人机工程学在数控机床耦合仿生设计中的应用研究

郝　芳

人机工程学在数控机床耦合仿生设计中的应用研究

郝芳

(新乡职业技术学院，河南 新乡 453000)

随着时代的发展和科技的进步，我国有关机械工程领域的技术研究取得了巨大成就。数控机床是机械工程领域必不可缺的关键设备，它的设计和应用深受社会各界的关注。目前，我国数控机床设计技术与国外发达国家相比还存在差距，特别在动静态性能和用户个性化需求等的方面发展较为滞后，一定程度上影响了我国工业的综合竞争力。以耦合仿生学技术为基础，将人机工程学应用于数控机床的设计制造过程中，有利于提高数控机床整体的性能，推动我国工业向智能化和自动化转型。

数控技术；数控机床；人机工程；耦合仿生；协同优化

1　研究现状

1.1　人机工程设计技术的研究现状

人机工程学是一门以技术与人之间的协调关系为研究对象的学科，强调遵从以人为本的原则，从外形、结构、功能等方面着手围绕人的感知和体验来进行产品的设计。近年来，我国有关于人机工程设计技术的研究成果显著，学者们通过建立三维模型导入软件后进行仿真，构建了相对成熟的人机工程学设计模式。在数控机床领域中，通过结合计算机技术，建立虚拟的人机交互关系，针对使用者的个性化需求和特征进行了物理层面的人性化设计，使数控机床产品操作的便捷性、简洁性、舒适度大幅度提升，有效提高其生产效率和市场竞争力，充分证明了人机工程设计技术在数控机床设计中起到的重要作用。

1.2　机床优化设计方法的研究现状

优化设计是以数学规划为理论基础，选择数值计算软件进行求解，最终获得设计目标的最优解。目前优化设计已广泛应于数控机床产品的设计之中，在优化机床的结构和关键参数，提升机床的动态和静态性能方面发挥了重要的作用。意大利和加大拿的学者，采用模糊数学方法对机床主轴部件进行了优化，还通过仿真分析建立了一种可以对机床给进系统进行优化的模型，使机床优化设计的过程更为合理和高效。目前，我国有关机床优化设计方法的研究侧重于通过找寻局部优化方式以实现机床整体的优化。例如结合机床动态特点和灵敏度进行数据采集分析，采用有限元法对机床的结构进行优化；采用多目标遗传算法对加工中心进行优化，实现机床的轻量化设计；采用CAD技术完成机床给进系统的建模，以立柱固有频率为优化目标，提升机床的抗震性。

1.3　机械仿生设计技术的研究现状

机械仿生设计是以力学和机械学为基础，对生物机制及生物功能进行工程分析和仿生设计，以设计和制造出结构优化、性能优越的智能型机械设备，是一门涉及工程学、生物学、信息学等学科的综合性技术。目前，最前沿的现代机械仿生设计技术的相关研究主要集中在智能化机器人领域，在数控机床的设计制造中应用程度不高，多项技术还处于研究、试验阶段[1]。现阶段，机械仿生设计技术在机床设计中的应用以提升数控机床的操作性能为目标，主要涉及构建人机交互化的友好操作环境，建立可视化的操作系统，模拟图形加工的虚拟环境，打造智能化的工作监控系统等领域，让数控机床具备高效能、可视化、人性化、几何仿真等特点，以达到提升生产效率，降低生产成本的目的。

2　存在的问题

通过分析国内外人机工程学在数控机床耦合仿生技术中的应用现状可知，虽然已积累一定的研究成果，但大部分还处于理论研究阶段。目前，机床设计领域依然沿用传统设计理念，严重阻碍了人机工程学技术与耦合仿生技术的融合发展，主要体现在以下方面。首先，人机工程学在数控机床耦合仿生设计中采用的是“人、机、环境”三者之间交互作用的机制，而采用传统设计方法难以贯彻该机制所传达的设计理念，仅仅着重于局部功能的改造，忽略了三者之间的交互关系，因此设计制造的机床产品难以真正满足用户的需求。其次，解决数控机床结构的多元耦合仿生机理和实现数控机床综合性能的协同化建模，是该技术研究领域需要重点关注的问题，但传统设计的方法容易忽略两者之间协同的重要性，导致设计方案难以达到理想状态。最后，在传统方法和观念的束缚下数控机床的多元耦合仿生设计的程度不高，目前的应用仅局限于系统的可视化操作和机床的自动化检测等，没有充分发挥仿生技术可以提升机床力学性能，使其向轻量化、智能化升级的优势[2]。

3　应用原理

3.1　人机工程学在数控机床设计中的应用原理

数控机床是机械工程领域常用的加工设备，应用人机工程学进行数控机床设计的目的就是使其操控更为方便、快捷、高效，为用户提供更加舒适、安全的操作体验，让操作人员在生理和心理上始终能保持良好的工作状态。设计人员要从机床整体的结构、造型、布局、界面、操作等方面入手，始终遵循“人性化”的设计原则，针对数控机床结构合理性、操作安全性、使用舒适性等方面进行优化和升级。

3.2　耦合仿生技术在数控机床结构设计中的应用原理

耦合仿生设计技术是仿生学的重要发展方向之一，其应用原理就是结合生物的物理、几何、力学特性，让设计出的产品实现从形似到神似的跨越，使仿生设计从一元向多元化发展。目前，耦合仿生设计技术的应用侧重于优化数控机床结构，针对传统数控机床重要结构件体积大、质量重的缺点，通过参考生物结构轻巧的特性，应用生物结构的构型与力学原理，完成数控机床结构的轻量化设计，不但让数控机床在结构上更加接近于仿生原型，还使其动静态综合性能得到本质提升[3]。

3.3　数控机床多性能耦合的协同优化设计原理

协同优化设计的原理就是更好地实现数控机床仿生设计的多性能耦合，人机工程学和耦合仿生设计技术在数控机床设计中应用的最终目的都是为了充分发挥人机工程学和耦合仿生设计技术的优势，以解决数控机床设计研究领域的难题，使数控机床的整个设计体系趋于系统化、项目化、规范化。人机工程学优势在于遵从“以人为本”设计原则，从操控性、便捷性入手提升数控机床的静态和动态性能，耦合仿生设计技术的优势在于建立数控机床的仿生性新结构，以体现其节能性、轻量化、环保性，协同优化的原则就是积极协调好两者之间的关系，使产品能够完整体现出技术应用的优势和设计初衷。

4　应用方法

4.1　人机工程学在数控机床设计中的应用方法

传统的数控机床设计改造以提升设备的加工性能为目的，往往忽视了其动态性能和综合操作性能，而人机工程学的应用恰好解决了这些不足。首先，设计人员深入企业加工车间开展调研，可掌握一线操作人员对现有的机床结构、性能和操作的真实感受，并结合企业实际的生产需求，制定初步的设计方案，从设计上充分考虑数控机床的“人性化”需求。其次，设计人员在设计时要坚持人机工程学“人、机、环境”三者之间交互作用的原则，在实施技术改进的过程中充分考虑到数控机床使用的便捷性、舒适性要求，保证设计理念能落到实处。此外，在建模和模拟试验阶段，尤其注意人机工程学的应用要以数学原理、机械原理、力学原理为基础，实现设计方案与数控机床改造目标相匹配[4]。

4.2　耦合仿生设计技术在数控机床结构设计中的应用方法

首先，设计人员要结合生产需求，做好仿生对象的选择工作，深入研究仿生对象在内部结构、物理性能、力学性能等方面的参照性，结合数控机床设计结构优化设计需求，做好关键数据的采集、重要参数的计算。其次，由于仿生结构设计中所参照的生物体结构存在着精密性、复杂性等特点，在设计时候要充分考虑对其进行机械、力学、物理改造的可行性，做好计算公式的选择，仿生结构虚拟模型的建模，改造方案的可行性分析。最后，运用CAD/CAE等软件对仿生结构虚拟模型进行动静态仿真分析，如若出现不匹配现象应及时进行修正。

4.3　数控机床多性能耦合的协同优化设计应用

首先，设计人员要通过模拟试验和仿真分析采集数控机床运行的原始数据，根据数控机床的生产参数和性能需求，建立目标优化设计模型。其次，以原始数据为基础，利用响应面法、人工神经网络等数学方法建立起一套系统化的优化模型，随后对其进行求解[5]。最后，通过应用遗传算法、粒子算法等多种算法，从多种解集中择优选择最佳解，以提高设计研究效率，降低设计成本。

4　结语

数控机床是机械工程领域必不可缺的关键设备，目前我国数控机床设计技术与国外发达国家相比还存在差距，特别在动静态性能和用户个性化需求等方面发展较为滞后，一定程度上影响了我国工业的综合竞争力。通过总结国内外人机工程学在数控机床耦合仿生技术中的应用现状，深入分析了其应用原则和应用方法，以进一步推动数控机床耦合仿生设计技术的发展，让数控机床具备高效能、可视化、人性化、几何仿真等特点，达到提升企业生产效率，降低生产成本的目的。

[1] 于泽洋.数控机床操作动作分析及工效学评价研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019.

[2] 蔡晓宇.人机工程学原理在数控机床操纵机构中的应用与研究[J].南方农机,2018,49(8):55.

[3] 刘桂芝,杨文亮,牟娟.人机工程学原理在数控机床操纵机构中的应用与研究[J].机械制造与自动化,2017,46(3): 28-30.

[4] 明富升.人机工程学在机床设计中的应用[J].中国高新区,2017(10):117.

[5] 徐学彬,苗雨楠.人机工程学在数控机床人性化设计中的应用探究[J].时代农机,2016,43(11):18-19.

Application of ergonomics in coupled bionic design of CNC machine tools

HAO Fang

(Xinxiang Vocational and Technical College, Xinxiang, Henan 453000, China)

With the development of science and technology, the technical research of mechanical engineering in China has made great achievements. CNC machine tool is a key equipment in mechanical engineering, and its design and application have attracted great attention. At present, there are gaps in the design technology of CNC machine tools between China and developed countries, especially in the aspects of dynamic and static performance and personalized needs of users, which affect the comprehensive competitiveness of China's industry to some extent. Based on coupled bionics technology, ergonomics is applied to the design and manufacturing process of CNC machine tools, which is beneficial to improving the overall performance of CNC machine tools and promoting the transformation of intelligence and automation in China's industry.

CNC technology; numerical control machine; ergonomics; coupled bionics; collaborative optimization

TG659

A

2096–8736(2022)06–0027–03

郝芳(1986—)，女，大学本科，讲师，主要研究方向为机械工程。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：吴志立