，其功能与技术已经有了很大的发展，但 要想在国际市场上角逐并占有一席之地，传统的片面强调功能与技术的设计观念 是远远不够的。像机械、电子电路、化工等设计都属于技术方面的工程设计范畴， 它们着重解决机械或器具的性能问题，或者说是物与物之间的关系。这些性能无 疑是为人服务的，但相对远些，是间接的。而工业设计是一种横向学科，侧重于 人与物之间的关系，即倾向于满足人们的直接需要和产品能安全生产、易于使用、 降低成本以及合乎需要的方法上，从而它能使机床产品造型、功能、结构和材料 协调统一，成为完善的整体。它不仅满足使用需求，也能提供文化审美营养。 ( 2 ) 工业设计降低机床产品生产成本，增强产品竞争性。数控机床属于技术 密集型产品，其开发难度相当大，成本比较高，利用工业设计法则指导数控机床 设计，不仅使产品造型、功能、结构和材料科学合理化，同时省去了不必要的功 能以及不必要的材料。并且在提高机床产品的整体美与社会文化功能方面，起到 了非常积极的作用。 现代社会技术竞争很激烈，利用现有技术，依靠工业设计，则可用较低的费用 提高产品的功能与质量，使其更便于使用、增加美观，从而增强竞争能力，提高 企业的经济效益。 ( 3 ) 工业设计提高机床的技术美学质量。技术美学是技术科学与美学结合的 产物。随着社会实践的发展和科学技术进步，美学越来越注重研究现实环境问题 4 第1 章绪论 和技术的人性方面因素，而技术美学正是技术和美学两大学科交叉并融合了社会 科学和自然科学的结晶，技术美学不同于美学，它必须是科学性、实用性、艺术 性、当代性、流行性的完美结合商3 。在目前来看，技术美学的研究不外乎于探索现 代设计艺术或工业设计的内涵、外延、存在形态、审美规律和发展趋势等以及现 代设计艺术的形态体系。 1 2 课题研究的目的和任务 1 2 1 课题研究的目的 数控机床是多种技术的综合体，在设计过程中仅仅局限于使其安全、快捷以及 功能性的提高已经无法满足人们的需求，在设计工程中还应注重其操作过程的舒 适性、宜人性的要求。要使我国机床制造业能在激烈的国际市场上具有竞争力、 需要在保持其高质量的、低成本的同时，还要充分发挥工业设计和人机工程在机 床设计中的作用，赋予机床“从内到外的 高品质。必须运用工业设计的理论与 方法，提高数控机床产品的外观质量和宜人性，增强产品的附加值与整体造型效 果，以满足市场竞争的需要。 1 2 2 课题的任务 从加工中心使用者角度出发，重点研究数控机床产品的综合人机界面，从人机 认知心理学、设计心理等多角度全方位描述和评价与数控加工中心造型设计有关 的人性化设计问题，提出数控加工设备人性化设计的设计要素及评价准则，总结 一套行之有效和适合我国国情的人性化设计的技术方案。 1 3 数控设备外形及风格的发展 1 3 1 机床造型风格的演变 随着制造技术的发展，机床发生了根本的变革。机床性能的逐步完善，带来了机 床功能和结构的变化，进而带来机床造型的变化。分析机床造型的演变，是为研究 数控机床的造型风格提供依据。机床造型风格的形成受两方面因素的影响。一是 与当时的科技水平有关，二是离不开当时的时尚风格。最早的机床单纯满足功能需 要，无暇顾及外观质量和宜人性，造型效果极差。2 0 世纪3 0 年代，机床采用风靡一 5 l i i 东大学硕七学位论文 时的流线型设计；4 0 年代前后，开始提倡包络法的设计原则，以曲线、曲面及大圆 角过渡为基调。这种造型风格给人以圆润的感觉，但易产生臃肿的效果。因此，5 0 年代机床多采用以直线为主的方形或方形小圆角过渡的造型风格。6 0 、7 0 年代， 机床造型采用“水平线+ 垂直线 ，与机床运动部件的基本方向一致，达到方正、 稳定的视觉效果，符合时代潮流。8 0 年代前后，方正之中又逐渐增加了梯形。9 0 年 代机床的造型又增加了斜面、曲面等，给人以生气和活力1 6 j 。 1 3 2 数控机床造型风格的未来趋势 随着科技的发展，新材料、结构、工艺的出现，数控机床造型j x l 格设计的灵活性 与自由性更大，无疑给工业设计师发挥造型创意，提供了较大的空间与可能。因此， 数控机床的造型风格将朝着更好的功能、更美的外观、更佳的宜人性等趋势发展。 ( 1 ) 造型风格多元化，产品人性化。数控机床的造型风格在2 1 世纪将保持多 元化的特点。可采用平面、斜面和曲面造型，过渡方式也可选用直角、斜角和圆角。 不论采用何种造型风格，目的是为了提高产品的外观质量和宜人性。相信在今后的 机床展览中，“以人为本 、令人耳目一新的数控机床比比皆是，其精品更会向工 艺品方向发展。 ( 2 ) 总体集成风格在未来造型设计中所占比例将加大。模块化设计已成为机床 设计的主要模式。这样就不是单一、固定的机床造型，而要使模块集成后机床本身 以及各种系列、各种型式的机床尺度比例协调，造型风格统一。此外，由于工业工 程的推行，要求机床的造型风格与环境、附属设备等集成一种和谐、统一的风格。 因此，不是从单机角度而是从总体集成角度来确定数控机床造型风格设计。总体集 成风格在未来造型设计中所占比例将加大。 ( 3 ) 企业特色风格将规范化和多元化。机床的造型风格是构成企业形象的主体 内容之一，应将其规范化，以保证形象风格的统一性、连续性及创新性。因此，同类 数控机床，配套数控系统和传动、车削系统应该在造型风格的处理上都强调自己产 品的特异性。 ( 4 ) 数控机床的造型设计将体现出绿色制造的内涵。世界发达国家都非常重视 绿色制造。因此数控机床的造型设计也应该是符合环境、生态、资源的绿色设计【7 】。 6 1 4 本谭墨选墨的意义及研究重点 本课题以山东华兴机械股份有限公司生产的s m c 3 2 0 5 ( 如图卜3 所示) 石材加 工中心为例，通过对人性化设计内容的理解和研究，对加工中心人机系统的深入 分析，总结了加工中心人机设计的相关参数，并在此基础上，通过对加工中心功 能和结构的分析，总结出加工中心造型设计的设计方法和色彩设计的搭配原则。 论文以加工中心防护罩的外观和显示操作面板的设计为重点，分析了控制面 板的布局，显示台的尺寸参数色彩功能的分区等，并对s m c 3 2 0 5 的控制台和外 罩的外形进行了改进。 = i 、- - - ： 1 5 论文的内窖和方法 二7 - 、手一 毫刍 t o 昼f 闻撼 叠孽罩 1 5 1 论文的研究内窑 本文从工业设计的角度，以人的生理尺度和活动的研究为主要依据，提出了适 合数控机床人性化设计的系统理论及技术参数，并以为山东省华兴机械公司设计 的新型石材加工中- i i , s m c 3 2 0 5 为例，以人机之间的关系为立足点，着重谈论以下 几个问题： 第一，人性化设计的相关内容； n i 中心人性化设计的思路和元素分析； 山东大学硕十学位论文 第二，加工中心外观造型的人性化设计，包括加工中心的结构尺寸、功能 布局和造型风格分析，根据加工中心的风格、现有的加工中心造型方面的创 新和未来加工中心的发展趋势，总结了加工中心造型设计的方法； 第三，加工中心的人机系统的设计与研究，分析了人机系统的相关参数， 以此为依据设计加工中心的操作面板、门、观察窗、把手的设计尺寸和范围： 第四，心色彩的设计，包括色彩设计的风格，色彩的搭配，以及 加工中心的配色方案； 第五，以s m c 3 2 0 5 加工中心为例，对加工中心的理论知识进行系统的论 证。 1 5 2 论文的研究方法 ( 1 ) 文献研究为了进行本研究，作者参考了国内外文献，掌握了现阶段人 性化设计相关理论和方法，为加工中心的设计研究准备了充分的理论准备。 ( 2 ) 实例研究在分析加工中心人机系统和色彩设计过程中，本文搜集了相 关的实际产品设计案例，并以山东省华兴机械公司生产的s m c 3 2 0 5 加工中心为例， 进行进一步的改良设计。 ( 3 ) 比较研究法比较研究法，将石材加工设备与其他普通商品、将国内外 石材加工设备与国外先进石材设备企业从产品识别上进行深入比较，找不出足， 发现共同点。只有通过这样的比较、分析，去粗取精、去伪存真，才能真正进行 深入研究。 ( 4 ) 分析综合在研究过程中利用该方法，分析了加工中心外观造型元素、 人机系统、界面布局的构成要素及其特性，为其界面设计的研究奠定了基础。 8 第1 章绪论 1 6 论文的框架结构 设计任 结构： 造型： 图1 - 4 论文的框架结构 9 第2 章加工中心人性化设计研究内容 第2 章加工中心人性化设计研究内容 “设计的最终目的是为人服务 s l ，以往的机械产品设计更多考虑的是产品功 能的实现、结构的合理，没有规范化地考虑人的因素。这些产品在造型上普遍存 在如色彩单调、体形庞大、线条生硬、不易于操作、显示装置不够人性化等诸多 问题。外在造型的欠缺导致机械产品整体品质下降，失去市场竞争力。 产品作为人类智慧的产物，是由若干个相互联系的要素构成的集合体，随着生 产和设计的发展，设计师在产品开发、设计、改良过程中，应着重考虑人与物的 关系，即“人机环境 系统合理布局与协调统一，解决的重点是产品形态、色 彩、表面质感及操作宜人性等，最终解决的是人性化设计在机械产品设计中的实 现。 2 1 人性化设计 美国设计师普罗斯曾说过“人们总以为设计有三维，美学、技术和经济，然而 更重要的是第四维：人性。设计以人为本，这是工业设计的设计理念【9 】。工业设计 的对象是产品，产品设计本身并不是目的，它的目的是“为大众服务”。可以认 为设计美的本质是：“产品的人化”。处于技术水平、市场需要、美学趣味等等 条件不断变化的今天，人们越来越投入更多的关注在人的价值和需求上，这正反 映了设计界对人性化设计的重视和关注。 设计字典中对人性化设计的定义：是指在设计过程中，根据人的行为习惯、人 体的生理结构、人的心理情况、人的思维方式等，在原有设计基本功能和性能的 基础上，对产品进行优化，使操作起来非常方便、舒适。它是在设计中对人的心 理生理需求和精神追求的尊重和满足，是设计中的人文关怀，是对人性的尊重【1 0 1 。 人性化设计是在符合人们的物质需求的基础上，强调精神与情感需求的设计。 它综合了产品设计的艺术性与安全性，就是在设计中注重产品内环境的扩展和深 化。人性化设计是真正体现出对人的尊重和关心，其核心是以“人”为中心，在 设计和制造时把“人 作为一个首要的要素来考虑。 山东大学硕十学伊论文 2 2 加工中心的人性化设计 2 2 1 加工中心人性化设计的含义 人性化是指人与物及环境的关系，即人一机一环境系统合理布局和和谐统一， 对于特定的且有高技术含量的加工中心而言，宜人性设计不只局限在改善人一机 一环境系统的协调和统一的关系上，还包括产品的形态、色彩、操作宜人性及安全 与防护的人性化设计。 加工中心的人性化设计就是在人机工程的原则指导下，探讨和应用人的行为、 能力、本能极限和其他的特性来对加工中心进行设计，创造一种良好的人机互动关 系，体现加工中心对人性需求的关注i 】。 2 2 2 加工中心人性化设计的层次 加工中心的人性化设计，从人的需要角度来看，与之最为密切的需要可以归 为三个层次：安全、效率和舒适【1 2 】。安全是人类的基本要求，特别是在数控机床这 种高速自动化的加工设备前，人对安全的需求更为强烈，也更为必要。安全就是没 有意外，没有危险。在实际的生产中，有很多不安全因素存在，有人本身失误，也有 机器设计上的问题等等。从人机工程的角度考虑，可以认为都忽视了“人 本身的 各种特性，没有以人为思考对象来考虑问题。人不同于机器，人是生产活动的主导 者，具有主观能动性、有智慧、有很强的适应能力，以及其他优点，但是人会疲劳， 会有情绪，会产生失误等等。因此，加工中心的安全设计应该从人的各种特性出发， 从人的生理特征、使用操作和心理感受各个层次上进行探讨和分析。最终，根据人 的特性的要求对加工中心进行相应的设计和改善，保证人使用操作的安全性，满足 人的安全需求。 2 2 3 加工中心人性化设计的原则 加工中心的时尚化、艺术化、个性化将成为新的流行元素，不仅要实用，而且 要在设计上赋予更多审美的、情感的、文化的、精神的含义。根据上述分析，制 定加工中心人性化设计原则： ( 1 ) 要求色彩的对比度、亮度在机床的使用方式中是一主因素，应避免在白 色背景上印制灰色字体，背景色和前景色的选择反差要大些，以增加视认度； 1 2 第2 章加丁中心人性化设计研究内容 ( 2 ) 机床的数码显示、液晶显示部分，应在数码显示管、液晶显示屏外加装 装饰板，增强显示效果，液晶显示屏背部应增加反光板； ( 3 ) 文字、图标、符号应符合视觉造型原理，同时，应尽量选择使用者熟悉 的内容来设计符号、图标和符号； ( 4 ) 机床设备，按用途和外型结构特征来选择主色调，以纯度低、明度中的 暖色或冷色为宜； ( 5 ) 加工中心设计应该体现在中国传统的审美情趣，具有使用者习惯和熟悉 的认知特征，以便使用者进行跨越时空的情感交流，减少现代社会所带来的孤独 感，增加心理安全感。 2 3 加工中心人性化设计的研究思路 工作环境 石材加工中心 机器内部运行 i 信息输出信息接收丁 -1 人机界面 l ! 。 操作者i 信息接收信息输出t -1 人的信息处理 图2 1 人机系统模型 加工中心的人性化设计强调的是对使用者的关注，让数控机床的设计能配合人， 使人发挥最大的效能，并不受到损害。对于人机工程学来说，人不是独立的人，因此 对人的研究不能够孤立地进行，而应该将人放置于“人一机一环境”这样一个系统 中进行研究。图2 - 1 所示的就是一个简单的人机系统模型。所以，人是属于特定系 统中的一个组成部分，在对人进行研究的同时，对于系统的其他组成部分也进行相 应的研究，以便根据人的特性和能力，来设计和改造系统。从人机系统的角度来看， 人和数控加工中心是同处于一个系统中的，属于一个人机系统。这时，人就是系统 中的人，是这个人机系统中的基本组成部分之一，与数控机床相互联系构成一个整 体。因此，对人的研究的同时就必须同时考虑系统的其他部分，以便根据人的研究 山东大学硕+ 学位论文 来进行数控机床的人性化设计。 人机系统主要包括人和机两个基本组成部分，在本文中就是指操作者和加工 中心，而在这个人机系统里面，还包含着其他的人机系统，例如操作者和加工中心 数控系统所组成的一个人机系统。这些人机系统相互关联、相互影响、相互制约， 共同实现整个系统的目标。完整的人机系统还包括“环境”，人与机必然要存在于 某一环境之中【l3 1 。例如，加工中心需要有一定的空间来摆放它，对空间有着特定的 某些要求，人要操作加工中心，就必须处于这个空间中，那么人也会对这个空间有 着其特定的一些要求，这就是一个基本概念上的环境，而这个环境具体应该是什么 样子，应该具备什么条件等等，会对整个人机系统产生影响。因此，环境在人机系统 中是作为一种干扰因素来看待的，要让人机系统能发挥其最大的效能就要求环境 对系统的影响达到最小。 系统中存在人和机，就不可避免的会存在一个相互作用的“面”，称之为人机 界面【14 1 。在加工中心的数控操作面板是人与加工中心的界面，操作人员通过控制 面板的按钮来控制机器，并通过显示器的信息得到反馈和交流，加工中心的界面 是人与加工中心进行信息沟通的平台和媒介，通过人机交流，系统得到不断优化 升级。在研究中，为了更好地理解人机之间的关系，将人机界面作为一个独立的部 分来进行分析，之前提到过，人与加工中心这个人机系统中包含有不同的其他的人 机系统，因此，这样的“界面 也就不只有一个。对人与机之间的作用的界面来说， 可以分为三个层次：物理界面、认知界面和感性界面。物理层次界面主要是指人 进行操作活动的界面，偏重于人的使用和操作的基本要求，以及基于操作活动的相 关的人的基本生理特性。例如，加工中心上的把手的大小、按键的大小、观察窗的 范围等等一些有关尺度大小的设计。认知层次界面则主要是指人理解接触物的界 面，是对物的隐含信息的挖掘。在理解的过程中，认知活动占有主导地位，人会应用 某种技能，进行相应的各种心理活动，以获得所需的信息。例如，如果加工中心的把 手放在门的右边，那么人对其所做出的理解就是门要向左开，这就是人的理解和物 表达之间的一个界面，从而产生相应的动作。而感性层次界面则是人对物产生感觉 的一个界面，是人本身的情感的一种体现，某种意象的产生。 从这三个层次来看，人与加工中心之间的界面存在着信息的流动和传递，也正 是系统运动状态的体现。人与加工中心之间的信息流动存在两种形式：一种是主动 1 4 第2 章加工中心人性化计研究内容 的信息交换的环路，人和加工中心在这个界面会存在一个接收和反馈过程，这是人 机交流的主要形式，也集中了人的主要操作活动；另外一种是信息流动开放性，在 这个过程中，人更多的是接收信息，然后做出反应，但是反馈的信息并不直接返回 可能就不存在反馈信息，或者进入另外的某个系统中。如前面所提及的感性界面， 就更偏向于是人一种感受的获取，人在接受到某种信息后，并不会直接的有相应的 操作应用到加工中心上，只是进行