基于人机交互的数控机床外观设计研究

田欢

摘 要：本文旨在对国内数控机床外观设计美观性、功能分区合理性和操作人机性进行研究。在信息时代下，数控机床行业快速发展，与之不相匹配的外观、人机交互、产品情感化已经不能满足市场的需求。本文采用功能分析、用户观察、焦点小组访谈、产品概念评估、竞品分析等方法对市场上现有品牌的数控机床以及机床使用者进行调研，分析其外观造型特点、CMF、操作流程，并总结其中存在的问题，确定了改善工艺结构与用户操作的方向，协调产品内部结构原理与外观以达到降低产品维修、制造以及运输成本的目的，最大限度满足产品用户的需求，提高产品的市场竞争力与品牌影响力。

关键词：人机交互；数控机床；人机工程学；情感化

自20世纪90年代以来，计算机技术的高速发展带动了数控机床行业的更新迭代。数控机床的应用，加速了各行各业的发展，提高了企业的效率，从而提升了人民的生活水平。在信息时代下，虽然计算机、云端等技术在不断发展，但是它们与机床的结合度不高，机床发展存在问题，比如：机床造型色彩单调，搭配不当；整体笨重，体积较大，外部轮廓线条生硬；操作台面布局混乱，不便于操作；显示区域观察不便。一些机床产品因为轻视造型设计而失去与国外产品相同的市场竞争力，数控机床的外观质量低下，使其整体质量大打折扣。[1]除此之外，随着数控机床技术的发展，在满足功能需求的前提下，用户对机床外观质量要求显著提高。

一、数控机床外观分析

产品造型风格特征有显性和隐性之分。形态、色彩、材质、部件及其构成法则等是显性的，可以通过设计的方法加以表述；意象感知、情感体验、品牌内涵等则是隐性的，是人们对产品的综合感性认知。[2]

（一）数控机床造型特点

在各大机床品牌中，整体造型外观主要分为直面形、直面结合斜面形、直面结合圆角过渡形、直面结合曲面形。从形态风格方向分析，在机床品牌中，哈斯机床的风格特征最为明显，所有的机床产品都是以直线构成，造型精简明了，与其他品牌相比，形态风格更为统一。其他机床产品大多结合了斜面形、曲面形、圆角过渡形，属于多形态的机床风格。其中德玛吉机床与其他企业的机床产品相比，在形态特征上有很强的识别性，它既不像哈斯机床风格纯粹，又区别于其他企业产品，德玛吉大圆角及纯曲面的运用使其形态特征变得尤为独特。

（二）数控机床色彩应用

人们在观察产品的外观质量时，首先感受到的是色彩，约占8成；其次是造型，约占2成；最后是材质。[3]色彩是刺激用户视觉最为直观且能快速识别的因素。用户对产品外观的感受是最为直接明了的。调研发现，在数控机床的颜色选择上，特别是对主色调的应用上，九成左右的机床企业都会采用沉稳大气的黑色、灰色、白色等色调作为主色调，再辅以2至3种亮色系颜色作为点缀，在整体稳重、大方的氛围中跳脱出几分亮色，使整个机床色彩氛围更为灵动，从而让机床颜色的整体层次感更为丰富。在整体造型的颜色分布上基本选择上明下暗、上半部分轻快下半部分稳重、中部和两侧有节奏感的设计。在亮色的选择上也是根据企业的标志以及与企业文化背景有关的色彩进行搭配，在品牌的整体辨识度上达到统一，形成完整的色彩视觉语言，最后达到提升品牌辨识度的目的。

二、情感化的表现

（一）产品形态

产品的不同形态蕴含了不同的情感关键词，在不同的使用环境下，使用相适应的情感化形态语言，会提升用户对产品的好感度，同时利用产品特有的形态来表达产品的不同美学特征及价值取向，会提升产品的外在魅力，还可以最快传递视觉方面的各种信息。

（二）产品特质

真正的设计是能够直击心灵的，能够在用户的心中产生共鸣。产品设计是在产品、用户之间建立起情感纽带，通过人机之间的互动影响用户对产品的印象、使用感受和对产品品牌的认可程度等，既而在不断的信息交流中，用户逐渐形成了对品牌的认知，增强了对品牌的忠诚度，这在很大程度上扩大了品牌的影响力。

（三）操作

在用户使用的过程中，产品的不同操作方式会给用户带来不同程度的影响。例如旋盖式牙膏和按压式牙膏对不同的适用人群会有不同的影响。对早上需要早起的上班族来讲，按压式的牙膏盖较受用户喜爱，其产生的愉快情绪会伴随着一天的工作生活，从而间接提升了用户的工作效率。数控机床的设计应考虑到这一点。

三、人机工程学

人机工程学是研究人、机、环境之间的关系以及相互之间作用的学科，也是由不同的学科相互渗透、相互补充所形成的一门复合型学科。人机工程学通过对人生理、心理以及身体数据的研究，使机械系统或者人机环境系统能够在最大程度上符合人类的生理形态以及心理的特点，保证人们可以安全使用机械设备，同时让活动舒适并且高效地进行。[4]人机工程学在工业产品设计过程中有着举足轻重的作用，它分析研究人与产品、人与环境以及产品与环境之间的相互作用，找到两者之间的和谐统一性，从而便于设计师设计出操作简便、省力、安全的产品，致力于达到人—机—环境和谐统一的最佳状态。

在设计中要充分考虑人的因素，依据人体尺度参数，结合产品的参数，规划出合理的操作范围，以达到操作最优解，同时留有一定的容错空间，避免因为尺寸等可控因素造成不必要错误。

四、功能分析法

由瑞士天文学家F．茨维克提出的功能分析法，是以系统论的思维方式为基本原理，把产品所需要具备的主要功能拆解成各个子功能元素，然后单独对每个独立的要素做出相应的解决方案，再用图解法将这些解决方案进行排列组合，通过对各个组合的分析与评价进而从这些排列的组合方案中找到最合适的最优解，即为实现产品功能的最佳设计方案。[5]

分析目标产品的主要功能，提炼出主要的几个功能，划分成单元区，对应市面上已有产品的单元，剔除掉不可改变的单元位置，在其他可变的单元区中变化组合，形成新的排列组合。在新组合的产品方案中，通过对成本、效率、运输、制造等影响因素的分析，选择出最佳方案。这种初步方案——评估——再调整的方式，减少了不必要的损失，也避免了一些基本的错误。

五、数控机床中人机交互应用

（一）操控面板

人的手部主要分为手腕、手掌、手指，可以完成的指令有拍、握、按、捏、滑、点、扣、压、扭等动作。其中在操控面板上手指完成的按、点、扭等指令最多，所以可以以指尖为主要的研究对象，根据人体手指指尖的人机参量对操控面板的各按键尺寸大小、形状、材质以及之间的距离做相适应的设计调整。设计时要充分考虑手指操作到按键的距离以及在按压、旋转过程中所需要的压力大小，在不同情况下，能保证人体接收到机器的反馈信息，保证人—机之间的信息交流。按键在屏幕上的排布位置和距离要根据手指操作范围的阈值，保持合理的距离，防止不必要的误触。操作的按键根据功能划分好区域，按键颜色要选用户认知度高的颜色且符合常规工业用色，如红色的急停键、绿色的开关键等。按键设计要按照人的视觉特性规划排列，例如要区分好常用操作键和输入的字母键以及调整键的排布。操作面板的整体大小尺寸高度要符合常人的身体高度、视觉高度、抬手位置等。操作面板在整个机床中的摆放位置要参考人体的视觉高度和抬手高度，在眼睛以下手肘以上的位置为佳，同时在操控面板上的按键也要符合手肘的抬升位置，避免因为位置过高或者过低导致不适感。

（二）视窗以及维修口

机床视窗门的大小、位置、造型以及打开方式必须考虑到机床工作台的工作大小范围、运动方式、进料大小以及操作者对于工作视窗的需求度、配合产品线的整体视觉语言。如图1 VTC40D，内部操作台有x、y轴方向的运动，所以在视窗大小规划上要根据内部结构运动的范围调整，40D的视窗会比同系列的加工中心大。与此同时，40D加工中心存在大型材料的加工，进料方式也与其他产品不同，因为材料过大，需利用外部工具将材料吊起从顶部加入，所以在40D的顶部必须留有进料的操作窗口，以保证不同的材料方便投入。但是因为大型材料的加工频率远低于普通材料的加工频率，所以在顶部的开口不必和前面视窗做成一样，可以以低频率打开的方式设计。

对维修口的设计同是如此。以图2为例，左侧的刀库位置属于高频率检查更换位置，且需要及时观察到里面刀库的状态，所以在设计时，左侧的维修口设计成易打开的活动门形式，其他维修口则为不常用维修口，外壳直接分割，采用螺丝固定，保证外壳的整体性。左侧维修口对观察性有要求，需将维修门上的钣金材质换成可视化的透明玻璃材质，同前部视窗一样。

（三）把手

把手在整个可视区域中对人机的要求是更多的，人机交互对把手的长度、宽度、厚度、高度都有细微的要求。如图3，把手的人机尺寸直接影响到把手使用时的舒适度，从而影响到操作时的流畅度和工作效率。机床的操作者大多数为男性，所以在设计的时候以男性手掌大小为基准，在长宽尺寸上参考男性手掌大小。因为所设计的三款机床属于中小型磨床，操作视窗的门属于较轻的小型门窗，所以在把手的设计上直径较小。对双开门视窗的把手，因把手直径较小，在设计上取双“C”形设计对称处理。把手的边角方圆结合很好地解决了防滑的问题。把手位置在手肘活动的舒适范围之内，设计较长的把手，在位置上限制性因素较少，可根据视觉的美观性将门把手安置于协调的位置。

（四）面板支撑

面板支撑在整个外观造型中起着调节视觉美观性的作用，面板支撑的高度配合操控面板，操控面板走线隐藏于支撑里面，很好地与内部主要工作轴的走线位置区分开，防止线路杂糅在一起，提高线路检修的效率。面板支撑的造型与数控机床的整体外观的结合，打破了方正机床外观的单调性，在外观视觉语言上达到系列化、同一性的效果。在上轻下重的颜色中，面板支撑中和了颜色差异，使之在整体上达到和谐统一，体块的穿插在视觉上也丰富了外观细节。

图1

图2

图3

六、数控机床设计总结

（一）人机工程学的结合

在数控机床外观设计中，人机工程学的应用，对外观细节的合理性、操作的科学性、整体的和谐性有着锦上添花的作用。它的应用不仅为企业提高了效率，而且在操作的过程中以最舒适的操作方法、动作、角度为使用者的身体关节等提供了有效保护。

（二）情感化的应用

情感化操作方法在操控面板上的应用，不仅为用户在数控机床这种无聊、烦闷的机器操作过程中提供了巧妙的操作方式，而且还会让用户体验到愉悦感，间接提高使用者的积极性。另外，情感化的操作在用户使用过程中还作为监督者，减少了操作的失误。

（三）方案可用性的落实

三款机床的方案如图4、图5、图6，在通过前期设计者的研究讨论后，再由企业对方案评估、建议、再调整，提高了产品的落地性。对方案模型进行反复修改，不断优化产品的各部分细节，是产品设计者应该秉持的设计态度。

图5图6

七、结 语

数控机床的质量是衡量一个国家制造业发展的标准，同时数控机床的高效性、精准性、智能化直接影响国内生产的效率和质量。在国家政策的支持下，现阶段国内的数控机床不仅要在技术上提高水平，还要在设计的外观质量上紧跟时代的步伐。对机床操控面板的界面设计，不但要考虑人机因素、情感化、提升用户体验、提高效率等方面，而且应以人机工程学的数据理论为支撑，使数控机床更易操作，保证用户自身的安全与舒适体验。操控面板的人机交互设计，将按键与屏幕操作方式相结合，提高了用户的体验感，在色彩和协调度上潜移默化提升了用户对产品的好感度。一个好的产品是有细节的，数据理论的支撑使产品的设计更具有说服力，同时最重要的是设计产品时要以用户为中心，充分考虑用户的使用习惯，为用户打造安全、舒适又美观的产品。

（西安美术学院）

参考文献

[1] 王敏，于爱兵，赵宇，等．数控机床造型的再设计[J]．制造技术与机床，2005（6）：30-32.

[2] 林敬亭．基于CAID的机床产品族造型设计研究[J]．机械设计，2013，30（6）：97-100.

[3] 孙菁．基于意象的产品造型设计方法研究[D]．武汉：武汉理工大学，2007.

[4] 刘泽恒，罗锦宏．工业设计中的人机工程学理论、技术与应用研究进展[J]．艺术科技，2017，30（1）：316.

[5] 李洋，程志威．基于功能分析法的小型消防车设计[J]．制造业自动化，2018，40（2）：88-91.