（设计艺术学专业论文）数控机床的人机工程学研究.pdf

数控机床的人机工程学研究 摘要 人机工程学是研究人的特性工作条件与机器相配合的科学，是按照人的 特性设计和改善入一机环境系统。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。 数控机床作为现代制造业的重要装备，我们不得不考虑其操作者与机 床的有机结合性。针对我国数控机床设计领域重技术指标，轻造型、个性 化、人性化的现状，现将我们日常应用的数控机床以人机工程学为依据进行 分析研究。 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。 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，分别从数控机床外观造型人机分析、数控机床控制面板的人机 界面研究、数控机床色彩人性化设计研究、数控机床标牌人性化设计研究四 个方面进行深入研究，并且在造型外观设计及人机界面设计中提出概念设计 理念，辅助给予案例分析。在对以上四部分进行分析研究过程中，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、安全化的人机研究，使我们所认知的传统 的数控机床由只是单一的机器转化为有温度的、有情感的、可以和操作者对 话的活体。 通过对数控机床的人机工程学分析研究，将工业设计这一新的学科带入 设计中，使机床设计在其功能性，操作性的基础上加入人的因素，将人作为 设计主题，实现以人为本。 关键词：数控机床；人机工程学；入机界面；人性化设计 t h ee r g o n o m i c ss t u d y o fc n cm a c h i n at o o l a b s t r a c t e r g o n o m i c si 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 n h o wt om a t c hw 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 d e n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt op e r s o nc h a r a c t e r i tc o m b i n e sp e r s o na n dm a c h i n et oa s y s t e mo fa no r g a n i s mc o m b i n a t i o n b ys t u d y i n gt h i ss c i e n c eh a r d ，t h eb e s t d 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 nc a nb ec r e a t e d ，m a n - m a c h i n es y s t e mi s f o r m e dt h eh i g hm 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 ya n ds a f eo r g a n i s ms y s t e m i sb e c a m e c n cm a c h i n et o o la sa l li m p o r t a n te q u i p m e n ti nm o d e mm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y , w eh a v et oc o n s i d e rt h eo p e r a t i o n 姗t hm a c h i n et o o lo r g a n i ci n t e g r a t i o n o ft h em a c h i n e i nv i e wo ft h ec n cm a c h i n et o o ld e s i g nt e c h n o l o g y o r i e n t e d i n d i c a t o r s ，i g n o r e dm o d e l i n g ，p e r s o n a l i t ya n dh u m a n i t yo ft h es t a t u sq u o n o w w eh a v ed a y - - t o d a ya p p l i c a t i o no fc n cm a c h i n et o o l st oe r g o n o m i c sa st h eb a s i s f o ra n a l y s i sa n ds t u d y 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 er e a s o no ft 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 ri ni n t e r n a t i o n a l m a r k e ti st h a tt h ea p p l i c a t i o no 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 n a r en o t i c e dw h i l et h em a n m a c h i n er a p p o r ti sn e g l e c t e d s ot h ea p p i i c a t i o ns t u d y h 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 s i s p u s h e d t ot h e u 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 hs t r o n gt h e o r e t i c a l a n da c t u a lp u r p o s e t h i st h e s i sb a s e do nt h es y s t e m a t i cs t u d yo fe r g o n o m i c s ，c o n t r ap o s ec n c m a c h i n et o o le q u i p m e n tf o r t h ew o r ko ft h ef u n c t i o n a la n d o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s ，r e s p e c t i v e l yf r o mf o u rd i f f e r e n ta s p e c ti n t or e s e a r c h ，i n c l u d e h u m a n - c o m p u t e ra n a l y s i so fc n cm a c h i n et o o l sm o d e l i n ga p p e a r a n c e ，c n c m a c h i n et o o lc o n t r o lp a n e lo nt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，c n cm a c h i n et o o l c o l o rd e s i g no fh u m a n i t ys t u d y , c n cm a c h i n et o o ls i g n sd e s i g nh u m a n i t ys t u d y , a n da d v a n c et h e c o n c e p t u a ld e s i g nc o n c e p t i n m o d e l i n gd e s i g na n d h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g n , s u p p o r tf o rc a s ea n a l y s i s i nt h ea b o v ef o u r p a r t so ft h ec o u r s eo ft h es t u d y , b r i n gp 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 ga n do t h e rd i s c i p l i n e si n t ot h ew h o l er e s e a r c hs y s t e m r e s e a r c ho n c n cm a c h i n et o o l so ft h eh u m a n i t y , a e s t h e t i c sa n ds a f e t y , l e tu s c o g n i t i v e c n cm a c h i n et o o l sf r o mt h et r a d i t i o n a l j u s t a s i n g l e m a c h i n ef o r t h e t r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，e m o t i o n a l ，a n dt h eo p e r a t o rc a l ll i v ed i a l o g u e t h r o u g ht h ec n c m a c h i n et o o le r g o n o m i c sa n a l y s i s ，b r i n gi n d u s t r i a ld e s i g n o ft h i sn e wd i s c i p l i n ei n t ot h ed e s i g n ，o nt h eb a s i so ft h em a c h i n et o o ld e s i g ni n i t sf u n c t i o n a l i t y , o p e r a b i l i t ya n dc o n t a i nt h eh u m a n f a c t o r , m a i n l yt op e o p l ea sa d e s i g nt h e m et or e a l i z et h ep e o p l e o r i e n t e d m k e y w o r d s ：c n cm a c h i n et o o l s ；m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g ；m a n 。m a c h i n e i n t e r f a c e ；h u m a n i z e dd e s i g n ； i v 陕西科技大学硕士毕业论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 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：斗日期：一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、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；本人授权陕西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：导师签名： 显兰竺日 数控机床的人机工程学研究 1 绪论 i 1 课题研究的目的和意义 传统的机械设计以设计产品为主要目标，更多考虑产品功能的实现、结构的合理， 而没有把人作为设计的目标，没有规范化地考虑人的因素。而工业设计这一新学科的出 现，几乎更加完美了机械设计，不但考虑到了其功能性，在产品的“方便黟、“舒适 、“可 靠 、“价值”、“安全一和“效率 等方面的多重考虑，将产品设计更加人性化n ，。就数 控机床而言，造型上存在色彩单调、搭配不当、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。外在造型的低下导致机床整体品质大打折扣，失去国际 竞争力。 而此处所提出的关于数控机床的形态、操作界面、色彩配置及标牌的人机工程学研 究，将“以人为本 的设计设计带入机床的设计中，在机床操作过程中不但可以满足功 能方面的需要，又可以满足心理方面的精神需求。在数控机床的操控过程中，追究高效、 安全、舒适已是当代主流。作为产品造型的设计者，必须着力关注机床用户越来越高的 心理需求。对机床操控装置提出规范合理的设计标准，使其适合人的生理特征，以便有 效地发挥人的能动作用，为操纵者提供安全、舒适的操作环境，从而达到提高工作效率 的根本目的。 随着时代的进步，数控机床已进入主导地位，产品的局部由整体造型趋向于标准化、 模块化，使形态与功能失去了必然的联系。同时操作者在物理机能和生理机能满足的同 时，更多地追求精神机能的享受，要求产品个性化、多样化、人性化，通俗化，方便操 作，缓解长时间肢体以及眼睛的疲劳。 在操作系统中，主要考虑到其功能标识和警示标识：功能标识在机床产品显示和操 作区域的细部设计中犹为突出。如按钮表面做成手指负形；操纵杆外形做成手掌负形； 设置纹理增加把持摩擦力；通过纹理方向暗示操作运动方向等，增加人机互动，人机交 流，以形体本身说明其操作方法。警示标识在危险区域以及可能出现风险处进行图形、 文字符号或色彩元素提醒、警告是必不可少的防护措施嘲。例如红色示意警戒，绿色示 意安全，“ 示意禁止等色彩、符号已在人们心中形成烙印，引起条件反射，注意小 心避免潜在险情。但值得注意的是，机床产品警示标志的设计运用必须规范约束，位置、 尺寸、形态、颜色都要严格制约，以免引起混淆。在发挥警示作用的同时，成为造型审 美价值的视觉元素。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 课题研究的历史和现状 1 2 1 课题研究历史 人机工程学的研究源于科学技术的发展，人体工程学、环境心理学等多种学科的发 展，为建立新的价值标准和设计方法奠定了基础。 将其跨度到数控机床的造型设计及其操作界面上，在数控机床的操作过程中，除了 本身所具有的潜在危机，由于人们的错误操作而造成的事故更是数不胜数。数控机床中 的人机工程学研究，已经由前期的简单应用转化为无处不在的设计理念，已经形成一个 系统的学科在对人们生活起着决定性的作用。 将人机工程学原理带入数控机床设计中，是机床设计的必然发展趋势，因为人机工 程学原理也可称为人性化设计原则既可以概括为“以人为本，在设计中以人为轴心进行 设计思考。在近期，人们对于机械类的人性化设计研究只是趋于其外观，并未将其细分 化，具体化。在对机床的人性化设计研究过程中，只是广义的将其色彩、周围的环境、 机床的形态等与人的心理需求与生理需求作了初略的结合设计，并未将其规范化、统一 化。 1 2 2 课题研究现状 机床产品的发展总趋势是从劳动密集型向技术密集型又向高技术密集型转变，数控 机床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，也是我们研究 的重点对象。 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己成为现代机 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。因此，作为生产和制造加工中心的厂家，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“1 。 目前，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。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 2 数控机床的人机工程学研究 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。人是生产的主体，满足了人的基本安全需要，使人心情舒畅， 才可能充分发挥人的主观能动性，调动人的积极态度，它对提高生产效率有着重要的意 义闯。而目前在我国的数控机床设计中，没有很好的考虑人机工程问题，对于人机系统 也缺乏必要的实验和研究。 1 3 课题研究的指导思想和内容 1 3 1 本课题研究的指导思想 在对数控机床进行人机工程学研究过程中，我们应明确地认识到人的需求在设计中 的重要性，将数控机床的设计引入人性化理念。不是单一的将数控机床的操作，人机界面， 造型，数控机床的颜色，所处环境引入以人为本的设计思想，也要将操作者的心理或生理 需求考虑在内，包含人机工程的产品，只要是人所使用的产品，都应在人机工程上加以 考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。我们可以将它们描述为：以心理为 圆心，生理为半径，用以建立人与物( 产品) 之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的 潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。 1 3 2 本课题研究的主要内容 人机工程学的研究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“情感性修。当然，人为差错除了人自身的原因 外，机床外观造型、控制及操纵环境、机床各部件颜色设计、机床各种不同的表牌设计 等都会是差错产生的原因。 数控机床的人性化设计主要解决以下三个问题： a 、保证系统向人传达的信息的可靠性，显示装置是机器与直接交互界面，机器的显 示装置通过人性化设计，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。在此传递过程中，对于数控机床的外观造型既要方 便与人的操作，又要给人的视觉以美的享受。 b 、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。 陕西科技大学硕士学位论文 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， 对于显示和操作装置除了要客观的进行构造设计之外，还要将颜色作为可以防止误操作 的重要方面。 c 、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。 因此，在对数控机床人性化设计时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。本课题将对数控机床的形态、色彩及布置进行设计研究，使人 机界面识别、操作方便，同时减少误操作，达到安全可靠。 本课题的研究内容主要是通过对数控机床的造型、人机界面、颜色配置，机床表牌的 深入研究和分析，总结数控机床人性化设计过程中应遵循的人性化设计原则，并在此基 础上，通过对机床产品功能、结构的分析，得到人性化设计对于数控机床的必然性。 本课题将具体从以下几个方面来进行分析研究： 一、数控机床外观造型人机工程学研究，主要以人机工程学为依据，从人与数控机 床的物理、认知和感性三个层次来分析人在操作过程中与数控机床的“对话过程，针 对于数控机床在设计过程中尤其外观的造型风格到最终的形态设计无不以人机工程学为 根本。 二、数控机床控制面板的人机界面研究，人机界面是数控机床与操作者“对话”的 窗口，其人机界面共由显示系统和操作系统组成，要使人机界面真正做到“以人为本”， 显示系统与操作系统的协调性是必不可少的。 三、数控机床色彩人机工程学分析研究，传统的机床以灰黑色为主，数控机床也不 例外。那么，遵循人机工程学，人的心理感受与色彩有着直接关系，在此，对于数控机 床的整体配色、局部配色及其在对数控机床的设计过程中色彩是实际应用作一体系研究。 四、数控机床标牌人机工程学分析研究，标牌分为标示性、警示性和识别性，在此最 主要以标示性和识别性的版式及构成为主要研究内容。 4 数控机床的入机工程学研究 1 4 课题研究的框架 陕西科技大学硕士学位论文 2 数控机床外观造型人机工程学研究 2 1 数控机床人机工程学相关因素 人机工程学研究的核心“以人为本，设计及研究的主要对象为人与机器的合理科学 操作。对于人与数控机床的关系来说，存在三个层次的因素：物理层次、认知层次和感性 层次。 2 1 1 人与数控机床物理层次上的相关分析 对于物理层次来说，主要是涉及与人体相关的各种尺寸、活动姿势和体力等生理特 征。在数控机床设计中，人的基本生理尺度尤为重要。在此，将以机床的安全性和易操 作性两个方面为考虑对象，分析人体的生理特征对这两个方面的具体影响。 a 、人的生理特征与机床的安全性的分析 在生产过程中，人的基本需要是安全，而追求生活和工作的安全感更是人类社会发 展的趋势。在此，主要是从人的生理尺寸的角度来了解和分析人的基本的安全保障，要 保障人的安全，那么数控机床则应具有相应的安全保障措施和装置，在尺寸和位置上的 考虑就需要按照人体测量尺寸来进行。 在操作数控机床的过程中，门的开合从某种意义上来说，代表了数控机床的状态即 准备和加工两种状态。人打开数控机床的门进行零件的装卸操作，当门开到最大的时候， 把手与数控机床床身之间的距离应至少能容下一只手，根据安全性的要求，在完全把门 打开的状态下，手不应该被把手和床身夹伤。同样，当门完全合拢的时候，两个把手之 间的距离也不应该小于规定距离。而这些尺寸的确定取决于人体测量中人的手掌的厚度 的测量数据，这也需要保证所有的使用者能安全使用，因此在数据选择的时候，也应选 取人体百分位的最大值作为设计参考嘲。 在大部分数控机床上存在警示装置，警示装置的目的是当操作者出现误操作或由于 机床的原因发生危险时的一种信号提示。但如果警示装置的设置没有考虑到人的尺度而 进行安装或没有选择到正确的尺度的时候，那么当危险出现的时候，操作者也许就无法 观察到信号，也就无法做出应有的反应而发生安全事故。 b 、人的生理特征与机床的易操作性的分析 数控机床的自动化程度越高，人的操作活动就越少，也就更加强调使用的方便性和 舒适性。对于数控机床的操作者而言，数控机床的操作活动主要集中在显示控制区和工 6 数控机床的人枧工程学研究 件处理区。 重) 在工传处理区，入主要进行工磐的装卸操作。开门秘关门就是在这个过程中经常 进行的动作，在这两个动作中，门的设计就是一个关键。人准备伸手抓握把手，这时把 手的位置的高低和安装方式就决定了入是否能抓到把手。把手位置的不合理会使得人体 的姿势也处于一个不合理的状态，从而增加人的负担。当人握住把手时，把手的截面形 状和大小就会影响人使用时的舒适度，过大或过小的截面尺寸都会产生不舒适的感觉， 影响入的操作过程。最后，入要将f j 拉歼到预定的位置，以便进行下一步操作。数控机 床的门就需要能被操作者轻松的移动，如果设计的不合理，需要操作者用较大的力量进 行操作，那么很有可能力气较小的操作者将无法方便的使用此f j 。 2 ) 显示控制区包括监控区和操作区两个区域。在数控机床的操作活动中，显示和控 制可以组合在一起进行考虑。在数控机床中，数控面板集中了数控机床加工过程中的大 部分操作，操作者通过控制面板输入数据，发出指令，然后从显示器中获得数控机床的 反馈信息，然后进一步修改或进行新的操作。在这个过程中，入的主要活动为观察和按 键操作。操作者要控制按键和旋钮来指永数控机床完成相应的工作，控制面板的位置和 高度需要符合人的尺度，如肘高，使人能方便舒适地进行操作。另外，控制面板上的按 键、旋镫耪其他的控制器躲设计也会影响入的使用方便性。控制器的形状、大小和所需 力度等都应从人的角度来考虑，如手指的大小，灵活性等。 显示器所显示酶信息要为人所观察，丽人的眼高是在定范围肉的高度上的，因此， 显示器的位置要根据人的眼高来确定，以保证数控机床的操作者都能准确的获取显示信 息。对予信息的获取，操作者还可以通过对数控机床运行状况的直接观察的方法。入的 其他各种尺寸也会对数控机床的可操作性有着不同的影响作用栩。例如，操作者在进行 装卸工件或操作数控面板时，人的脚是不是会很容易就碰到机床的床脚，如果是，就说 明设计时没有为人酶脚窝出应有的空闻；当操 车入员要进行机床维修的时候，给操作入员 维修所提供的空间能否满足维修的要求，空间过大还是过小。 在数控机床的设计中人的生理特征是不可忽视的前提条件，隧羞数控机床的邑动佬 程度的提高，人的主要操作活动由原来的工件处理区的重体力劳动转化为显示控制区的 脑力劳动。但是入的操作活动的重要性并没有因此丽降低，反而在某种意义上来说更加 的重要了，操作活动少了，但是每一个动作却显得更加的重要和关键。 2 1 2 人与数控机床在认知层次土的榛关因素分析 人在谈知心理的层次上对入和数控机床进行分析，认知包括了入的复杂的心理过程， 在数控机床的操作过程中，我们不能单一的只考虑数控机床的结构，也要将操作者在操作 过程中的心理因素考虑在内。因此，了解数控机床的设计和人的认知之问的关系是对人 7 陕讨科技凡学硕士 位论z 的史高一层次n q 天阡。在此j 蜚是分析人的操作活酬的心巧h # 型痹数控机睐世训2 叫的 天系，以及人对! 正示群| f 的队知州律0 7 传统界面设汁之i t , j 的黄系。 a 、数拄机眯操作过程中人的心理模唑分析 心理模呷足指人们通过经验、训练平救甘，刈自己、他人、环境以艟接触刘的事物 形成的模型， 种物t 仙的心理模型大多，“乍f 人们刘物品i j 感知剑的功能和叫视结构进 行揭示的过程中。数控耵：床作为人机乐统r 1 一的人的1 体认知对象，人作为操作扦，竹 先经历的足个认知过程，计人的心中就会存在。个，乏f 数控机床的表象，从而，“生菜 种个人的州解，j 1 用来指导r f 已的行动。在返m ，川题i 十往就发在人i j 理解和数拄机 床木身设训f i ( j f l 的悱所产生i ：l 】剃占e 。我们将从c 叮视洼、匹配陛t | i 反馈世个，面对人 的数控机床操作过羊l l ! 避行分析。 埘j 可视性，j 面，t - 蟹足指物体信息的表达清晰程度。以操作者打开数挖机床的r 】 为例：对于】米观，大敏r ，j 以分为烈m ；f = 单什门曲科。这个fj 到底该蛐扪外，足蜘外 寸丌j = ；足向边l 摊升，或者迎有j c 它的乃式，那么，人们是如f u 做：l j 自己的选抒，在根 多时假，把手的设计就表明r f j 的j f 合7 j 式，在人的i t 忆r | 也就产乍丁种把于彤，j fj 开年z 间的某种畦系。如图2 一i 所示，操作者行刮这样的把手的州性，他就会f l 然i 【l 然的川烈下去推丌这曲扇门，咖刘1 r 罔22 所小，他就会川t 烈于外挣丌fj ，f n 如撤存 爰向阳边推卅的门1 - 安装这样的水、r 向的把下的晒， | 多的操作者是小知所措的。 同2 一把手一推严 h 9 2 - jh a n d l c s o d c n 嘲豳l ! 嫡蒸嘲舞斋_ 凶 - 豳_ _ _ - 二，：。抽 囝2 - 2 把手一拉开 9 2 2h a n d k s 叩c c d 把手的造型与操作者的理解之间的利，对应关系，在数控机j 术其他的部件的世计j 同样也会在也：类似们问题。州此，对1 ：r - 讹r i ：原则隶说，i 要足丁解数控机眯操作卉的 刊惯，或肯说是他们刘要操作的对豫彤态r 的队耋，非化没ht p 将操作者的| 人知和数“、 机床的殴计结台起来，从而仕操作冉石便知道应眩且i 操作。 时r u 二配性米| 兑，j 二要是指输入托制和输h ；结粜2 - 问的关系存操作数控机床的时 性，操作者婪缝常利川控制器柬刘数控机床的运z 山进行控；1 j | 如利i 玎控删面扳i 的雠钏 数控机床的人机工程学研究 来控制数控车床上的被加工工件的运动。那么，操作者向左旋转按钮，工件就应该向左 运动；旋钮向右旋转，工件则向右运动，这就是一个很好的匹配关系。再如，操作者利 用按钮来控制加工中心的主轴的上下运动，按钮处于垂直位置，正常的应该是逆时针转 动旋钮控制主轴向下运动，顺时针旋转按钮则控制主轴向上运动。还有其它的控制手段 以及其它的对应关系，很多类似的关系都是操作者的一种意识，一种习惯。关系的对应 并不是操作者强制性进行记忆的，是操作者的认知习惯和设计物之间的一种很自然的匹 配。 反馈性是指人在做出某一个动作后，总是期待得到某种肯定，即需要有反馈信息回 来，因为人的活动总是带有目的性的铆。在数控机床的操作中，同样以门为例。当操作 者完全合上门的时候，没有得到任何反馈，他就会怀疑门是否真的关上了，是否真的关 紧了，还是门出问题了等等一系列的疑问就会出现。而当门合拢的时候，操作者的手感 觉到明显的阻力和停顿，然后听到“嗒”之类的门合上的声音。这个时候，操作者就会 放心的进行下一步操作，因为他得到了肯定的反馈信息：本次操作成功了。同样，在数控 机床的其他操作中，如操作者旋转按钮，数控机床却没有任何反应，种种担忧立刻就会 出现在操作者的脑海中。在很多的情况下，没有反馈就意味着问题的发生，过程的不顺 利。特别在数控系统中，由于现代数控机床的功能越来越强大，也就更多的利用电脑来 控制。操作者在键盘上输入指令，触摸按钮，当他进行了某项操作的时候，他就期望能 立刻得到反馈信息，如选择了什么指令，正确还是错误，或者是下一步该做什么之类的 反馈信息。这时候，敲击键盘的声音、屏幕的显示信息和指示灯的状态等等反馈信息都 会给操作者带来方便。由上面的分析可知，人在进行操作之前，他就己经有了对事物的 某种理解。人们习惯对事物加以解释，这就形成了针对事物作用方式、事件发生过程和 人类行为方式的概念模型，即心理模型。图2 - 3 所表示的就是设计人员和数控机床操作 者之间对概念模型的一个交流过程。在图中，黑色所绘制的是实际中社记者与操作者的 沟通过程，灰色的是理想的过程和状态。 图2 - 3 设计人员和用户概念模型的匹配模型 f i 9 2 3d e s i g n e t sa n du s g t so f t h ec o n c e 4 a t u a lm o d e lm a t c h i n gm o d e l 9 陕西科技大学硕士学位论文 数控机床设计时拥有一个概念模型，操作者在使用数控机床中会形成的一个概念模 型。设计者与操作者之间的所共同面对的就是数控机床的表象，这是这个过程的基本组 成。在现实的情况下，设计者与操作者之间缺乏直接和有效的交流，因此，数控机床的 表象则是设计者所认为的概念模型在设计中的体现，设计者通过数控机床的设计显示了 他们对操作者的了解“。 当操作人员在使用的时候，根据他所看到的表象就会形成他所认为的概念模型，然 后根据这个概念模型，操作人员在数控机床上进行各种操作，理想的状态就是操作人员 所获取的概念模型与设计者所使用的概念模型是一样的，这样，操作者在操作过程中就 不会产生错误的使用。但在现实中，由于设计上的问题，操作人员总是会面对某些部分 不知所措或者产生错误的操作，这就说明了在设计的时候概念模型没有正确的表达，或 者是给出了错误的概念模型，因此，设计者与操作者之间需要有直接的沟通，以便设计 师能深入的了解操作，这样设计出来的数控机床易于理解和易于使用。 在数控机床设计中，在考虑造型的时候，设计师不应该轻易的去改变原有设计的使 用方式。设计师在考虑实用性和易用性设计的时候，也应该去体验“生活”，和实际的操 作人员一起操作，细致的观察，认真体会，这样设计出来的东西才能真正体现“以人为 本 这一设计理念。没有认真的体会，前面所提及的因素在很多的时候容易被设计者所 忽视，或根本就没有考虑到，或考虑不周全。从而导致设计师的概念模型无法为使用者 所理解，产生错误的理解，出现错误的操作，使人处于一个被动的地位，也就不符合对 人机工程学在设计过程中的要求。 b 、数控系统界面设计中人的视觉认知分析 视觉研究是认知心理学研究最多也最深入的领域。显示器的信号刺激操作者的感官 时，信息加工就随之发生。根据信息加工理论，人的信息加工是分层次的，因此，必须 保证所有信息进入感觉记忆系统，并引起注意，而达到知觉水平，这就要求显示的设计 要遵循视知觉规律，以提高视知觉效率。 数控机床的操作者在操作的过程中，显示器是他们获得信息的主要来源之一。对于 数控机床来说，大部分的工作都是由电脑来控制，因此，操作者需要利用数控机床的软 件系统来进行程序的编辑。操作者主要通过键盘来选择命令，输入指令以及编辑文字等 其他的操作，操作者需要获得反馈，他们获得反馈的途径就是显示设备。当人们选择某 一指令后，软件的界面就会出现某种显示，人的视觉得到刺激信号后，他就会将这种刺 激与他的已有的知识经验相联系，并做出判断，是继续下一步操作，还是修改本次操作 【l i 】。 对于数控机床的操作者来说，他们使用数控机床的数控系统时，大部分操作经验有 赖于他们对一般电脑软件的认知。特别是对于新手而言，因为人们在工作中接触的最多 1 0 数控机床的人机工程学研究 的操作显示界面就是电脑的软件界面。所以，在设计数控系统的软件界面的时候，要对 操作者的己有的视觉的知识和经验进行了解，特别是使用电脑时的知识和经验“引。人对 于熟悉的东西会更容易的接收和获取，从而能在最短的时间内适应新的工作要求。 在操作者的操作过程中，他们要不断地从数控系统的软件界面中感受刺激，获取信 息，显示器所显示的信号和所包含的信息需要能准确迅速的被操作者接收，获得正确的 知觉，以保证操作的顺利进行。要达成这样的要求，就必须从人的视知觉特征出发来考 虑软件界面的设计。人的视觉因素主要包括视觉机能和视觉的运动特征，其中视觉机能 中的视野范围、色觉视野和视觉适应性是影响人接收信号的主要生理因素。在信号的接 收过程中，人并不是完全被动的接收信号，而是主动的获取某些信号，这个过程中就包 含人的视觉的运动过程。 数控系统中的软件界面的设计是数控机床设计中的一个关键的部分，是数控机床的 效率和优势的体现，也是人和数控机床交流的关键的人机界面。 2 1 3 人与数控机床在感性层次上的相关因素分析 这里所提到的“感性 ，主要是指人在情感和精神方面对数控机床的要求，或者说 是某种感觉。数控机床是一种高精密、高效率的高速化加工设备，是现代高科技的一种 体现，因此，容易给人一种科技上的冷漠感和无助感，使用数控机床的人是有情感的， 也希望使用对象也具有一定的情感。 数控机床的形态在现代得到了很大的变化，造型趋于简洁化，曲线的大量应用，这 也正说明了人的情感得到了重视。数控机床的形态在很大韵程度上为机床床身的形态所 决定，因此，每一种类型都有其较为独特的造型特征，人们也能从造型上感觉得到属于 哪一种类型机床。 对于数控机床的操作者来说，每个人对形态的感觉都会有所不同，但可能都会有某 种心理的需求。例如，安全感、稳定感等其他的感觉。在数控机床造型设计中，造型的 手法多种多样，不同的方法会使数控机床呈现不同的视觉效果，对于操作者来说也就会 产生不同的感觉。图2 - 4 所显示的是直线转折两个侧面轮廓给人的不同的感觉。造型和 感觉之间的关系也没有一个等式，也不是完全的一一对应，同时和观察者本身也有联系。 那么，具体哪一种造型的手法会产生怎样的感觉，某种感觉的影响因素是哪些，等等问 题都是要把人的感觉和数控机床的形态联系起来考虑的。 陕西科技大学硕士学位论文 图2 - 4 直线转折的不同感觉 f i 9 2 - 4l i n e a rt u r n i n gp o i n ti nt h ed i f f e r e n tf e e l i n g 数控机床是一种高技术含量，用途十分专业的产品。因此，数控机床的造型设计应 该有自己的特征，以符合数控机床的功能要求。从数控机床发展的历史过程来看，机床 的造型经历着一个从复杂到简洁、从完全裸露的外观到封闭式的造型的变化过程，但是 数控机床的内部结构却是在不断的复杂化，这也说明了人对数控机床造型要求的一种心 理渴求，造型的简洁化，其实是对人与数控机床之间的关系的一种调节n ”。在这里所说的 简洁主要是指视觉感受上的简化，是从人的心理角度来说的某种感受，在实际的造型表 现上不单纯指造型的简单化，是在造型一定丰富化的基础上的统一性。在造型和人的视 觉感受之间有着各种复杂的关系，从对数控机床造型的分析中可以得到人的视觉感受变 化和要求。 2 2 数控机床的外观造型风格 产品的形态构件、结合关系、细节处理、材料、色彩处理及质感等是支配产品造型 风格的要素。相应地，作为设计师的语言，风格的设计文法包括了造型、线条、色彩、 人机界面及工作环境等。设计师整合这些元素加以表达，使人们了解、体会产品的风格 产品造型设计风格的形成受到多方面因素的影响，设计风格对于品牌的识别有着重要的 意义。 2 2 1 数控机床设计风格的形成 在数控机床造型设计中，同一厂家的各种型号的机床产品的设计风格应统一，以满 足产品系列化的要求。图2 5 为江苏多棱数控机床有限公司设计的几款加工中心的造型 方案。 数控机睐的人机l 程学研究 出25 4 苏多棱数拉机床造型 f i 9 2 - 5j i a n g s uc n cm a c h i n et o o lm o d e l i n gc h e l i n g 虽然机床的功能与结构并不相同，但这一系列机床的造型风格是相类似的。南图可 看l 帅i 床的外罩以直立面带有较人圜角为主要造型特征机床的门与观察窗的造型与外 罩风格相协调，并有曲线的造型业化，在造型设计过程中对某些造型特征重复地利用， 形成了这系州机床造型特有的风格。 找们在此研究设计风格主要是为r 研究数控机床产品造型设汁中风格的形成过程， 用于指导数控机眯造剐的人机i l 程学体现。 222 数拄机床的造剐风格 数控机床的造型风格足由，? 观件的形态所决定的，其造型设计风格也由外观件的造 型特征米表现。数控外观件的形态、色彩、村质等变化可以产生多种多样的机眯造型风 格。 现有的数挖机床多采用 块的饭金件刘其内部结构进行大面积的包络，这样使得机 床造型更具整体性，数控机床的造型风格基本上是由占有最大体 ； 的机床外罩的设计风 格所决定的。人们对机床整体造型风格的第一印象是通过机床外罩的造型得到m 。外革 的造型风格是主调，备部件的风格应于之相协调，以获得风格统的外观效果。 数控机床的造犁风格通常用形容词来表示是人”j 心理所感受到的崽象品质。机床 造型意义分别为： 。、曲直：曲多以曲线、i | f | 州造型为主，整体感觉流畅、，扛动直多以直线、平面 造型为j ，整体感觉严谨。 、对比变化简洁统：对比变化是指形式多样，造犁的面| 、形体变化较大，造 型层次中富：简洁统。是指形式单纯，无过多装饰，形体统，整体感强。 陕西科技，、邕删上世化论正 在数控机眯q ，运用这两组形容训，刘现有机床的造型进行概括，以r 咎对这四个形 存训所体现的风格特点进行许述，从中得m 数控机球造型肛l 格什 成的规律。 a 、方衄的风格 这娄机床的形态多为阿线加以小刚伯过渡，整体逃型鞍为7 j 正。直线给人以柏敛、 严市、统一竹j 、j 代的感弛，何台j j 兀”中心两精度、高速度、高效率的特点。这类自【 床造型的外罩、f j 多为方j i 的随线造型，可有倾斜变化。燃察衡多为f 溅形带小网角。 岂手多为直把手，竖a 战横向侍t ：观察窗卉。帆眯造刑巾带有这些风格毙似的部件形成 r 万直型的设计风格。 如同2 - 6 为力r l m 褂机珠 图2 6 万直风格机床 f i 2 ，6t h cs t r a i 2 h l 小l em a c h i n e h 、酬洲的m 辑 这类机床多以曲造型为土，讪】与伽之m 采用人删角、r 卅连接，给几的整体【= | 豫足 j 盘p 网润、统、线条瀣婉流畅。这类造型的外革、fj 为人弧度的曲面，曲嘶与f | 1 ：【们nz j 运闱 侧们圆滑过渡，观察商可采j u 方形枯有较大的叫角，也可运川曲线型等作u o 变化。 把f 为了配合门的曲面，多垃训为曲把手，似较锕小们把f 【l 可以是直线型，竖直或横 向虫放 j 观察 窗旁。，部 件造型 中：存有 较多的 曲线型 的迓刊要素，棼_ ! j f = 体现r 利一 嘲润的设汁风格。如图n _ 7 为嘲润风格机床 圈2 7 回润风格机原 f i 9 2 - 7r o u n d e ds n i cm a c h i n e 数控机j 求的 机工 学研究 c 、对比变化的