数控车床的可靠可用性研究

一数控技术简介

数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，其可靠性水平是国家战略地位和综合国力的体现。可靠性分配工作是可靠性设计中的重要组成部分，是产品固有可靠性的有力保障。数控装备的高水平化和复杂化决定了实现可靠性合理有效分配的必要性和紧迫性。其中数控机床是实现装备制造业现代化的关键设备，其拥有量及性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标准。截止到2011年，中国已连续年成为世界第一大机床消费国和进口国，且中国机床行业总产值跃居世界第一，又成为世界第一大机床生产国。但与此同时出口额仅占其总产值的30%，这表明国内机床整体水平仍需提高。和德国、日本、美国等发达国家相比，中国机床整体产量和产值的数控率都相对较小，未来还有广阔的市场提升空间。

二数控车床的可靠性分析

从可靠性分配国内外研究现状来看，大多学者在进行可靠性分配时未考虑故障相关性，而对于数控车床这类复杂系统来说，一个故障的发生导致另一故障随之发生的情况是比较常见的，甚至出现故障连锁反应的现象。此外，评价指标之间也存在相关性，故论文从多角度考虑相关情况下的数控车床可靠性分配技术，建立基于相关性的可靠性分配准则。

在传统可靠性分配技术基础上，考虑子系统与整机的结构相关性、各子系统之间故障相关性以及维修性等指标因素对可靠性分配的影响，以数控车床为研究对象，引入可靠性影响度、故障相关性理论和叩理论，通过可靠性建模、故障分析、维修性评价等过程指导可靠性分配。采用概率论与数理统计、可靠性工程等学科相结合的方法，对国产数控车床进行可靠性分配。

目前数控机床的高科技化对操作者的素质要求较高，操作者需经过较长的培训和实习才能进行独立操作。这主要是由于大多数控机床存在着可用性不足的问题：控制面板上部分功能在语义学上没有明显的指示或暗示，英文操作界面给国内操作人员的学习和记忆都带来了不便，功能按键的排布也不尽符合人固有的逻辑思维。操作者只能采用机械的方式记住操作指令、步骤和按键功能，一旦操作失误极易造成损失和事故。可见目前数控机床的设计对人的重视还不够。如果只一味的追求精密的机械技术，而增加了操作者的负担，就会违背人和机器间的和谐关系，无形中把人变成了机器的奴隶，不仅影响操作者的工作效率，还会导致失误，造成浪费和损失，甚至会影响系统运行的安全性。而长期进行机械的操作会造成操作者的身体疲劳和心理压力，甚至产生职业病。作为使用最为广泛的一种数控机床，提高数控车床的可用性对机床产业的发展至关重要。

三可用性的发展

可用性的萌芽可追溯到二战时期美国空军对军事装备的研究，之后随着计算机技术的发展逐渐应用于民用和工业产品设计中。70 年代末，用户界面可用性（Usability）这一概念首次被国外研究者提出。80 年代中期，随着计算机的应用，那些没有计算机基础的普通用户在使用软件时遇到了很多困难。期间出现了“对用户友好”的口号，之后被转换成人机界面的“可用性”概念。至此，可用性工程开始被应用于软件开发中，并在可用性之父 Jakob Nielsen，Brian Shackel 等国外可用性专家的不断研究中形成了一套普遍适用的方法体系――可用性工程。90 年代以来，可用性工程开始在美国、欧洲、日本等发达国家 IT 工业界普遍应用[8]。相对而言，我国引入可用性概念较晚，90 年代才刚刚起步。由于当时国内大多数人对可用性这一概念还比较陌生，故一度发展缓慢。直到2000 年，大连海事大学成立了国内第一个可用性工程研究中心――中国欧盟可用性研究中心，中国的可用性研究才开始受到重视。

四机床行业的发展趋势

机床行业的发展趋势分为劳动、技术、高技术密集型三个阶段，相应的代表产品为普通机床、数控机床和柔性加工中心。数控机床发展自世纪年代，初期产品只是在原有普通机床上添加了一个数控系统，属于单纯的功能叠加，并未考虑其中人的因素。年代以后，随着工业造型理论的引入，机床造型与功能间的协调性及美观性开始受到重视。年代以来，德、美、日各国纷纷研制高速数控机床。数控机床正朝着智能化、精密化、高速加工、高可靠性方向发展。其造型、色彩和精美程度也广受关注数控机床的人机界面也越发受到设计师们的重视。其设计以简化用户操作方式、美化数控机床外观造型、改善用户工作环境为主要目的，直接影响着操作者的工作效率和满意度，继而影响着企业生产效率和竞争力。近些年来国外数控机床在造型、材质、工艺和人机界面设计等方面都有着惊人的突破，其中德、美、日三国堪称翘楚。美国的机床设计重视基础科研，讲究效率和创新。德国重视实用性，坚持“以人为本”，以德玛吉、西门子公司为代表，生产出了很多高科技智能化的优秀机床。日本的机床行业重视高性能和技术领先，以公司为代表，针对性地发展市场所需各种高中低档数控系统，产量居世界第一。相对而言，我国数控机床的人机界面研究仍处于起步阶段，设计上存在着很多不足。如数控系统和很多重要部件大多要从国外引进，缺乏系统的生产体系，造型设计上多模仿国外机床，缺乏整体性、独特性和宜人性，技术和结构上都缺乏创新，无法满足国内操作人员的需要。目前对数控机床人机界面的研究多为人机界面的分析评价与设计方法及原则的研究，应用方法有模糊综合评价、虚拟软件建模评价、模块化设计等。且现有研究多对数控机床进行整体研究，对某一类机床的单独研究较少。

五数控车床研究中存在的问题

数控机床可用性研究中存在的问题主要体现在以下几个方面：

数控机床可用性的实证研究较少。目前数控机床的可用性研究大多停留在理论和方法上，针对数控机床的操作过程进行可用性测试的研究者较少。数控机床可用性评价指标体系不够完善。目前的研究多针对数控机床外观造型、人机界面设计等领域进行研究，从可用性角度进行评价的研究者较少。目前大多数对数控机床的可用性研究都是针对可靠性和故障维修进行的，采用的大多是分析性评估方法，在工业设计领域的研究较少。作为使用最为广泛的数控机床，这些问题也同时存在于数控车床的可用性研究中。

数控机床的可用性评估方法在进行数控机床可用性评估时，可用性方法的选择受到以下因素的影响：设计评估所处的生命周期阶段；目标用户特征；目标任务的特征；产品或系统的自身特征；影响项目的现实约束条件；设计或评估人员团队所具有的人类工效学专业知识和水平。

本文针对数控车床对国内操作者可靠性和可用性不足的现状，做了的简单的分析，在以后发展的过程中，需要注重加强，以用户作为分析为例，数控车床用户作为人类的一般属性包括：车床操作人员的视觉、听觉等感知能力，记忆力，思维方式，对于外界刺激的反应能力，对新事物的接受能力，分析和解决问题的能力等人类本身具有的基本能力；性别、年龄、身高、体重、体能、生理障碍、左右手使用的习惯程度等身体特征；以及教育程度和以往经历等。数控车床用户与车床相关的特殊属性包括：车床操作人员所了解的有关车床的知识如基础理论、加工工艺等，使用车床所需的基本技能（如操作方法、编程能力等），操作数控车床的技术水平，期待利用机车所完成的功能，以及使用机床的时间和频率等。按照操作人员对机床的熟悉程度，可以将其分为新手用户、中等经验用户、和熟练用户。还要注意数控车床用户以男性为主，在设计时需考虑到男性群体的色盲概率较大，且在设计机床的物理尺寸时应更多的考虑男性用户的人体尺寸。研究数控机床用户时，要从一般属性和特殊属性两方面着手，拟定若干易于分析的调查指标做成问卷，对操作人员进行调查并对调查过程中收集的数据进行分析。