.9 人机工程学 案例2：机电产品的人机设计

机电产品的

工业设计改造2024/12/301机电产品的工业设计2024/12/302日用品和机电产品的特点比较,作为设计定位参考。表1日用品与机床产品的设计特点进行比较

日用品机电产品产品种类生活消费品、品种多、大量生产生产资料、品种少、少量生产产品特征流行性、感性要求高，附加机能比原始机能更受重视的产品比率高、适应不特定用户最重视产品的基本机能和成本，适应特定用户工业设计对产品的意义是产品是否成功的关键、档次、品味等都受工业设计水平的影响是建立人机交流的桥梁、操作性和形态，属于次要机能技术设计对产品的意义提供基本的、成熟的技术支撑、保证达到工业设计所要求的效果是产品是否成功的关键工业设计的要素和目标形态、色彩、与环境相和谐，与生活方式相吻合、新颖性、意外性、情趣性等等人机界面、操作性、形态（色彩、外型，基本构成），建立以人为本的工作环境工程设计的要素和目标达到工业设计效果的技术开发、加工成型方法和加工工艺机能、性能的设定和开发、结构的合理性、解析的正确性、生产的方便性、维修的可行性要素之间的关联附加机能优先、原始机能的开发根据附加机能的要求进行形态和操作性与产品的机能和性能配合开发设计概念掌握市场和消费意识，了解流行和生活方式的变化、根据生活方式的定位设定设计概念根据技术、使用的具体指标进行理性的发想、根据机器、操作性和环境设定设计概念2024/12/303数控机床的工业设计2024/12/3042．CK6430型数控车床

CK6430型数控车床属于小型数控仪表车床，适于加工小型异形回转体零件，具有精度高，功率大，整体形态小巧的特点。(1)

产品型号的含义C——指车床K——指数控6——指普通卧式车床4——指加工盘类零件30——指最大工件回转直径为300mm

2024/12/305原产品造型分析

2024/12/306第一数控面板置于防护罩顶部上方，操作舒适性差，人机关系不合理。

n

2024/12/3072.形态n

各个部件分布凌乱，琐碎，连接突兀，形态整体感及协调感差，让人在操作时感觉无所适从，加大操作者的肢体活动空间，易产生疲劳。n

工作灯仍沿用旧式的伸臂式灯，形态粗陋，和整体差异过大，缺乏时代感。

2024/12/308

整体形态沿袭了较早期的机床风格，呆板，无生气，形态过于复杂，缺乏现代感。n

底座偏高，使整个车床视觉重心偏高，给人以不稳定感，视觉感不流畅。n

移动门和主轴箱外部的防护罩形态差异大，破坏整体造型。

2024/12/3093.色彩

n

以部件加工后形成的色彩为主，色彩设计没有经过深入分析。n

采用单一的浅绿色，给人感觉呆板，沉闷，无法反映产品自身高精度，高度现代化的特征。n

单一的色彩让人找不到产品重点之所在，无法区分不同的工作区域。n

没有充分应用不同色彩的功能来加强车床的宜人性设计。n

危险处未采用警示色。n

外构件色彩：数控面板——以深色为主冷却液喷嘴——以鲜艳的蓝色与橙色相搭配总电源开关——以鲜明的红色和黄色相配工作灯——灰色。2024/12/3010

4.人机界面

n

第一数控面板较高，举手次数的增多会增加操作者的疲劳度。n

常用键操作面板（第二面板）和编程用数控面板（第一面板）这两个操控区分得很开，显——控区域分离，降低操作的便利性和舒适性。n

人机界面设计中强调易操作性，安全性和心理的适合性，原有产品在这方面只简单考虑了操作者的视点高，维修门的设定，两个操控区的分离，没有细致分析操作者整个操作过程及人体姿势，设计含量明显较少。

2024/12/30115.细节n

各种螺钉，移动门滑移槽等装置裸露在外，影响整体的简洁性和协调性。n

移动门把手，工作灯等部件形态简陋，设计中忽略操作者使用时的舒适性。n

产品型号标牌和车床整体不协调，陈旧，缺乏时代感，面积过大，有喧宾夺主之感。n

企业铭牌陈旧，位置不显眼，无法引人注意。深色的地脚螺钉和浅色的底座对比鲜明，破坏底座的整体感，影响美。

移动门上视察窗的格栅妨碍操作者观察工件加工情况，容易积灰，加大油漆难度。2024/12/3012市场调研

通过对市场上同类产品的相关书籍、样本、杂志以及互联网信息的收集及分析，做出如下归纳总结:

1.国外同类产品状况n

产品的外观造型已从直线形风格的外形向直线和弧线相结合的线形风格转变，从而强调产品的现代感，增强柔和感和美感。n

色彩选择紧密地和功能及人机工程学原理相结合，以二色配色方案或三色配色方案为主，主体颜色基本采用白色或浅的冷色调，配色方案新颖，大胆。

2024/12/3013n

小型机床多采用抽屉式的排屑方式，清洁而方便操作。

n

全封闭的造型是机床外型设计的总体趋势。

n

着重考虑产品的宜人性设计。n

注重细节设计，整体风格突出。n

。2024/12/30142024/12/30152.国内同类产品状况n

基本停留在满足使用功能的阶段：“为内部的机芯加个罩壳，样子过得去，可以用就行了”，设计含量少。n

由于产品加工粗糙，形态感觉较为粗陋，陈旧。n

造型设计以直线形为主，较为呆板，缺乏时代感。n

色彩方案多选用一色或二色的配色方案，没有从色彩的功能作用上考虑。n

在产品的宜人性设计方面明显欠缺。2024/12/3016设计定位分析2024/12/30172.工艺定位从现实可行的生产工艺条件来看，造型设计将受到一定的制约。以下是设计中应注意的问题：n

为使铸件的形状易于铸造而又不影响其性能，在设计中，要注意外形的简洁，避免不必要的曲面和内凹形状。n

结构设计时，应避免不同焊缝的过于接近或集中；为了便于焊接，工件设计时应考虑尽量采用圆形焊缝或直焊缝；为减少焊接量和装配时间，应减少部件数量。n

在造型设计时应注意使其形状有利于装夹在加工机床上；结构上的孔，槽等形状尺寸应有利于选用标准刀具；注意避免不能加工的形状。n

为方便部件的表面处理，零件应尽量设计成整体。n

避免出现大的平面，可用曲率较小的凸面，或用特定手段打破其平面感，掩盖可能发生的加工缺陷。n

在缺乏大型冲压机械的情况下，避免采用外形过于复杂的设计。总的来说，设计还必须满足标准化,应尽量在可行的前提下设计简洁的外形，从而实现生产的可行性和经济性。

2024/12/30183.企业定位

生产厂家上海仪表机床厂对设计的要求是：在本厂工艺基本可以实现的情况下，设计尽可能新颖；产品本身就是企业形象的一个重要部分，因此工业设计对提高企业形象有重要的意义。而反之，产品必须和企业的形象相吻合，起到相辅相成的作用。上海仪表机床厂是一家大型国有企业，近年来以其产品“高精度，高效率，高效益”的特点赢得了大批用户。它的产品形象应符合其大型企业的市场形象，更应体现出它的产品特征。因此，新设计的数控车床应定位为整体协调，造型新颖美观，具有强烈的现代气息和精确感，具有宜人性特征的新型数控车床，从而充分体现上海仪表机床厂精湛的生产工艺和信赖感。2024/12/30194.文化环境因素

2024/12/3020设计分析2024/12/30211.功能分析

2024/12/3022

(1)实用功能

一件工业产品对使用者来说，主要是购买其实用功能。如电冰箱的实用功能为冷冻，冷藏食品；耗电量要少；振动，噪声要小。本课题的CK6430主要用于盘类零件的车削加工。在车床上加工零件，是通过刀具和工件的相对运动实现的。本车床的工作原理是通过数控装置控制刀尖运动轨迹，使其运动轨迹满足工件轮廓要求，就可以加工出合格的零件。对操作者而言，数控车床除了要具备最基本的车削功能以外，还要具有可维修，易于操控，便于收集及清理废屑等实用功能。

2024/12/3023(2)美学功能

产品的美学功能是产品对人类心理，人体感官发生的作用，引起的感受。产品的美学功能与使用者的注意力息息相关。美学功能通过视觉，触觉，听觉等特别是视觉能直接察觉到，因此它对购买者的购买行为产生最为强烈的影响。工业设计应使产品通过形态，色彩，材质，肌理，表面加工，装饰等手段符合人的感受条件。使用者的心理感受不仅包括形态，色彩的美感，人的舒适性，安全性，仪表等的易读性，视觉，触觉，听觉等因素均与人的心理状态及感受有关。

数控车床产品的美学功能要素包括稳定感，安全性，明确性，整体的和谐与统一及易于修理维护，技能和脑力作业为主的操作特点等。

2024/12/3024(3)象征功能

产品的象征功能是在观察，使用产品时得到的所有有关精神，心理，社会等各方面的感受，体验。数控车床产品的象征功能要素包括精密度，效率，现代感等。

2024/12/30252.人机分析以人为中心是一切设计的原则。对机床产品所进行工业设计，主要的依据和方法就是人机工程学。改善人机关系是机床设计主要解决的问题。

人机关系的准则以人的形态特征,确定人的作业空间;以人的功能特征,确定人的作业条件.l

身体的适合性l

头脑的适合性l

时间的适合性l

环境的适合性l

相互使用的适合性2024/12/3026(1)人体尺寸与机床设计

机床的高度直接取决于立姿人体尺寸。按照国标GB10000-88可查得数据，来进行设计。2024/12/3027人体尺寸尺寸数值应用范围立姿眼高结合操作者的鞋跟高度和脖子弯曲旋转以及视线的角度，大约为1500mm至1550mm。移动门上视窗高度，数控面板高度。其中视窗高度最好在视线的中心范围内。肘部高度960mm至1024mm尤其适用于常用的第二数控面板。通过科学研究发现最舒适的高度是低于人肘高度大约76mm，考虑到较矮女性的肘高，合理范围在889mm到1118mm。肩宽加上衣服的厚度和两肩之间的活动空间，基本范围为522mm至540mm。适用于移动门能开启的最大宽度，适合操作者装卸工件等。立姿垂直手握高度630mm至656mm适用于电源总开关的高度。2024/12/3028操作者的身高定

为1650mm左右，

由此来决定车床

整体的高度。控制区位置应由平均眼高来决定。由于人在实际操作时，不可能保持直立姿势。所以要考虑人有一个前倾的角度。由此来决定两处控制面板的高度。2024/12/3029如图所示，

从正面看，车床必须保证人手左右的运动

范围。虽然操作者可以左右走动，但为保证安全的要

求，必须确保能看到零件加工的同时，进行操作。

2024/12/3030

（2）人的感觉与机床设计

2024/12/3031（3）环境与机床设计环境在机床产品的使用效率上起着很大的作用。良好的环境本身就能调节使用者的兴趣，提高产品的形象。在机床设计时，要考虑的物理环境因素包括:照明、噪音、温度等等。以下以照明条件为例来说明环境问题。机床加工多为精密加工，照明问题显得尤为重要。l

在一个加工车间里，需要有大范围的照明和局部的照明。这也是形成舒适的工作环境的因素。如图左所示。l

在操作时，需要一个合理的照明范围。工作灯最好可以移动或者伸降。能够随时调整照明的角度。l

要注意照明的区域，要使这个工作区域都能看清，以免误操作。如图右所示。2024/12/3032照明条件在金属表面的加工时，要特别注意照明的安排。不能使光线直射，形成强烈反射，影响操作者的视觉。数控车床可采用小型荧光灯，并有可旋转的灯罩。这样既能保证照明范围，又可调整光照角度。而且光的亮度适中，不刺眼。

2024/12/3033（3）机床的人机界面对操作者而言，数控机床的人机界面可分为三个区域。l

监测区是显示工作状况的区域，也即数控面板部分。l

操作区是人完成主要操作的区域。l

工件处理区是装卸工件的区域。三个区域在结构上、功能上构成相对独立的单元。在机床设计中，把三者明确的分开，并作为机床外形上肯定的部分突出表现出来，有利于人机关系的协调。

2024/12/3034（4）人机设计的综合运用

l

机床的生产、搬运、安装。

例如：在机床上要考虑到运输的便利，应设计有供吊车运输的起吊螺孔或供铲车运输的槽口，如图：2024/12/3035l

操作过程中的使用性——指人们能以最舒适的方式进

行工作，也就是好用性。

在平面操作时，高度宽度要符合身体最舒适的要求，这样

工作的效率才最高，且不易疲劳。

机床底部向内凹提供放脚的位置。在机床底部加一块踏板，这样不仅可以调节操作者的高度，而且能增加职责感。2024/12/3036操作过程中的安全性——这是机械产品设计中的基本考虑因

素。例如机床外沿不能突出，否则极易造成事故。左图

如图操作面板上的按钮很多。为避免误操作，所有按钮的归零位和工作位置要一致。如右图.

2024/12/30373.造型风格分析

2024/12/30384.设计发展过程

方案草案

在经过了认真仔细的市场调研和定位分析后，开始着手方案的初步构思。方案的初步发想是伴随对设计课题的各方面因素的理性分析而进行的，因此已有针对性，而不是盲目构思。

方案的草案大多通过勾勒草图的方式把脑海中的产品形态捕捉下来。下图是几个初步方案的草图。

2024/12/30392024/12/3040设计提案及说明

总体布局1.

第一和第二数控面板的布局

由于第二数控面板的布局调整影响到整个车床的布局，较为关键，因此先做分析。

把第二数控面板（其上放置常用键）和移动门连接在一起，让它随门移动。

为避免高速转动的刀具或工件伤害操作者，操作时密封防护罩上的移动门应呈关闭状态。操作者此时可透过面板正上方移动门上的视察窗观察工件加工情况，无须侧身观察，操作姿势十分舒适，合理。当操作者要拉开移动门，装卸零件或刀具时，第二数控面板随门移到一边，操作者就不会触及任何按键，从而避免了无意中触碰按钮引发的工伤事故。为了减小操作者的肢体运动空间，使之操作省力，舒适和安全，也为了使车床的布局获得较强的整体效果，2024/12/3041这样的布局使操作者不再感到第一数控面板对车床整体而言相对孤立，加强操作的流畅型。第一数控面板不再放置在防护罩之上，而是和防护罩连为一体，置于右上方主轴箱前部。2024/12/30422.

降低底座可视部分高度原产品的底座部分过高，破坏了整个车床的立面整体比例分割，使其产生不流畅的视觉感受，当操作者的视觉感受长时期的阻碍，容易造成其疲劳，从而引发误操作，甚至造成工伤事故。

因此新的方案用车床上部防护罩罩住部分底座，从视觉上降低整个车床的重心，让它给人以稳定，扎实，安全可靠的视觉感受，并良好的完成了立面的上下比例分割，使整个车床的形态流畅，生动。2024/12/30433.

采用废屑车收集废屑废屑小车位于机台的正下方，废屑及冷却液直接落入，不会在车床加工过程中散落到地上，影响操作者的工作环境而对其造成不良的心理影响。

采用废屑小车收集废屑后，整个收集和清倒过程都十分方便轻松，降低了操作者的劳动强度，增强了操作的舒适性。2024/12/30444.

电器部分的布局

电器部分的放置位置还和原产品相同，即主轴箱和电机的后方。但是为加强整个电器部分和主轴箱，伺服电机的区别性，人为地以线型的分割造成电器部分和其他部分的区别，增强其识别型和指示性，方便操作和维修。

2024/12/30455.

全封闭型的防护罩

车床工作时会有大量废屑和冷却液飞溅，同时产生噪声和热量。采用全封闭型的防护罩，能使粉尘，油污，废屑，冷却液，噪声等全都封闭于防护罩之中，不给操作者带来任何危害，增加了车床的安全性和宜人性。车床内部具用较多复杂的结构部件，全封闭型的防护罩将之全部掩盖，避免了杂乱无章的部分暴露在外，造成对操作者不良的心理影响，引起他们的厌烦感，也加强了车床的简洁性和美观程度。数控车床的高度自动化使全封闭型防护罩的实现成为可能。

2024/12/3046风格

1.为了突出此款数控车床精密，高效的特性，在产品的形态设计中大量运用了直线型，以此突出产品理性的造型风格；而密封罩壳的形态中引入局部的大弧度曲线，不仅增加了造型的生动性和自然性，更体现了一种柔性的设计风格，一改以往人们心目中机床不易亲近的形象，减少了其作为大功率机械给人带来的生硬感，使其在理性的风格中融入柔性的因素。

本车床的外观形态相对来说较为规整，基本不运用复杂而不确定的几何形态，用一种精确，严密的形态语义来反映产品的特征。面与面之间基本采用小圆角过渡，给人挺拔有力，清晰利落，精致的美感。2024/12/3047

在当今生活节奏日益加快，人们的工作日益繁忙的社会背景下，人们更倾向于简洁的风格。而车床本身作为一种结构和操作方式较为复杂的机械产品来说，其简洁的外形风格更能为使用者带来心理的愉悦。因此本车床的不使用任何复杂的线型和繁琐的装饰，也不使用过多的色彩，力求简单，明快，使之顺应时代趋势。具有现代气息是本车床的又一风格特点。明快大胆的配色，简洁的造型，局部造型中流畅的曲线型应用，以及对把手和导轨选用了银色光亮的不锈钢材质，都使产品体现出适度的现代感，反映了它所处的科技高度发达的现代社会背景。

2024/12/3048形态

1.防护罩和移动门

防护罩和移动门的形态统一，增强车床的整体感，使之整齐划一，协调美观。防护罩顶部结构（如图不是单纯的平面，而是有突起和下凹，并遵循左凸右凹的方式。这样的设计是为了增添移动门相对于整个防护罩壳体的流动感，以一种轻盈的滑块作为其形态的语义，体现了移动门本身的功能特征。

由于物体在一般情况下总是由高处划向低处，所以防护罩顶部左凸右凹的构形方式暗示了移动门的滑动方向，强化了形态所传达的信息要素，可帮助减少误操作。同时，这样的构形使车床形态错落有致，丰富而具有美感。2024/12/30493.

比例和尺度

2024/12/3050线型

1.直线与曲线的结合运用

本车床设计中采用了大量的直线型，给人以静穆，庄重，工整，开阔平静的感觉，符合车床作为机械产品的自身特征。大量直线型的运用还增强了产品的简洁感，且加工工艺简单。

在车床密封罩的形态中加入局部的大弧度曲线型，为产品形态增添了轻快，活泼的元素，体现CK6430作为轻型精密机床的轻巧感，并避免了线型过于统一而造成的呆板，枯燥感。同时增强车床的亲和性，以其圆润流畅的形态使人在心理上产生一种不受阻碍的自由快感，从而提高工作效率。2024/12/30512.平行排列的“主调”

CK6430的造型中，其轮廓线和结构线主要采用平行与垂直的方式组织，它的形态获得了方正，简洁，刚直，稳定的视觉效果。

车床工件加工运动主方向性是绕水平轴旋转，拖板，刀架主要沿着与之平行的方向移动，因此决定了车床线型组织“自然形成的主调”。为了突出这个主调，使本车床具有协调统一的风格和完整性，这里采用了较多平行线型关系，如移动门把手呈平行方向放置，移动门上视窗平行方向尺寸大于竖直方向，面与面之间的折线呈平行排列，甚至车床品牌标志和型号的图案中也强调平行方向的线型。2024/12/3052.第二数控面板侧面的线型和密封罩壳的侧面线型属同族曲线排列。两组曲线之间的曲率既不完全相等，又有相同的变化因素。这样既能获得统一协调的视觉效果，又富有变化，给人以造型美感。

3.同族曲线的排列

2024/12/3053色彩

本车床选用了三色套的配色方案，以简洁的配色方案体现了工业产品惯有的简单的风格，并以不同的色彩体现了产品各部分功能特征之所在。1.主体色

主体色选用白色，白色明度高，有明快感，浅淡而沉静。反映了CK6430轻巧，精密的功能特征。且能弥补室内采光条件的不足，解除人的沉闷感；白色纯度低，避免纯色对人的过分刺激，引起视觉疲劳而降低工作效率。选择白色不仅能使车床满足作业环境和人机相适应的要求，还一反车床传统的笨重，简陋，不洁净的形象，增加了产品的轻盈感，高雅感和现代感。

2024/12/30542．防护罩

防护罩采用了红色，其RGB值为：R:241G:77B:102n

红色代表了活力，热情和兴奋，能引起使操作者注意力，提高其兴奋感，加强工作效率。n

红色和白色形成了适度对比，突出移动门和车床主体的动静对比。n

红色作为暖色具有较强的运动感，突出指示了移动门需要经常拉动操作的功能特性。n

防护罩移动门内是高速运转的主轴和工件，红色醒目而具有警示作用，能增强操作者的警惕性。n

红色作为一种刺激性较强的颜色，大面积的运用对操作者会造成不良影响，引起烦乱的情绪，降低工作效率。因此本案中选用的红色降低了纯度和明度，并以第二数控面板遮挡住部分的移动门，使红色没有呈大面积色块在操作者视线中出现，降低了它可能带来的负面效应。

2024/12/30553.底座

n

车床底座采用较浅的灰色，色调比主色调深一些，形成色彩明度上较强的对比，色彩比上部显得更为收敛，突出了车床主体部分，并给人稳定感，均衡感，丰富感，庄重感等生动的色彩心理暗示。n

灰色本身也具有镇定，朴素，沉静，温和的色彩联想和象征，更加强了底座的安定感。n

考虑到CK6430作为精密车床所具有的轻巧，精密的功能特征，用较浅的灰色而不是很重的色彩，体现其轻盈感和精密感。2024/12/3056细节

1.工作灯的布局

为使操作者更清晰地观察车床内工件的加工情况，新方案将工作灯放置在防护罩内部主轴的正上方，更充分地发挥其照明的效果，且不会破坏车床整体的协调感和简洁感，给操作者带来更愉悦的心理感受。

工作灯建议采用射出柔光的小型荧光灯，不会造成金属工件对光线的强烈反射，防止操作者有刺眼的感觉，影响正常操作。2024/12/30572.产品品牌标志和型号上海仪表机床厂的产品品牌标志(如图5.2.6b)为“3G”,其含义为“高速度