基于人体工程学的数控系统控制面板设计

王志明，高亚非，侯红平，张锦飞，罗 晶

（武汉华中数控股份有限公司，湖北 武汉 430223）

0 引 言

长期以来，机床的控制和操作员的活动一直是人体工程学研究的重点。这些研究获得了大量有关人员绩效模型、认知模型、故障诊断以及人员可靠性等方面的成果[1-3]。在控制机床时，系统的控制效率很大程度上取决于操作员预测或注意到被控制过程中正常行为的偏差，从而做出决策并采取纠正措施，以重新建立和维持正常运行所必需的时间间隔和条件。

人为因素在控制设计中的集成非常重要，因为它可以显著提高操作的效率和安全性。因此，必须正确部署多种并行刺激（如视觉与触觉、数字与类比），以保持操作员正确的姿态感知和安全水平。除了智力和身体能力外，操作员需要良好的视觉能力，而人体工程学方法和工具可用于人的认知和身体互动的分析和优化。研究结果涉及以下内容：使用人体测量方法和技术，详细分析操作员的活动和工作位置；分析操作员手臂运动的运动学方法，以分析操作员对信息信号的运动误差形式进行适当的任务分析；对控制面板、显示面板进行人体工程学分析等。这项研究的目的是强调控制室元件的人体工程学设计不当的后果，表明控制面板和显示面板的人体工程学特征必须根据操作员的人体测量学和运动学参数进行调整，并与操作员进行链接。

1 人体工程学分析方法

研究方法包括对人体、控制面板以及环境系统的研究。其中，人体包括对操作员的人体测量学和运动学研究，控制面板包括对控制面板的人体工程学设计、控制面板的按键和显示面板等，环境则主要为工作环境的亮度。

1.1 人体测量学与运动学研究

人体测量学用于确定操作员身体及其某些部分的尺寸以及这些尺寸之间的相关性。人体运动学是研究人体活动科学的领域，是通过位置、速度以及加速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随时间变化的规律，或在运动过程中所经过的轨迹，同时考虑人体和器械运动状态改变的原因。正确和专业地使用人体测量数据可以减少使用设备时的困难，减少不舒适的位置和不必要的移动。

1.2 控制面板的人体工程学分析方法

控制面板是一种操作和控制组件，包括机器面板、功能标记、外观装饰、触摸按键、开关按键、开关电路、输出线、显示窗口和指示灯等。一些面板还具有信息反馈功能，是人与机器之间信息交流的媒介。面板的使用会导致电子和通信设计面板的变化，实际上会参与整个设备的功能操作。控制面板上的信号和控制设备的人体工程学设计的主要参数和原理如下：布局（优先级、逻辑单元的形成以及设备之间的关系）；分组（功能、使用顺序和重要性）；对控制系统的影响（识别的准确性和速度，读取错误和可用性）；符号的形成（含义、简单的图形、区别、良好的可见性和统一性）。

控制面板表面必须允许光的漫反射，从而避免发生错误；面板颜色应主要为浅灰色、蓝色、蓝灰色、黄色或黑色和灰色调。由于大多数控制面板都使用了类似的控制面板，因此将展示如何将元素布置的原理应用于分析后的控制面板。

1.2.1 基于人体工程学的面板功能布局的设计

（1）布局原则。根据美学原理，为确保能够充分展示产品功能，面板旨在具有合理的布局、紧凑性和较低的制造成本。基于面板布局的需求分析，本文考虑经济效益和社会效益，试图缩短研究周期，使面板布局简单、清晰、易于操作，使操作简单、舒适，使人和机器高效工作。面板的材料、颜色应与产品的样式、材料和颜色一致。面板布局应与人类的认知、情感和心理特征相一致。设计的合理性应符合主体的敏感性。

（2）总体布局。整体面板布局包括键盘布局和显示器布局，如图1所示。键盘布局取决于设备控制面板的性能。通常根据不同按钮的功能，有几个操作区域。对于需要引起注意的开关，如“停止”“回退”等，应使用适当的位置或醒目的颜色。如果需要使用分立的组件，也可以在此处混合使用，但应注意整体进行正确的布置。重要的显示设备是要放在合理的位置，并且位于最佳视觉区域；操作和显示设备需合理匹配；面板形状设计对称组成，清晰有时代感。面板上的字符和图形需易于理解，符合操作员的思维方式；面板的颜色对比必须清晰和谐。此外，控制器、显示屏、连接器、电源开关、键盘的布置以及面板上的布置应符合人机关系。

图1 控制面板的总体布局

1.2.2 基于人体工程学的面板组成部分设计

控制面板由主键盘、旋转开关、NC键盘和位检查器等组成。主键盘的推荐值为按键的长度，包括边框24 mm、边框之间的按键长度20 mm、边框长度2 mm和允许的初始按压力。旋转开关的直径推荐值为30～60 mm，初始力矩为0.7 N·m。NC键盘的推荐值：按键之间的垂直间距21 mm，按键之间的水平间距18 mm，按键高度5 mm，按键直径12 mm。

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1.3 显示面板的人体工程学分析方法

显示面板以示意图的形式再现受控机床的运作模式，如图2所示。通过光学指示器显示受控系统的当前状态和功能。显示面板的主要功能是清楚显示受控对象的结构，使用大量信息，使操作员可以在系统控制过程中执行任务；维护控制系统中所有元件之间的功能连接；在非标准系统状态下发送信号；快速检测故障；保障显示面板上显示的信息与控制面板上的响应之间的一致性。

图2 显示面板部分

2 数控系统面板的分析

操作员的操作过程主要有输入加工程序、接收命令、判断程序以及加工等，包括人机交互。数控系统的控制面板除了基本的控制键和数字键，还有车铣等动作的控制键。本次以机床的控制面板的设计为例进行分析，对公司员工的实际操作进行数据统计，并记录其操作的实际感受。

2.1 控制面板的人体工程学分析

控制面板的尺寸如下：平台高度1 080 mm，平台水平部分的距离为750 mm，平台深度为470 mm，平台到视点的距离为1 200 mm。操作员的手臂运动和头部运动的观察结果如图3所示。在一天中的5个30 min间隔内，对一小部分操作员进行为期5天的活动和工作位置的详细分析。图3中显示的这项研究结果是最频繁的工作，而左臂在15°～90°运动（在90°以上的区域中也是频繁的）。右手仅在±30°的范围内运动，而在+30°的范围内更多；头部的移动更多的是向左侧转动，而不是向右转动，而向下转动则要高于向上转动。眼睛的移动更多地指向右侧，然后指向左侧，躯干的移动越来越指向左侧而不是右侧。

图3 操作员左右臂、头部、身体运动

2.2 控制面板的按键分析

面板的按键是一组点触式开关，功能是将人类的操作以指令的形式传输到机器的后部电路。按键开关的厚度间隙会将上下电路的接触点分开。当功能按键受外力作用时，与两个按键开关相对应的两个接触点立即关闭。该信号通过与机器组合的连接器将信号传输到后部电路，从而使机器按照既定的说明工作。外力消除后，借助弹性基板，触点会分离并迅速复位。目前，选用的轻触按键有两种类型——规格为12 mm×12 mm的插件按键和12 mm×12 mm的贴片按键[4]。但是，在实际的数控系统面板按键中，会出现不同程度按键操作力大小不均、行程不等、手感不同甚至卡滞及按压不到位等各种问题，直接影响操作员对数控系统面板的体验。在使用按键时，按键面板与塑料面板的高度直接影响按键的按动手感，因此对按键的手感进行了详细的实验研究分析。轻触按键的参数如表1所示。

表1 轻触按键性能参数表

2.2.1 轻触按键的手感实验

以打样铁板、铜螺柱和垫片模拟塑料面板BOSS柱的总高度，通过更换铜螺柱和垫片调节总高度，获得不同按键可接受的公差范围。将操作员分为10组，每组6人，分别对两种类型的按键进行按动手感实验。操作员对安装有不同尺寸铜螺柱的按键进行按压。其中，12 mm×12 mm的贴片按键的测量值如下：按键的总体高度为7.3 mm，推入深度为0.3 mm，初始压力为2.55 N。12 mm×12 mm的插件按键的测量值如下：按键的总体高度为7.3 mm，推入深度为0.25 mm，初始压力为1.27 N。

2.2.2 轻触按键的实验结果与分析

实验结果如表2和表3所示。

表2 250 g贴片按键

表3 150 g插件按键

使用250 g力贴片按键：按键有手感的可接受范围为过盈0.2到间隙0.5，即公差范围为0.7 mm，折合到面板尺寸为6.5～7.2 mm。

使用150 g力插件按键：按键有手感的可接受范围为过盈0.1到间隙0.3，即公差范围为0.4 mm，折合到面板尺寸为6.6～6.9 mm。

2.3 显示面板的人体工程学分析

分析最多的问题与显示面板上的视觉信息编码有关，特别着重于符号颜色、尺寸和背景颜色，以提高可见性以及屏幕位置、尺寸、亮度、对比度、反射和刷新率，提高可读性。这与现场使用的标准化人体工程学指标基本兼容。用于显示的部分高度为S=3.8 cm，为蓝色。操作者的眼睛与显示部分之间的距离L=407.5 cm。

此部分的角度尺寸为：

显示面板包含大量不同尺寸的命令指示器。分析表明，显示板上最小部位的高度S=0.85 cm，角度尺寸为：

2.4 实验结果讨论

分析操作员的手的运动规律有利于分析控制面板的各区域的使用程度。根据观测，0°～30°区域经常使用。在该区域，操作员的右手更多时候在右侧30°，经常使用30°～60°的区域。但是，分析表明，在使用此区域时操作员身体没有移动，因此此区域没有完全使用。60°～90°的区域为不经常使用的区域，但是经常将旋转开关放置在这些区域中，建议很少使用超过90°的区域。但是，分析表明，这个区域也会用到左手操作。根据控制面板的按键手感实验可以得出结论：除了按键的初始力之外，均在建议值范围内。根据对视角的测量结果进行分析，显示面板的角度尺寸计算值在建议值范围内。

3 结 论

研究表明，当设计数控系统的面板时，选择人体工程学解决方案时没有明确定义的标准。因此，现有解决方案在机床的操作员与信息控制设备之间的兼容性方面存在某些缺陷。为了选择最适合实现既定目标的替代方案，着手研究其影响的相关因素，使用人体测量学、运动学、信息学、人体工程学以及其他分析和实验方法进行分析，对现有条件的人体工程学评估研究了操作员的位置和动作顺序、控制面板的位置和尺寸、显示面板的尺寸和颜色以及信息容量等确定因素，结果证实了研究目标和方法。这些分析结果并不代表最终的解决方案，需要不断升级。因此，建议进行更多的研究，以期为控制面板、按键和显示面板的新的结构和改进的结构定义以及通用的新的解决方案提供参考。