基于人机工程学的数控机床设计与分析

孙建

【摘 要】 近年来，随着我国经济的飞速发展，机械制造技术得到广泛发展，而数控机床作为制造业发展的核心装备，使得机床的设计显得至关重要。本文主要根据数控机床设计、制造以及使用等，介绍了机床造型的整体化，人机工程在机床门、观察窗、把手的应用以及在数控机床外罩色彩设计中的应用等方面观点。

【关键词】 人机工程；数控机床；设计；分析

引言：

人机工程学是关于数控机床设计的一门学问，数控机床是目前机床市场上先进的产品，也是一种重要的制造设备。随着科技的进步，数控机床的自动化程度越来越高。有关数控机床的设计者们仍在不断地对其设计进行改进，力求使设计出的数控机床产品更加科学。为此，在设计中应用了人机工程学的知识，以提高机床工作能力，使其能够更快更好地制造产品，并使工人操作省力，减轻对操作者身体健康地影响。通过应用人机工程学知识设计出来的机床产品更加适合操作者对其进行操作，使操作者在使用过程中身心感到十分地舒适。

一、数控机床人性化设计概述

数控机床人性化设计是指在数控机床设计过程当中，根据操作者的身体生理结构、行为习惯、心理情况、思维方式等，在数控机床设计基本功能和性能的基础上，对数控机床进行优化，使操作者使用起来方便、舒适。其设计处处体现人文关怀，是对人性的尊重，其核心是围绕着“人的因素”考虑，而人机工程学研究核心也是“人的因素”，故此，数控机床人性化设计应以人机工程学作为指导原则，研究操作者的行为、能力、本能极限与其他特性，设计出良好人机互动关系的数控机床，充分体现出数控机床对操作者的关注。

二、数控机床人性化设计内容

人机工程学内容实质包含人的心理需要和生理需要，根据产品的种类不同，两种需要侧重点是不一样的。对于普通日常生活中的产品像手机、家具、电视、水杯等，其设计以心理需求为主兼顾生理需求，产品更多的需要符合当代美学及潮流设计；对于像数控机床此类专业性产品，由于其功能性非常强，在设计上则应以生理需求为主兼顾心理需求。数控机床的人性化应以造型、色彩、装饰、材料等设计形式要素的变化来实现。

其一，造型要素是要以一定的造型把产品得以明确化、具体化与实体化，它是一种重要象征符号；

其二，色彩要素是依附于造型而存在，色彩通过与具体形相结合，便会产生极强的感情色彩和表现特征，具有强大的精神影响；

其三，材料要素应以当今绿色环保设计大背景的前下，选择可以再循环利用和便于加工处理的材料，合理利用有限资源。

三、人机工程学在数控车床外观造型上的设计要点

数控车床外观造型其实质就是车床防护的设计，而数控车床防护又分为若干个设计单元部件组成，而每个单元部件又由具体的小部件组成。每个设计单元可视为整体组合中的一部分。在数控车床造型设计中，把车床整体造型按照车床防护布局要求划分为多个造型单元，针对各个造型单元分别寻找其可变的部分。可变部分的变化将导致各个单元造型的变化，将不同造型特征的车床外观单元进行排列组合，以得到多样化的车床整体造型风格。最后，通过对所有可能的方案进行评价，在此期间必须考虑车床防护单元部件与整体造型之间和防护单元部件与单元部件之间造型特征的协调，并且考虑其结构因素，才能得到符合数控机床功能与结构要求的造型。

（一）数控车床单元部件的人机工程学设计

数控车床的造型设计要重点考虑满足人机工程学方面的要求，造型要以方便用户使用为前提。单元部件的人性化设计是数控车床外观造型设计的重点，单元部件人机性能的好坏将直接影响人们对车床整体性能的评价。数控车床单元部件的人机工程设计是决定数控车床外观造型设计好坏的关键，以左固定罩、右固定罩、拉门、观察窗、拉手等主要单元部件造型计中需要满足的相关要求。

1、左固定罩

左固定罩虽然不是操作人员经常接触的机床部件，但是，它与右固定罩是影响整体造型风格的重要因素，它们是数控车床外观的主体。数控车床左固定罩通常防护的是床头箱、主电机等机床部件，此处维护、维修频率较高，为此，左固定罩侧面通常会开设维修门，有的左固定罩前端也开设向上开的门，此类门的满足度指标是选择我国成年男子第50百分位身高作为设计依据

2、右固定罩

右固定罩通常是防護的加工区域，该区域对防水要求高。右固定罩前端通常承载着CRT箱，CRT箱的位置应充分以人机工程学作为基础，查找我国成年男子第50百分位数的眼高为1568mm，再根据公式求出开口宽度最小功能尺寸为365mm

3、人机工程在机床门的应用

在机床设计中要注意机床门的结构和大小，若设计的过大或过小将会对机床的正常运转产生妨碍，且不利于机床整体外观的美观。设计人员在确定其造型时要考虑好与机床外罩的协调一致，并采取适合地门宽，这都会直接影响到机床使用性能。由此可见，门的长宽尺寸对于机床门的造型设计来说是一个无法忽视的要素，且机床工作台尺寸限制着机床门的宽度尺寸，同时机床门的造型也需要作较大的变化。对于工作台较小的机床一般采用单开门的结构，而对于工作台较宽的机床则多选用双开门。

4、人机工程在观察窗的应用

操作者对机床工作情况的了解与观察工件制造都需通过观察窗来进行。经由观察窗将所需的数据及时显现在操作者面前。观察窗若设计不当，将会使操作者在观察时感到很吃力。所以要认真对其进行设计，并在设计时把人的视高作为设计的考虑要素。由于不同机床功能的差异造成不同类型观察窗尺寸大小的差异，因此在设计观察窗时，为了更好的适应操作者的不同身高，我们选择的高度应该为人体视高的50%来设计，这样的设计可以为观察窗的设计提供最佳视野范围的设计提供参考。人体的最佳视野分为直接视野和眼动视野两部分，左右各25度的水平方向视野作为良好视区，水平线上下十五度的垂直方向视区作为最佳视线，这样的角度设计完全能够满足人机需求。这样能尽量使手腕保持自然状态，手与小臂处于一条直线上，避免因手腕弯曲而引起肌肉静态施力

5、机床把手的人机工程学设计

把手是操作人员在操作中接触时间较长的部位，其设计的好坏对操作者的身体感受有着很大地影响。在设计把手时，关键的一点是要确定好把手的直径，使之与人手的大小相对应，这样操作者会感到舒适，且操作方便。按照国家标准的操纵器一般人类工效学要求，手握截面直径尺寸为10mm～20mm，并且优先选用直径为12mm到18mm范围内的把手。同时，设计者也要注重把手长度的设计。出于造型的需求以及适应不同身高的人群把握，大多数数控机床多采用长把手设计，只有少数机床采用短把手设计。手的活动范围和肘的高度共同确定了最佳把手控制。对于长把手来说，只要把手抓握位置能包括最佳控制区，且安放位置美观即可；而对于短把手则要尽量安装在最佳控制区内，而且位置多设计在门中间偏下的位置。

6、色彩

此款方案色彩设计上，力求单纯大方，凸显机床的整体效果，采用由浅灰、橙黄两色搭配。主体色之所以采用浅灰，一方面，是为了消除车间操作员长时间处于高纯度色彩环境中产生视觉疲劳；另一方面，方便机床较好地融入客户车间整体环境。拉门采用明度與纯度都很高的橙黄，其一，是为了很好的划分功能区域，凸显机床的视觉中心；其二，橙黄所占面积相对较小，这样既避免操作员视觉疲劳，也改变以往冷冰冰的机械设备形象，增添此类小型车床的亲和力；其三，出于安全方面考虑，给予非操作人员醒目的警示，机床工作时，禁止移动拉门。同时，机床防护的小扣手，均采用拉门的橙黄色，既呼应了拉门的色彩，又点缀了整体机床设计风格，给操作者一个非常舒适的视觉感受。

四、结语

在设计数控机床时运用人机工程学知识，可使设计的各部分的色彩、造型、比例更加科学合理，适于人员进行操作。为使设计的机床产品能与环境相协调，须注意数控面板、把手、观察窗、安全防护措施以及色彩等方面。通过分析人体尺寸、环境、心理等因素，务必使人-机-环境相互匹配，以求更好地发挥出环境对操作的积极作用，且益于操作者的健康。

参考文献：

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