基于人机工程学的数控机床设计探析
摘 要：随着科学技术的快速发展，也逐渐出现了较多新型技术领域，其中最具有代表性的就是人机工程学，该项设计技术充分体现出人性化设计原则。本文主要是探讨分析基于人机工程学的数控机床设计，首先阐述了人机工程学的基本概念，之后分析了人机工程学在数控机床设计的实际应用，主要包括造型设计，控制面板设计和防护门设计等方面，希望能够借此研究对相关设计人员起到参考性价值。
关键词：人机工程学；数控机床；设计应用
随着时代发展进步，也在较大程度上促进了工业化发展，在各行业领域也开始应用数控机床，使各企业的产品逐渐向一体化和标准化方向发展。数控机床的应用能够显著降低人力成本，增加了企业人员与数控机床的沟通交流。然而在实际应用机床期间如果出现不合理设计情况将会对机床生产精度造成极大影响，并且降低操作人员的舒适度。在当前的机床设计当中逐渐应用人机工程学，应用效果显著。能够全面结合生理学和人体构造学等各项学科，能够降低机床使用期间所出现的人为误差情况，显著提升机床的稳定性和精度。
1 人机工程学
现阶段，我国工业化发展速度持续攀升，也明显增加了数控机床的应用需求。人机工程学主要是联合心理学，生理学以及解剖学等方面知识，深入研究与分析人体与设备及环境之间的相互作用关系，能够给予企业人员高效，安全和健康的工作环境。数控机床在工业领域的广泛应用也增加了操作人员需求量。因此需要给予企业人员智能化的工作环境，可以使其与机器之间进行轻松和谐的交流互动。对人体与设备机器交流造成影响的因素主要包括造型，控制面板以及防护门等，因此需要给予以上方面分析和讨论人机工程学在数控机床设计当中的应用。
2 人机工程学在数控机床造型设计的应用
2.1 数控机床造型设计当中的人机工程学
（1）人体生理特征对数控机床造型设计的要求：操作人员在操作设备时主要采取站立姿势和手臂抬角等生理特征，以上行为均会对人体操作造成影响，因此在设计数控机床造型外观时需要统一人体生理参数。由于当前数控机床的智能化特征逐渐加强，这样将会降低操作人员的动手操作量，也相应提升了操作便利性和舒适度。在实际操作期间，操作人员主要关注数控机床前端，因此可以将其划分为控制监视区和加工区域。基于以上分析，人体生理特征对数控机床造型设计的要求主要表现在人体视野范围和身高方面。其中人体视野在达到-15°至+15°之间，竖直方向位于水平下10°范围，此时视觉反馈最佳。对于身高来说，操作人员在操作数控机床时需要与机床的距离控制在50cm，因此需要将数控机床总高度设计在170cm。（2）人体认知特征对数控机床造型设计要求：1）合理视觉引导：人体在感受操作对象时第一来源为视觉，因此合理视觉引导能够科学选择操作方法。因此在合计期间需要让机床外观给予人的认知和操作进行合理指导，并且全面体现出工业设计理念。2）动作和信号反馈：操作人员不管实施何种操作都需要数控机床给予反馈，这样将确保操作人员进行下步操作。所以在设计数控机床机床时间需要按照人体操作流程给予科学的反馈信息。
2.2 数控机床造型的人机工程设计
（1）比例设计：在进行比例设计时需要注重机床正面的组成内容，可以将机床总长度设计为230厘米，高度设计到170cm，将外框左侧面与观察窗中心面的距离控制在88厘米，并且主要观察区在长度方向的设计需要满足0.618标准。（2）形体设计和线条应用：在数控机床造型设计当中需要确保线条与形体的统一性。直线造型与曲线及圆角搭配使用，这样能够对显露的手柄和手轮起到隐蔽作用。应用封闭外罩设计冷却液和切削模块，确保数控机床造型设计的协调性。操作人员在实际操作数控机床时主要是对观察窗和面板实施操作，因此在设计期间需要注重以上两部分的优化设计。
3 数控机床的控制面板设计
3.1 数控机床控制面板的设计要求
（1）色视要求：人的眼睛对不同颜色具有不同事业范围，由大到小一次表现为白色、黄色、蓝色，红色和绿色，所以在设计控制面板时需要按照不同的颜色合理设计操作装置的位置，全面确保操作人员的视觉效果。（2）操作要求：人体在呈站立姿势，需要确保操作状态的舒适度，主体保持不动的基础上，在正前方手臂的活动范围。如下图所示。手臂最大能及的范围为大圆弧，前臂的正常活动范围为小圆弧，最佳活动范围为阴影区。
图1 人体呈站立姿势手臂的活动范围
（3）安放要求：通常情况下，数控机床控制面板的安放形式共有四种，需要全面考虑数控系统和总体布局情况确定安放形式，还需要全面分析视域在人体站立操作要求和设计应用当中的工效情况，对数控机床控制面板的高度，尺寸以及位置等进行合理设计。
3.2 控制面板当中人机工程学的实际应用
（1）硬界面设计：在设计显示器时需要考虑人体心理和生理特征，并且将硬界面设计在最佳视野范围内，能够第一时间将各项信息传递给操作人员，确保操作人员能够更加了解设备的运行情况；对于LED数码管显示器来说，其功能主要是提供有限符号和数字，当前只是在经济型数控机床当中应用于LED数码管显示器；对于CRT显示器来说，其能够显示出任何形式的信息，已经广泛应用在数控机床控制面板上。然而该种显示器也存在缺点，比如体积大等，并且由于物理结构较为特殊导致其无法全面发展到其他显示领域当中。（2）软界面设计：在设计数控机床控制面板当中的软界面时需要优化设计人机和数控系统，其中比较重要的是数控系统设计，然而人机设计能够全面展现出机床性能。在设计期间需要避免操作人员的脑力消耗，能够自主改变字体显示内容和形式，全面凸显出人性化菜单结构和软键盘设计等。在软键盘设计期间当中的“软”主要是区别传统的按键，随着不同的菜单能够改变软键所代表的含义，因此在设计期间需要全面按照人机工程学设计软键盘。
4 数控机床的防护门设计
4.1 观察窗的人机工程设计
在设计观察窗时需要全面按照操作人员的视觉高度和身体高度确定，由于不同的数控机床在精度和功能要求上也不同，因此在设计需要选择人体视觉高度的50%设计观察窗，全方位确保不同身高的操作人员能够有效操作数控机床。按照人体结构可以看出，人体水平视线处于水平线的15°为最佳效果，竖直方向的视线需要控制在25°左右。
4.2 把手的人机工程设计
数控机床当中把手主要包括调节式数量面板和机床门把手。因此在设计把手期间需要全面按照国家相关标准，手部握住把手的截面直径在15mm左右，并且需要应用直径为10mm的把手。由于传统式把手的形态轻微垂直形态，在推拉桥梁下人手施力会导致手腕侧偏。所以在设计把手时需要考虑人机工程学要求，使操作人员能够在各类操作条件下轻微倾斜把手，避免腕关节受力，顺直腕关节。在设计把手高度时需要按照我国成年人在站立姿势下的肘高确定。
5 结束语
综上所述，此次研究主要是围绕人机工程学理论对数控机床设计进行分析，从数控机床造型设计、控制面板设计以及防护门设计等方面进行阐述，全面提升了数控机床设计的智能化和人性化，希望能够在今后的设计当中充分考虑人机工程学要求，全面確保数控机床设计实效性。
参考文献
[1]林申龙，王禹林，李育锋，等.数控机床多能量源的动态能耗建模与仿真方法[J].机械工程学报，2015，51（11）：123-132.
[2]郭然，付国强，傅建中，等.基于切比雪夫多项式的数控机床几何误差参数化建模[J].农业机械学报，2015，46（05）：336-343.
[3]杨建国，姚晓栋，张余升，等.数控机床主轴热漂移误差基于贝叶斯推断的最小二乘支持向量机建模[J].机械工程学报，2013，49（15）：115-121.
上一篇：疲劳与合理使用身体