數控機床控制面板的人性化設計及虛擬校驗研究

高巍

一、背景及意義

數控機床是智能制造領域的重要裝備，能較好地解決復雜、精密、小批量以及多品種零件加工問題。對數控機床整機及部件進行人性化設計既是改善操作者使用體驗和提高生產效率的必然訴求，也符合機床生產廠商增加產品設計附加值的利益需要。同時，研究基于計算機輔助工業設計手段進行產品的虛擬設計與校驗，也有利于大幅提高設計效率，縮短投產周期，有力推動制造產業發展。

二、數控機床控制面板的結構組成

數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置。其中數控裝置是數控機床的核心，它包含輸入、處理和輸出三個基本部分，控制面板則是最典型的輸入裝置，是數控機床中與操作者交互最頻繁的部件之一，也是機床人機設計的重點對象。

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

三、數控機床控制面板的人機關系分析

控制面板是人與機器溝通的連接橋梁，設計友好、人性化的人機溝通渠道是設計數控機床控制面板時最重要的任務。依據人機工程學的設計準則和依據，本文主要針對顯示裝置和控制部件的布局和配合展開。

1、有效視區與正常作業范圍設計

在頭部和眼睛均保持正常狀態的情況下，根據人眼對識別對象的辨認清晰度和辨認速度的數據采集及分析，可將識別區域分為中心視區、最優視區、有效視區和最大視區。當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，觀察者能得到最佳的視覺反饋。據此，控制面板的最優視區應當控制在這一范圍內，以便操作者能在短時間內辨認清楚形體。

同時，根據手在水平面正常作業范圍分析，當操作者正常站立操作時，控制面板位置應距人體中線距離在39.4cm左右并不應大于50.8cm，如圖1所示。

2、顯示裝置的設計

顯示裝置是控制面板中的重要部件，本次設計利用了人的觀察特點和人體數據庫的要求來選用顯示裝置中的組成元件。

（1）選擇顯示器。

因數控機床的顯示面板主要顯示一些定量的信息，因此在本例設計中選擇數字顯示器。

（2）布置顯示器。

在本次設計中，顯示器的顯示屏幕布置基本與人的最佳視線垂直，方便信息識別與認讀，降低誤差率。整個顯示屏幕的布置考慮了人的視野和視區特性，重要的顯示信息應布置在顯示屏的最佳認讀區域，如圖2所示，A區域為最佳識別區域，0點位為視覺中心。

3、操縱開關的選擇與布置

操作者的操作通過操縱開關轉換為信號輸入機器，這一過程的主要動作是人與開關之間的交互，因此操作開關的選擇與布置應符合人機工程學，以方便操作者在最舒適、反應最靈敏的空間內實現高效操縱。

（1）操縱開關的選擇。

根據輸入信號性質的不用選擇了不同形式的開關。如控制“開”和“關”兩個動作時，選擇了按鈕或按鍵的形式;控制選擇性信息的輸入時，采用了系列相似按鍵的形式控制可均勻變化的信號輸入時，選擇了旋鈕開關。

（2）操縱開關的布局。

對于一些需要精確調節的旋鈕或滑塊，本設計中盡量布置在最容易操控的區域，并且盡量接近被它控制的顯示器。對于不同功能的操縱開關，按照操作的流程、順序、重要程度和操縱頻率等進行設計，適當利用線條、色彩等設計元素予以分隔。數控機床上有部分開關功能特殊，起到安全警戒及緊急制動的作用，這部分開關設計時注意了顏色鮮亮、觸手可及及接觸面大的特點。

操縱開關的面板應與顯示器緊密配合，一般操縱開關面板布置在顯示器的下方，顯示器顯示的界面圖標與操縱開關的外形、顏色應存在對應關系與邏輯關系。

根據操作者的認知與心理特點，操作者對界面布局與開關運動方向有一定的經驗性認識，比如，旋鈕開關，左旋為減少，右旋為增加;顏色顯示時綠色為安全或運行中，紅色為危險或停止中等。在設計操縱面板時注意常規經驗與實際操縱的吻合，減少操作者誤操作的可能性。

4、操作面板的安裝高度設計

人體抬手操作的最佳高度受手的活動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性與經常性，面板安裝時要盡量選擇較舒適的安裝高度，有效避免疲勞。根據選取50百分位的人體數據進行分析，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，考慮車銑復合加工中心的操作面板以傾斜方式擺放，人在操作時身體會不自覺前傾，該高度可取合理范圍內的偏低值。

四、設計實例分析與虛擬校驗

1、設計實例簡析

某車銑復合加工中心設計的操作面板如圖4所示。這款操作面板整體布局清晰，通過區塊對操作區域作了明確的劃分，整體觀感協調，重點突出。

面板在設計中注意多功能按鍵指向清晰。通過按鈕上字的不同顯示表現不同的輸入狀態，清晰明了;按操作動作劃分了區域，其中按鈕區與旋鈕區分開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計明晰，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。而綠色的啟動按鈕作為經常操作的按鈕，則設計位于右手最容易達到的位置。

面板設計完成后在數字樣機中進行了虛擬組裝，面板中心離地高度1497.84mm，傾斜角為10°。

2、基于Manikin進行人機虛擬校驗

Creo Manikin是PTC（參數化公司）Creo產品自帶的人機分析模塊。可以幫助設計者在產品開發過程的早期根據多個定量的人因、工作場所標準和準則測試設計方案。

Manikin允許設計人員將虛擬人體模型添到產品的裝配場景中，同時定義該模塊提供的精確人體特征和力學特征，例如體態、視野、運動類型、力和舒適度等。可以針對一定性別和人種的基本數據對模特進行自由定義與操縱，幫助設計人員更好地了解產品與人（包括用戶、銷售者、安裝者和維修者等）之間的關系。

Manikin共包含人體模型放置、運動、視效、人機分析和任務分析五大功能模塊，如圖5所示。

在本例中，將通過插入人體模型、定義工作狀態、視野與舒適度評價的流程為設計完成的數控機床控制面板進行校驗。

（1）插入人體模型

在Creo環境中利用“插入人體模型”工具插入一個人體模型，模型名為“m cn 50.asm”，即為中國男性18～60歲第50百分位的人體數據，其身高為168cm，體重為59kg，符合國標GB1000-88的規定。將該人體模型的站立平面（StandOn）設置為機床模型放置的地平面，并調整模型的面向正對機床，設置人體模型到機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

通過定義手指的狀態及到達包絡，將人體模型設置為抬手操作面板的工作狀態并制作快照，如圖6所示。

（3）舒適度分析

Manikin可以分析機床操作員在一定姿態下手的操作舒適度，也稱為RULA（Rapid Upper Limb Assessment）分析，通過系統的得分計算判定，分析結果為1-7分，其中分數越小，舒適性越佳，1-2分為較理想的分析結果。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，符合人機工程學要求。

（4）視野與視覺窗口分析

車銑復合加工中心特殊的操作環境決定了良好的視野對于操作員觀察面板、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為基礎，分別基于靜態眼橢球的視野范圍和眼睛最大轉動范圍內的視野范圍進行分析。本例中，操作員視野能有效覆蓋面板主要控制范圍，眼橢球左右旋轉能便捷切換到觀察窗口，符合操作要求，操作員當前角度視覺窗口如圖7所示。

五、結論

本文分析了數控機床控制面板的設計思路，通過實例設計了一款車銑復合加工中心的控制面板并進行了虛擬安裝，同時，也通過CAD/CAM軟件的人機分析模塊進行了校驗，對面板的操作舒適性及人體視野范圍進行了分析，得到了較理想的結果。

案例基于數字化樣機設計分析的理念展開研究實踐，對于其他數字化產品的人性化設計具有一定的參考意義。