高巍

一、背景及意義

數(shù)控機床是智能制造領(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題。對數(shù)控機床整機及部件進行人性化設(shè)計既是改善操作者使用體驗和提高生產(chǎn)效率的必然訴求，也符合機床生產(chǎn)廠商增加產(chǎn)品設(shè)計附加值的利益需要。同時，研究基于計算機輔助工業(yè)設(shè)計手段進行產(chǎn)品的虛擬設(shè)計與校驗，也有利于大幅提高設(shè)計效率，縮短投產(chǎn)周期，有力推動制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

二、數(shù)控機床控制面板的結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控機床的基本組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、機床主體和其他輔助裝置。其中數(shù)控裝置是數(shù)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(shù)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(shè)計的重點對象。

控制面板主要由顯示裝置、鍵盤、MCP、狀態(tài)燈和手持單元等部分組成。雖然機床類型和數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控機床控制面板的人機關(guān)系分析

控制面板是人與機器溝通的連接橋梁，設(shè)計友好、人性化的人機溝通渠道是設(shè)計數(shù)控機床控制面板時最重要的任務(wù)。依據(jù)人機工程學(xué)的設(shè)計準則和依據(jù)，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(qū)與正常作業(yè)范圍設(shè)計

在頭部和眼睛均保持正常狀態(tài)的情況下，根據(jù)人眼對識別對象的辨認清晰度和辨認速度的數(shù)據(jù)采集及分析，可將識別區(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(jù)此，控制面板的最優(yōu)視區(qū)應(yīng)當控制在這一范圍內(nèi)，以便操作者能在短時間內(nèi)辨認清楚形體。

同時，根據(jù)手在水平面正常作業(yè)范圍分析，當操作者正常站立操作時，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

顯示裝置是控制面板中的重要部件，本次設(shè)計利用了人的觀察特點和人體數(shù)據(jù)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(shù)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(shè)計中選擇數(shù)字顯示器。

（2）布置顯示器。

在本次設(shè)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(qū)特性，重要的顯示信息應(yīng)布置在顯示屏的最佳認讀區(qū)域，如圖2所示，A區(qū)域為最佳識別區(qū)域，0點位為視覺中心。

3、操縱開關(guān)的選擇與布置

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

（1）操縱開關(guān)的選擇。

根據(jù)輸入信號性質(zhì)的不用選擇了不同形式的開關(guān)。如控制“開”和“關(guān)”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(guān)。

（2）操縱開關(guān)的布局。

對于一些需要精確調(diào)節(jié)的旋鈕或滑塊，本設(shè)計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。對于不同功能的操縱開關(guān)，按照操作的流程、順序、重要程度和操縱頻率等進行設(shè)計，適當利用線條、色彩等設(shè)計元素予以分隔。數(shù)控機床上有部分開關(guān)功能特殊，起到安全警戒及緊急制動的作用，這部分開關(guān)設(shè)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(guān)的面板應(yīng)與顯示器緊密配合，一般操縱開關(guān)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(guān)的外形、顏色應(yīng)存在對應(yīng)關(guān)系與邏輯關(guān)系。

根據(jù)操作者的認知與心理特點，操作者對界面布局與開關(guān)運動方向有一定的經(jīng)驗性認識，比如，旋鈕開關(guān)，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(shè)計操縱面板時注意常規(guī)經(jīng)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(shè)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(xù)性與經(jīng)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(jù)選取50百分位的人體數(shù)據(jù)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(fù)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(nèi)的偏低值。

四、設(shè)計實例分析與虛擬校驗

1、設(shè)計實例簡析

某車銑復(fù)合加工中心設(shè)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(qū)塊對操作區(qū)域作了明確的劃分，整體觀感協(xié)調(diào)，重點突出。

面板在設(shè)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(xiàn)不同的輸入狀態(tài)，清晰明了;按操作動作劃分了區(qū)域，其中按鈕區(qū)與旋鈕區(qū)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(shè)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(jīng)常操作的按鈕，則設(shè)計位于右手最容易達到的位置。

面板設(shè)計完成后在數(shù)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(shù)化公司）Creo產(chǎn)品自帶的人機分析模塊。可以幫助設(shè)計者在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期根據(jù)多個定量的人因、工作場所標準和準則測試設(shè)計方案。

Manikin允許設(shè)計人員將虛擬人體模型添到產(chǎn)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(xué)特征，例如體態(tài)、視野、運動類型、力和舒適度等?？梢葬槍σ欢ㄐ詣e和人種的基本數(shù)據(jù)對模特進行自由定義與操縱，幫助設(shè)計人員更好地了解產(chǎn)品與人（包括用戶、銷售者、安裝者和維修者等）之間的關(guān)系。

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

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

（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(shù)據(jù)，其身高為168cm，體重為59kg，符合國標GB1000-88的規(guī)定。將該人體模型的站立平面（StandOn）設(shè)置為機床模型放置的地平面，并調(diào)整模型的面向正對機床，設(shè)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(tài)

通過定義手指的狀態(tài)及到達包絡(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可以分析機床操作員在一定姿態(tài)下手的操作舒適度，也稱為RULA（Rapid Upper Limb Assessment）分析，通過系統(tǒng)的得分計算判定，分析結(jié)果為1-7分，其中分數(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，符合人機工程學(xué)要求。

（4）視野與視覺窗口分析

車銑復(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(chǔ)，分別基于靜態(tài)眼橢球的視野范圍和眼睛最大轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(jié)論

本文分析了數(shù)控機床控制面板的設(shè)計思路，通過實例設(shè)計了一款車銑復(fù)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(jié)果。

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