但 鵬 劉 耀 薛艷敏

（1.秦川集團(tuán)西安技術(shù)研究院有限公司，西安 710018；2.西安理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，西安 710018）

人機(jī)尺寸是人機(jī)工程學(xué)理論重要的組成部分，是人體測(cè)量學(xué)、人體生物力學(xué)和人體感知與信息處理3方面在人機(jī)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。機(jī)床造型設(shè)計(jì)相較于普通機(jī)械造型設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，其人機(jī)尺寸從整個(gè)加工系統(tǒng)、整機(jī)外部延伸到內(nèi)部，需要從人-機(jī)床-環(huán)境的統(tǒng)一整體進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)造[1]，以人為本進(jìn)行符合當(dāng)代審美的機(jī)床造型設(shè)計(jì)[2]，通過(guò)一系列的人機(jī)尺寸優(yōu)化，提升人機(jī)交互體驗(yàn)，進(jìn)而為機(jī)床產(chǎn)業(yè)帶來(lái)長(zhǎng)期的鏈狀價(jià)值。

1 數(shù)控機(jī)床中的人機(jī)尺寸

1.1 整體系統(tǒng)的人機(jī)尺寸

數(shù)控機(jī)床整體系統(tǒng)指數(shù)控機(jī)床加工單元和多輔機(jī)單元的組合形態(tài)。數(shù)控機(jī)床加工單元即機(jī)床，是生產(chǎn)加工的主體；輔機(jī)單元包含多種設(shè)備，如電箱、操作箱、液壓裝置、刀庫(kù)、油冷機(jī)、排屑器、變壓器及靜電吸物等，可根據(jù)功能需求進(jìn)行選型組合。不同的機(jī)床類型，配備的輔機(jī)單元存在很大差異。整體人機(jī)尺寸主要指加工單元與輔機(jī)間布局的合理性。加工單元與輔機(jī)單元的空間位置關(guān)系應(yīng)符合《工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人類工效學(xué)原則》（GB/T 16251—1996）中給出的工作空間設(shè)計(jì)的一般性原則。例如，排布整體布局時(shí)，部分輔機(jī)應(yīng)避開(kāi)人員操作區(qū)，給操作區(qū)預(yù)留出適合該位置操作方式的合適尺寸。另外，輔機(jī)間的排布在遵循以人為本的基礎(chǔ)上應(yīng)以輔機(jī)操作頻率為依據(jù)，一般操作頻率越高，設(shè)計(jì)順序的優(yōu)先級(jí)越高。

數(shù)控機(jī)床整體系統(tǒng)的視覺(jué)尺寸應(yīng)遵循設(shè)計(jì)幾何學(xué)中的黃金比例原則，實(shí)現(xiàn)各部分與整體之間協(xié)調(diào)的秩序美。在摒棄華而不實(shí)的裝飾后，統(tǒng)籌功能部件間的距離是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)美的主要途徑。例如，某臥式加工中心布局如圖1所示，它整體采用矩形布局，大立柱所在位置剛好位于矩形分界處，將整體劃分為加工區(qū)和非加工區(qū)兩部分。加工單元被輔機(jī)單元環(huán)繞，加工區(qū)位于正方形中心，整體布局簡(jiǎn)潔分明，輔機(jī)單元各部分互不干擾且方便操作。這樣既滿足了功能需求，又實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)的秩序美。

1.2 機(jī)床加工單元的人機(jī)尺寸

數(shù)控機(jī)床加工單元中涉及的人員操作區(qū)域均包含相應(yīng)的人機(jī)尺寸，主要分布在加工位正門和操作箱區(qū)域。結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)成年人人體尺寸》（GB/T 10000—1988）人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)表和設(shè)備及用具的高度和人體身高的關(guān)系尺寸表[3]，可計(jì)算出相應(yīng)位置的近似取值。設(shè)備及用具的高度和人體身高的關(guān)系尺寸表如表1所示。

表1 設(shè)備及用具的高度和人體身高的關(guān)系尺寸表

產(chǎn)品設(shè)計(jì)所涉及的尺寸分為3種類型。第一，Ⅰ型設(shè)計(jì)尺寸，指在設(shè)計(jì)中需要兩個(gè)人體百分位數(shù)作為設(shè)計(jì)尺寸的上限值和下限值的產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸。第二，Ⅱ型設(shè)計(jì)尺寸，指在設(shè)計(jì)中只需要單個(gè)人體百分位數(shù)作為設(shè)計(jì)尺寸的上限值或下限值。Ⅱ型設(shè)計(jì)尺寸包含了ⅡA型設(shè)計(jì)尺寸ⅡB型設(shè)計(jì)尺寸。ⅡA型設(shè)計(jì)尺寸即大尺寸設(shè)計(jì)，也被稱為包容空間設(shè)計(jì)尺寸。ⅡB型設(shè)計(jì)尺寸即小尺寸設(shè)計(jì)，也被稱為可及距離設(shè)計(jì)尺寸。第三，Ⅲ型設(shè)計(jì)尺寸，也被稱為平均設(shè)計(jì)尺寸。

加工位正門有打開(kāi)和關(guān)閉兩種狀態(tài)。當(dāng)門處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，門把手所處位置與相鄰邊框的距離參照手寬尺寸，取值為GB/T 10000—1988標(biāo)準(zhǔn)中18～66歲年齡段女性手寬第50百分位的ⅡB型小尺寸76 mm。 門把手的粗細(xì)應(yīng)符合人舒適抓握的粗細(xì)程度，因?yàn)楹侠淼陌咽种睆侥軌蛱嵘ノ帐孢m度[4]。通常，把手直徑選擇Ⅲ型設(shè)計(jì)尺寸為30～40 mm，同時(shí)選擇圓弧面把手，以增加把手握感的舒適度。同理，可得操作箱旋轉(zhuǎn)把手的直徑。門把手所在高度（文中高度均指距地面距離）應(yīng)符合手部施力最佳范圍，根據(jù)設(shè)備及用具的高度和人體身高的關(guān)系尺寸表中“能發(fā)揮最大拉力的高度”的3/5的比例關(guān)系，采用18～60歲年齡段第50百分位身高數(shù)值1 678 mm計(jì)算得出把手中心施力點(diǎn)高度約為1 000 mm，同時(shí)把手的人機(jī)尺寸應(yīng)該滿足視覺(jué)人機(jī)要求。綜合考慮后，可將門把手?jǐn)U大成范圍型把手，以滿足門與把手視覺(jué)比例的均衡。

雙開(kāi)門和單開(kāi)門打開(kāi)后的尺寸被稱為凈開(kāi)門尺寸。在滿足最大加工工件放入的基礎(chǔ)上，需具備人能夠通過(guò)門進(jìn)入機(jī)床內(nèi)部的功能，完成對(duì)機(jī)床內(nèi)部檢修的目的。所以，凈開(kāi)門尺寸不得低于ⅡA型肩寬大尺寸，即486。

當(dāng)門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，雙開(kāi)門把手間間隙不得小于30 mm。門窗和側(cè)面觀察窗大小至少應(yīng)滿足能夠清楚看到機(jī)床內(nèi)部目標(biāo)可視區(qū)，所以設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)選擇雙限值Ⅰ型設(shè)計(jì)尺寸，即門窗高度尺寸上選擇窗口下高度低于女性立姿眼高第50百分位1 454 mm，窗口上高度高于男性立姿眼高第50百分位1 568 mm，得出取值區(qū)間為小于1 454 mm且大于1 568 mm。寬度取值結(jié)合窗口與所在板面的比例選擇功能與美學(xué)相適應(yīng)的合理尺寸。

數(shù)控機(jī)床操作箱操作頻率為間歇性操作，非長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。通過(guò)訪談，工人反饋簡(jiǎn)易的操作過(guò)程為“打開(kāi)機(jī)床門，放入毛坯件，關(guān)閉門，運(yùn)行程序”。工件加工無(wú)需頻繁設(shè)定加工程序，從程序庫(kù)中選擇與加工零件所匹配的加工程序即可。

操作箱區(qū)域涉及的人機(jī)尺寸中包含視覺(jué)人機(jī)和觸覺(jué)人機(jī)兩方面。視覺(jué)人機(jī)中，視點(diǎn)高度應(yīng)與顯示區(qū)中心對(duì)齊，以GB/T 10000—1988標(biāo)準(zhǔn)中18～66歲年齡段身高第50百分位1 678 mm為基準(zhǔn)，結(jié)合設(shè)備及用具的高度和人體身高的關(guān)系尺寸表中“直立姿勢(shì)眼高”的11/12的比例關(guān)系得出視點(diǎn)高度約為1 467 mm。

操作箱的分區(qū)通常以按鍵或圖標(biāo)、顏色、功能3方面為標(biāo)準(zhǔn)。色彩在操作控制面板、設(shè)備表面處理以及編碼方面具有優(yōu)勢(shì)[5]。常規(guī)工況下，同一類型圖標(biāo)或按鍵設(shè)計(jì)成相同大小。顏色選用對(duì)比明顯且長(zhǎng)時(shí)間操作不引起視覺(jué)疲勞的色彩。在相同大小的按鍵中存在特別提醒的按鍵時(shí)，可通過(guò)亮色突顯。緊急制動(dòng)類按鍵應(yīng)采用大體積和亮色彩雙重突顯，同時(shí)為防止出現(xiàn)操作困難或影響效率的情況[6]，位置設(shè)計(jì)在視覺(jué)最明顯、遠(yuǎn)離常規(guī)操作區(qū)域且在操作可及域內(nèi)，以便提高應(yīng)對(duì)緊急情況時(shí)操作的容錯(cuò)率。

觸覺(jué)人機(jī)中，水平操作箱高度設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)備及用具的高度和人體身高的關(guān)系尺寸表中“采取直立姿勢(shì)時(shí)工作面的高度”的6/11的比例關(guān)系得出高度數(shù)值約為915 mm。數(shù)控機(jī)床垂直操作箱與人眼之間的視距應(yīng)為小于500 mm。以視點(diǎn)高度1 467 mm為基準(zhǔn)，操作箱整體區(qū)域應(yīng)位于立姿視點(diǎn)水平線上夾角30°至下夾角40°范圍內(nèi)，且顯示區(qū)中心區(qū)應(yīng)設(shè)定在立姿視點(diǎn)水平線下夾角10°。該角度符合站姿時(shí)自然視線舒適區(qū)范圍。

1.3 數(shù)控機(jī)床人機(jī)尺寸表與隱性價(jià)值鏈

根據(jù)機(jī)床人機(jī)尺寸，結(jié)合功能修正量，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床人機(jī)尺寸表繪制，結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)控機(jī)床人機(jī)尺寸表（單位：mm）

機(jī)床是市場(chǎng)化的產(chǎn)品，其宏觀的發(fā)展模式遵循現(xiàn)代產(chǎn)品發(fā)展的規(guī)律，即愈發(fā)重視端到端的用戶體驗(yàn)。在機(jī)床造型設(shè)計(jì)中，用戶體驗(yàn)不單單是操作者的個(gè)人體驗(yàn)，而且是在產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程中與產(chǎn)品或服務(wù)交互前后來(lái)自感知層、認(rèn)知層與行為層的綜合反映[7]。設(shè)計(jì)中人機(jī)尺寸的優(yōu)化提升了多用戶的體驗(yàn)感受，同時(shí)能夠帶來(lái)持續(xù)的隱性價(jià)值。持續(xù)的隱性價(jià)值串聯(lián)形成隱性價(jià)值鏈，并最終形成良性循環(huán)的產(chǎn)業(yè)環(huán)。隱性價(jià)值鏈圖如圖2所示。

2 滾刀復(fù)合磨床造型設(shè)計(jì)

2.1 滾刀復(fù)合磨床布局設(shè)計(jì)

MGK6432滾刀復(fù)合磨床是陜西省“智能制造”科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目，是從用戶需求入手，針對(duì)滾齒刀具磨削工藝要求設(shè)計(jì)的具備刀具前刃面和鏟磨齒形的專用高精度數(shù)控磨床，能夠提高滾齒刀具的加工精度和加工效率。

通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床造型設(shè)計(jì)中人機(jī)尺寸的研究，得出相應(yīng)的人機(jī)尺寸表，根據(jù)表格內(nèi)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)MGK6432滾刀復(fù)合磨床造型。MGK6432滾刀復(fù)合磨床造型整體布局圖如圖3所示，部件及功能區(qū)分布圖如圖4所示。

不同設(shè)計(jì)因子之間存在一種穩(wěn)定的相互轉(zhuǎn)變形式時(shí)，能使產(chǎn)品整體形態(tài)或系列產(chǎn)品之間產(chǎn)生統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的效果[8]。從整體布局圖和部件及功能區(qū)分布圖可以得知，整體系統(tǒng)布局與加工單元中主要操作位均符合人機(jī)尺寸數(shù)據(jù)，且各操作位置均預(yù)留合理空間。根據(jù)設(shè)計(jì)幾何學(xué)中矩形布置，各部件形成的設(shè)計(jì)因子成統(tǒng)一調(diào)性。加工單元中的加工區(qū)X軸及電箱連接位分別位于矩形左側(cè)和右側(cè)黃金分割比處，Y軸與正門位于布局的中軸線上，布局清晰分明，蘊(yùn)含著設(shè)計(jì)幾何學(xué)獨(dú)特的秩序美。

2.2 加工單元正面設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)效果圖

如圖5所示，正面設(shè)計(jì)圖中Logo位置位于豎直黃金分割線位置，視覺(jué)上給人美的感受，同時(shí)起到了突出標(biāo)識(shí)的作用。在實(shí)際工況中，正面操作區(qū)有墊板，所以操作箱涉及的人機(jī)尺寸均根據(jù)墊板修正量進(jìn)行修正，以滿足符合人機(jī)尺寸舒適度的要求。范圍型把手增大了握把位的范圍，同時(shí)能夠和整體風(fēng)格融為一體。三色燈位于水平右側(cè)黃金分割線頂部，保證操作位工人和遠(yuǎn)處工人能夠及時(shí)觀測(cè)加工狀態(tài)。

3 易忽視的人機(jī)要點(diǎn)

通過(guò)MGK6432滾刀復(fù)合磨床造型設(shè)計(jì)與車間調(diào)研發(fā)現(xiàn)，機(jī)床造型設(shè)計(jì)中人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)要點(diǎn)存在被忽略的情況。

3.1 操作箱背板的安裝打開(kāi)方式

常規(guī)操作箱背板通過(guò)螺釘安裝，電氣工程師在調(diào)試過(guò)程中需要反復(fù)打開(kāi)關(guān)閉。由于鈑金加工誤差較大，背板上的孔位與操作箱上的孔位并不能實(shí)現(xiàn)完全軸心對(duì)齊，導(dǎo)致多顆螺釘需要全部安裝后才能進(jìn)行螺釘緊固，大大增加了不必要的操作時(shí)長(zhǎng)。此外，操作過(guò)程的煩瑣也易導(dǎo)致用戶變得煩躁。為解決這一問(wèn)題，在MGK6432滾刀復(fù)合磨床的操作箱造型設(shè)計(jì)中，采用鉸鏈搭配平面鎖的方式實(shí)現(xiàn)操作箱背板的快速開(kāi)關(guān)，極大地提升了電氣工程師的調(diào)試效率，同時(shí)改善了用戶體驗(yàn)。設(shè)計(jì)前后對(duì)比如圖6所示，圖6（a）為常規(guī)操作箱背板，圖6（b）為滾刀復(fù)合磨床背板。

3.2 走線槽對(duì)應(yīng)的走線方式

數(shù)控機(jī)床的走線方式多為穿線結(jié)構(gòu)。在MGK6432 滾刀復(fù)合磨床的走線槽設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，穿線結(jié)構(gòu)在面臨穿插多線束和高頻次穿線時(shí)便捷性很差，增大了走線的難度。為解決這一問(wèn)題，提出一種U形走線槽的設(shè)計(jì)方式，即打通以往穿線蓋板間的連接板，通過(guò)焊接在外罩殼上的U字形的鋼板承載線束，走線過(guò)程僅需1～2次穿線，整體按入U(xiǎn)形槽內(nèi)即可完成走線，如圖7所示。

3.3 維修門的拆裝方式及相關(guān)尺寸

常規(guī)機(jī)床維修門為至少4顆螺釘固定，拆裝耗時(shí)。MGK6432滾刀復(fù)合磨床將維修門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成下方向內(nèi)斜面插入、上方螺釘緊固的結(jié)構(gòu)。加工狀態(tài)下，噴濺的切削液可以通過(guò)下方斜面導(dǎo)流至機(jī)床內(nèi)部，避免積液的同時(shí)，可有效解決安裝孔位偏心和拆裝不便的問(wèn)題，提高了操作人員的效率。機(jī)床功能導(dǎo)致維修門打開(kāi)后維修人員距加工主軸距離不在雙臂可及域范圍內(nèi)，所以在操作人員雙臂承重范圍內(nèi)擴(kuò)大了門板尺寸，保證了操作人員進(jìn)入機(jī)床內(nèi)部后的空間需求。滾刀復(fù)合磨床最終設(shè)計(jì)效果圖如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

智能制造時(shí)代，機(jī)床造型不再是單純的防護(hù)，還是用戶與機(jī)床交互的窗口。本文通過(guò)對(duì)機(jī)床造型設(shè)計(jì)中涉及的諸多人機(jī)尺寸關(guān)鍵點(diǎn)的分析呈現(xiàn)，使得機(jī)床造型設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)合理，更加貼合以人為本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。符合人機(jī)尺寸的機(jī)床不僅提升了用戶舒適性，而且提高了機(jī)床產(chǎn)品的隱性價(jià)值。從產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度看，機(jī)床造型設(shè)計(jì)中人機(jī)尺寸的深入研究將是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的必經(jīng)之路。