机床造型设计中的人机工程

摘 要：在工业生产领域，数控机床是一类非常重要的设备，其质量直接影响产品的加工质量。就目前状况而言，国内数控机床存在着线条生硬、操作繁琐等缺陷，不仅无法有效地提升工件加工的质量与效率，还可能危害流水线工人的生命财产安全。文章结合笔者工作经验与相关理论知识，研究了机床造型设计中人机工程的应用，供有关人员参考借鉴。

关键词：技术；电视艺术；电视美学

检 索：.cn

中图分类号：TB47 文献标志码：A 文章编号：1008-2832（2016）07-0105-03

Man Machine Engineering in Machine Tool Design

MAO Yang（Dalian Polytechinc University Art and Information Engineering，Dalian 116600，China）

Abstract ：In the field of industrial production， NC machine tool is a kind of very important equipment，its quality directly affects the quality of the product. Is the current situation， domestic CNC machine tools exist defects in rigid lines， the operation is complicated， not only can not effectively enhance machining quality and efficiency， also may endanger the safety of life and property of the assembly line workers. The author combined the work experience and the related theory knowledge， in this paper has studied the machine tool design in the man-machine engineering application， for the related personnel reference.

Key words ：machine tool modeling； design； ergonomics

Internet ：.cn

人机工程学自诞生以来便受到了数控机床设计界的广泛关注，机床设计者利用人机工程学来改善数控机床运转条件、调整机床显示屏安装角度等。现阶段，结合人机工程学知识所制造的数控机床不仅具备美观的外型，性能也得到了显著的提升。

一、人机工程学概述

心理学、人体测量学、生物力学、生理学与工程学等学科知识共同构成了人机工程学。在机床造型设计中应用人机工程学的主要目标是结合该学科理论，设计出拥有最大运转效率、操作便利安全的机械设备。人机工程学之所以能够实现确保人、机器以及环境系统总体性能最优化的目的，主要原因是其向设计者揭示了人、机器以及环境三者之间的规律与关系。

近年来，人机工程学的应用愈来愈广泛，应用主要集中于工业领域。通过应用人机工程学，人们有效地提升了机器的性能、改善了工人的操作条件、减少了职业病的发生几率。就目前状况而言，我国工业发展势头较好，数控机床应用普遍，所以人机工程学应用条件良好。

二、数控机床人机系统设计目标

人机系统在数控机床中应用的基本目标便是实现“机宜人，人适机”。数控机床能够承受巨大的工作量，在工件精度控制方面具有巨大的优势，而相比于数控机床，人拥有活跃的思维，能够对工作中的突发状况做出紧急处理。在数控机床造型设计上应用人机工程学知识，就是为了加强人与机器的配合，从而最大程度地强化人机系统的总体功能并提升系统运转效率。

人与数控机床构成和谐的人机系统，人与机器共同履行应尽的职责。人机系统中，机器负责开展高强度的运算以及工件加工工作，操作人员则负责编写控制程序、下发操作指令以及维护保养数控机床等。

三、人机系统具体设计

（一）工作台控制装置设计

工作台是数控机床的关键构成成分，其负责对相关工件进行加工。工作台控制装置是指挥机械臂运转的“大脑”，在工作台控制装置设计工作中，设计者必须要考虑到操作人员手臂活动范围等因素，力求使操作人员能够便捷地操作工作台。调查数据显示，我国大部分数控机床操作人员患有腰肌劳损、腰椎盘突出等疾病，造成该现象的主要原因之一是常规的数控机床设计使得操作者长时间地处于静态弯腰状态中。因此，数控机床人机系统设计者应当竭力避免上述问题的发生，合理地设计工作台台面，充分结合人机工程学相关知识来确定台面的高度。

通常情况下，操作人员是站立操作工作台的，在此情况下，工作台面应当靠近操作员的手部，如此方能避免操作人员长时间弯腰的现象出现，还能有效地防止操作人员因身体前倾而跌倒。数控机床的控制杆和手柄由杠杆以及执握柄构成，从操作条件来看，控制杆以及手柄属于单手控制器范畴，数控机床的手柄一般在操纵力相对较小的操作环境下使用。结合人体工程学相关知识，认为在手柄转动角度不大于手腕转动的常规角度的条件下，工作人员的操作将更加地轻松高效。

为了最大程度地消除数控机床运行过程中手柄与操作人员手掌之间的摩擦，可以采用轴套式的手柄设计。为了提升操作人员手部的舒适性，可以采用触感良好的软树脂作为手柄套的材料，也可以为操作人员发放软树脂制成的工作手套，从而实现对操作人员手部进行双重保护的目的。

（二）显示输入面板设计

显示输入面板是数控机床的核心组分，负责显示数控机床运行状态等重要工作。显示输入面板的高度设计十分重要，传统的数控机床未重视显示输入面板的高度设计工作，从而导致操作人员无法便捷地观测运行数据，不仅影响了数控机床的正常运行，同时在一定程度上影响了操作人员的身体健康。

依照人机工程学理论，认为数控机床显示输入面板的高度应当取百分之五十的人体尺寸，即设计成操作人员平均身高的一半，事实表明，该种设计能够有效地满足机床操作人员的操作要求，使操作人员能够轻松地完成数据分析、输入等工序。为了提升面板操作的舒适性，机床设计者还需要重点考虑面板高度与操作人员肘高的适应性。如果操作人员经常性地抬高手臂以进行显示输入面板操作，则容易产生肌肉酸痛感，长此以往可能造成手臂肌肉血液循环不畅，所以，机床设计者需要充分确保面板与操作人员的肘高相匹配。

需要特别指出的是，应当采用可调节式面板设计，这是因为每个人的生理构造有着细微的差别，在此情况下，如果面板是固定的，即使高度设计考虑到了操作人员身高平均值、肘高平均值等因素，也难以最为有效地为每一个操作人员提供最优的工作环境。就目前状况而言，悬挂式、分离式、贴合式以及下伸式等形式的显示输入面板技术实现难度相对较低、实际应用效果颇佳，因此被广泛应用于数控机床中。每个操作人员对面板高度的要求不同，所以应当在控制面板上安装体积与高度合理的把手，从而有效地增强操作人员的工作便利性。

由于现代化的数控机床需要执行多类加工任务，功能比较丰富，因此显示输入面板上分布着大量的按键，按键的大小设计工作十分重要，按键过大或者过小都可能导致操作效率低下甚至引发误操作，影响数控机床的运转效率与质量。面板按键尺寸大小要与操作人员手指端面积相匹配。一般来讲，按键面积需要稍稍大于人的手指端面积。为了保障操作的准确性，按键的工作行程以及按压力需要符合相关行业规范与国家标准。

为了尽量缩小显示输入面板的体积，按键的排布应当尽量紧密，但是应当注意按键排布不能过于紧密，否则操作人员可能在无意间同时按下两个键位，如此有可能引发相关安全事故。得益于科技的迅猛进步，现阶段数控机床控制面板按键技术得到了极大的改进，国有企业基本普及了感应式键盘设计，这种面板感应灵敏度非常好，并且拥有极佳的触感，能够显著地增强数控机床操控工作的舒适性。

为了促使操作人员能够更好更快地获取收索信息，应当依照一定的原则来设计按键的排布，经验表明，奇数个横向的按键排列方式能够最为有效地提升操作人员信息获取工作的便利性与准确性。最好划分功能键位区域，划出字母键、数字键以及方向指示键等键位区域，如此能够帮助操作人员更好地找到所需键位，同时有利于操作人员养成良好的击键习惯。

数控机床显示输入面板上分布着大量的旋钮，有的旋钮可以旋转一周以上，有的旋钮只能旋转一周以内，而有的旋钮则无法旋转，这类旋钮发挥着定向指示的作用。为了便于操作人员迅速区分不同功能的旋钮，可以在旋钮设计中应用色彩编码技术。依据相关技术规范可知，红色可以用来表示停止机床运转，而绿色则表示接通或者启动数控机床。

为了提升操作的准确性与便捷性，数控机床面板上分布了一些符号与文字以标示键位的功能，如果操作环境中照明条件不佳，则操作人员将较难在短时间内准确获取标示文字以及符号的信息，因此，建议设计者在面板键盘设计上采用背光技术，如此能够显著地改善面板操作环境，增强击键的准确性与便捷性。

（三）机床开合门设计

在数控机床中，开合门是一道非常重要的设施，其能够较为有效地保护操作人员的生命财产安全，与此同时还能发挥隔声的效果。机床操作人员需要实时监控工作台，为了支持这一工作，设计者应当合理设计开合门上的视窗，视窗不宜过大也不能太小。现阶段，数控机床开合门主要采用左右拖拉设计，应当确保拖拉开合门的力的大小处于合理水平。通常情况下，加工中心中的加工任务繁多、而且数控机床的体积也较大，而对于大型数控机床而言，最好增大把手的长度与开合门的尺寸。

（四）生产环境设计

现代化的数控机床操作业务对生产环境要求极高，因此要确保生产环境具备干净整洁的特征。为了增强工作人员操作机床面板的舒适性，认为需要确保数控机床的造型与生产环境相和谐，着重突出数控机床造型的人性化特点。行为心理学相关理论指出，颜色可以影响人的行为与心理，在中国传统文化中，红色象征着喜悦、丰收，蓝色代表着沉稳、宁静，鉴于数控机床实际操作状况，认为采用红色作为机床装饰色的方案不太实际，综合考虑后，认为可以将蓝色与绿色作为数控机床的主色调。

使用蓝色与绿色来装饰数控机床益处颇多。蓝色能够在一定程度放松人的心情，使得操作人员在轻松愉悦的环境中开展相关工作，而绿色不仅给人以清新的感受，还能有效地减缓操作人员的视觉疲劳，防止操作人员患上近视眼，有效地保护了操作人员的视力。德国是数控机床生产技术最发达的国家，而韩国DMG公司生产的一款数控机床便采用了蓝绿色开合门设计，据一些机床操作人员反映，操作蓝绿色的机床设备能够放松自身的心情，从而提升了工作效率以及质量。

（五）安全防护设计

安全防护设计工作意义重大，在过去几年中，媒体报道了许多惨烈的机床安全事故，主要原因之一是数控机床安全设计不到位，因此必须要确保数控机床的造型设计满足相关安全标准，能够给予操作人员一个安全舒适的操作环境。为了提升操作人员的心理安全感，数控机床的造型必须完全符合人机工程学的相关要求，要拥有饱满的整体造型。应当高度重视数控机床的着色处理工作，主要采用蓝色与绿色，如此能够促使操作人员获得足够的心理安全感。除此之外，要着力于完善人机工程设计，做好造型尺寸设计工作。调查数据显示，很大一部分机床安全事故的诱因是操作人员无意间接触了机床的按钮开关，所以为了保障操作人员的安全，必须要规范数控机床的尺寸设计，并将关键按钮置于不易被无意碰触到的位置上。

设计人员应当做好数控机床显示以及控制装置设计工作，各项设计需要充分结合操作人员的心理以及生理特点，最大程度地避免不合理设计的出现。由于操作人员需要长时间地查看显示面板上的数据，长此以往可能会影响操作人员的视力，因此可以采用智能化面板设计，设置视力保护提醒时间。

四、如何提升数控机床造型设计工作的质量

（一）提升机床设计者的综合素质

无论是何种工作，在其中发挥最关键作用的因素的“人才”，数控机床造型设计工作也不例外。通过调查走访，发现部分机床设计者的综合素质不高，主要表现在专业知识储备量不足与对人机工程学知识理解不透彻上。因此，企业要对症下药，采取针对性措施以提升机床设计者的综合素质。建议企业通过举办行业专家讲座以及组织专业技能培训活动等形式来切实地扩充机床设计者的专业知识储备与强化其实践设计能力，从而使其更加适应新时期数控机床造型设计工作的各类要求。

除此之外，企业应当定期派遣业绩突出、学习能力强的设计者前往德国、日本等数控机床设计、制造技术成熟发达的国家学习交流，以便回国后提升设计团队的整体综合素质。企业可以制定合理的薪资分层制度，将机床设计人员的工作业绩、工作态度以及周围同事对其的评价等因素纳入薪资考核体系当中，通过物质方面的激励以激发设计人员的工作积极性。

（二）加快数控机床设计制造标准建设

客观上讲，我国数控机床设计与制造技术与德日等国家仍有较大的差距，除了人才保障体系方面有一定差落外，机床设计制造行业缺乏健全的技术指导体系也是造成中国数控机床整体性能落后进口德日机床的主要原因之一。鉴于上述情况，认为政府应当尽快组织专家小组，研讨建立合理可行的数控机床设计与制造标准体系，从而为广大机床设计、制造企业提供权威可靠的参考。此外，政府应当加大对中小型机床生产企业的财政补贴力度，降低这些企业的银行贷款门槛，如此方能最大程度地促进数控机床生产行业的总体进步。

五、结语

新的发展形势下开展机床造型设计革新工作极为必要，人体工程学在机床设计中能发挥巨大的作用，为此，广大设计人员应当积极学习人机工程学知识，善于借鉴优秀的机床设计经验，在实际工作中保持认真严谨的态度，如此方能促进我国工业的长足发展。

参考文献：

[1] 徐镇，张玉静.人机工程仿真技术在车门装焊工序中的应用[J].工程建设与设计，2016（01）.

[2] 黄M超，谷海悦，许晓云，解嘉慈. 22°倾斜式线切割机[J].机械设计，2015（12）.

[3] 丁静，杨雪丽.浅谈机床设备外防护结构的设计问题探讨[J].中国包装工业，2013（06）.

[4]张俊竹.展示程序设计[J].设计，2013，（06）：79-81.

[5]李彤，韩锋，李静洪，丁建红.基于DELMIA的导管虚拟装配仿真研究[J].机械制造，2014（05）.

[6] 张铁成.机床外防护设计中的人机工程仿真[J]. 制造业自动化，2014（17）.