數(shù)控機(jī)床控制面板的人性化設(shè)計(jì)及虛擬校驗(yàn)研究

高巍

一、背景及意義

數(shù)控機(jī)床是智能制造領(lǐng)域的重要裝備，能較好地解決復(fù)雜、精密、小批量以及多品種零件加工問(wèn)題。對(duì)數(shù)控機(jī)床整機(jī)及部件進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)既是改善操作者使用體驗(yàn)和提高生產(chǎn)效率的必然訴求，也符合機(jī)床生產(chǎn)廠商增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)附加值的利益需要。同時(shí)，研究基于計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)手段進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)與校驗(yàn)，也有利于大幅提高設(shè)計(jì)效率，縮短投產(chǎn)周期，有力推動(dòng)制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

二、數(shù)控機(jī)床控制面板的結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控機(jī)床的基本組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床主體和其他輔助裝置。其中數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它包含輸入、處理和輸出三個(gè)基本部分，控制面板則是最典型的輸入裝置，是數(shù)控機(jī)床中與操作者交互最頻繁的部件之一，也是機(jī)床人機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)對(duì)象。

控制面板主要由顯示裝置、鍵盤(pán)、MCP、狀態(tài)燈和手持單元等部分組成。雖然機(jī)床類(lèi)型和數(shù)控系統(tǒng)的種類(lèi)繁多，不同廠商的操作面板也不盡相同，但其中各種旋鈕、按鈕和鍵盤(pán)的基本功能與使用方法基本相似。

三、數(shù)控機(jī)床控制面板的人機(jī)關(guān)系分析

控制面板是人與機(jī)器溝通的連接橋梁，設(shè)計(jì)友好、人性化的人機(jī)溝通渠道是設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制面板時(shí)最重要的任務(wù)。依據(jù)人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和依據(jù)，本文主要針對(duì)顯示裝置和控制部件的布局和配合展開(kāi)。

1、有效視區(qū)與正常作業(yè)范圍設(shè)計(jì)

在頭部和眼睛均保持正常狀態(tài)的情況下，根據(jù)人眼對(duì)識(shí)別對(duì)象的辨認(rèn)清晰度和辨認(rèn)速度的數(shù)據(jù)采集及分析，可將識(shí)別區(qū)域分為中心視區(qū)、最優(yōu)視區(qū)、有效視區(qū)和最大視區(qū)。當(dāng)觀察范圍水平方向介于-15°-15°，豎直方向位于水平方向以下10°時(shí)，觀察者能得到最佳的視覺(jué)反饋。據(jù)此，控制面板的最優(yōu)視區(qū)應(yīng)當(dāng)控制在這一范圍內(nèi)，以便操作者能在短時(shí)間內(nèi)辨認(rèn)清楚形體。

同時(shí)，根據(jù)手在水平面正常作業(yè)范圍分析，當(dāng)操作者正常站立操作時(shí)，控制面板位置應(yīng)距人體中線距離在39.4cm左右并不應(yīng)大于50.8cm，如圖1所示。

2、顯示裝置的設(shè)計(jì)

顯示裝置是控制面板中的重要部件，本次設(shè)計(jì)利用了人的觀察特點(diǎn)和人體數(shù)據(jù)庫(kù)的要求來(lái)選用顯示裝置中的組成元件。

（1）選擇顯示器。

因數(shù)控機(jī)床的顯示面板主要顯示一些定量的信息，因此在本例設(shè)計(jì)中選擇數(shù)字顯示器。

（2）布置顯示器。

在本次設(shè)計(jì)中，顯示器的顯示屏幕布置基本與人的最佳視線垂直，方便信息識(shí)別與認(rèn)讀，降低誤差率。整個(gè)顯示屏幕的布置考慮了人的視野和視區(qū)特性，重要的顯示信息應(yīng)布置在顯示屏的最佳認(rèn)讀區(qū)域，如圖2所示，A區(qū)域?yàn)樽罴炎R(shí)別區(qū)域，0點(diǎn)位為視覺(jué)中心。

3、操縱開(kāi)關(guān)的選擇與布置

操作者的操作通過(guò)操縱開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸入機(jī)器，這一過(guò)程的主要?jiǎng)幼魇侨伺c開(kāi)關(guān)之間的交互，因此操作開(kāi)關(guān)的選擇與布置應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)，以方便操作者在最舒適、反應(yīng)最靈敏的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效操縱。

（1）操縱開(kāi)關(guān)的選擇。

根據(jù)輸入信號(hào)性質(zhì)的不用選擇了不同形式的開(kāi)關(guān)。如控制“開(kāi)”和“關(guān)”兩個(gè)動(dòng)作時(shí)，選擇了按鈕或按鍵的形式;控制選擇性信息的輸入時(shí)，采用了系列相似按鍵的形式控制可均勻變化的信號(hào)輸入時(shí)，選擇了旋鈕開(kāi)關(guān)。

（2）操縱開(kāi)關(guān)的布局。

對(duì)于一些需要精確調(diào)節(jié)的旋鈕或滑塊，本設(shè)計(jì)中盡量布置在最容易操控的區(qū)域，并且盡量接近被它控制的顯示器。對(duì)于不同功能的操縱開(kāi)關(guān)，按照操作的流程、順序、重要程度和操縱頻率等進(jìn)行設(shè)計(jì)，適當(dāng)利用線條、色彩等設(shè)計(jì)元素予以分隔。數(shù)控機(jī)床上有部分開(kāi)關(guān)功能特殊，起到安全警戒及緊急制動(dòng)的作用，這部分開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)注意了顏色鮮亮、觸手可及及接觸面大的特點(diǎn)。

操縱開(kāi)關(guān)的面板應(yīng)與顯示器緊密配合，一般操縱開(kāi)關(guān)面板布置在顯示器的下方，顯示器顯示的界面圖標(biāo)與操縱開(kāi)關(guān)的外形、顏色應(yīng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系與邏輯關(guān)系。

根據(jù)操作者的認(rèn)知與心理特點(diǎn)，操作者對(duì)界面布局與開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)方向有一定的經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識(shí)，比如，旋鈕開(kāi)關(guān)，左旋為減少，右旋為增加;顏色顯示時(shí)綠色為安全或運(yùn)行中，紅色為危險(xiǎn)或停止中等。在設(shè)計(jì)操縱面板時(shí)注意常規(guī)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際操縱的吻合，減少操作者誤操作的可能性。

4、操作面板的安裝高度設(shè)計(jì)

人體抬手操作的最佳高度受手的活動(dòng)范圍和肘部高度的影響，考慮到操作者操作控制面板的持續(xù)性與經(jīng)常性，面板安裝時(shí)要盡量選擇較舒適的安裝高度，有效避免疲勞。根據(jù)選取50百分位的人體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3所示，在視距D為500mm的情況下，將操作面板中心與地平面的高度定在1326mm-1520mm之間，同時(shí)，考慮車(chē)銑復(fù)合加工中心的操作面板以傾斜方式擺放，人在操作時(shí)身體會(huì)不自覺(jué)前傾，該高度可取合理范圍內(nèi)的偏低值。

四、設(shè)計(jì)實(shí)例分析與虛擬校驗(yàn)

1、設(shè)計(jì)實(shí)例簡(jiǎn)析

某車(chē)銑復(fù)合加工中心設(shè)計(jì)的操作面板如圖4所示。這款操作面板整體布局清晰，通過(guò)區(qū)塊對(duì)操作區(qū)域作了明確的劃分，整體觀感協(xié)調(diào)，重點(diǎn)突出。

面板在設(shè)計(jì)中注意多功能按鍵指向清晰。通過(guò)按鈕上字的不同顯示表現(xiàn)不同的輸入狀態(tài)，清晰明了;按操作動(dòng)作劃分了區(qū)域，其中按鈕區(qū)與旋鈕區(qū)分開(kāi)可以有效降低誤操作的幾率;高頻率使用或重要功能按鈕設(shè)計(jì)明晰，如急停按鈕以紅色為主、黃色為底，分外鮮明，布置的位置位于左下角，既能快速找到又不容易誤觸。而綠色的啟動(dòng)按鈕作為經(jīng)常操作的按鈕，則設(shè)計(jì)位于右手最容易達(dá)到的位置。

面板設(shè)計(jì)完成后在數(shù)字樣機(jī)中進(jìn)行了虛擬組裝，面板中心離地高度1497.84mm，傾斜角為10°。

2、基于Manikin進(jìn)行人機(jī)虛擬校驗(yàn)

Creo Manikin是PTC（參數(shù)化公司）Creo產(chǎn)品自帶的人機(jī)分析模塊?？梢詭椭O(shè)計(jì)者在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期根據(jù)多個(gè)定量的人因、工作場(chǎng)所標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則測(cè)試設(shè)計(jì)方案。

Manikin允許設(shè)計(jì)人員將虛擬人體模型添到產(chǎn)品的裝配場(chǎng)景中，同時(shí)定義該模塊提供的精確人體特征和力學(xué)特征，例如體態(tài)、視野、運(yùn)動(dòng)類(lèi)型、力和舒適度等?？梢葬槍?duì)一定性別和人種的基本數(shù)據(jù)對(duì)模特進(jìn)行自由定義與操縱，幫助設(shè)計(jì)人員更好地了解產(chǎn)品與人（包括用戶、銷(xiāo)售者、安裝者和維修者等）之間的關(guān)系。

Manikin共包含人體模型放置、運(yùn)動(dòng)、視效、人機(jī)分析和任務(wù)分析五大功能模塊，如圖5所示。

在本例中，將通過(guò)插入人體模型、定義工作狀態(tài)、視野與舒適度評(píng)價(jià)的流程為設(shè)計(jì)完成的數(shù)控機(jī)床控制面板進(jìn)行校驗(yàn)。

（1）插入人體模型

在Creo環(huán)境中利用“插入人體模型”工具插入一個(gè)人體模型，模型名為“m cn 50.asm”，即為中國(guó)男性18～60歲第50百分位的人體數(shù)據(jù)，其身高為168cm，體重為59kg，符合國(guó)標(biāo)GB1000-88的規(guī)定。將該人體模型的站立平面（StandOn）設(shè)置為機(jī)床模型放置的地平面，并調(diào)整模型的面向正對(duì)機(jī)床，設(shè)置人體模型到機(jī)床的距離為最佳適合操作距離800mm。

（2）定義人體模型的工作狀態(tài)

通過(guò)定義手指的狀態(tài)及到達(dá)包絡(luò)，將人體模型設(shè)置為抬手操作面板的工作狀態(tài)并制作快照，如圖6所示。

（3）舒適度分析

Manikin可以分析機(jī)床操作員在一定姿態(tài)下手的操作舒適度，也稱(chēng)為RULA（Rapid Upper Limb Assessment）分析，通過(guò)系統(tǒng)的得分計(jì)算判定，分析結(jié)果為1-7分，其中分?jǐn)?shù)越小，舒適性越佳，1-2分為較理想的分析結(jié)果。在本例中，操作人員右手操作面板的舒適度分析得分為1分，舒適性非常好，符合人機(jī)工程學(xué)要求。

（4）視野與視覺(jué)窗口分析

車(chē)銑復(fù)合加工中心特殊的操作環(huán)境決定了良好的視野對(duì)于操作員觀察面板、觀察工件的重要性。Manikin的視野分析功能是以人體模型的眼橢球?yàn)榛A(chǔ)，分別基于靜態(tài)眼橢球的視野范圍和眼睛最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)的視野范圍進(jìn)行分析。本例中，操作員視野能有效覆蓋面板主要控制范圍，眼橢球左右旋轉(zhuǎn)能便捷切換到觀察窗口，符合操作要求，操作員當(dāng)前角度視覺(jué)窗口如圖7所示。

五、結(jié)論

本文分析了數(shù)控機(jī)床控制面板的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)實(shí)例設(shè)計(jì)了一款車(chē)銑復(fù)合加工中心的控制面板并進(jìn)行了虛擬安裝，同時(shí)，也通過(guò)CAD/CAM軟件的人機(jī)分析模塊進(jìn)行了校驗(yàn)，對(duì)面板的操作舒適性及人體視野范圍進(jìn)行了分析，得到了較理想的結(jié)果。

案例基于數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)分析的理念展開(kāi)研究實(shí)踐，對(duì)于其他數(shù)字化產(chǎn)品的人性化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。