基于人機工程的數(shù)控機床設(shè)計畢業(yè)設(shè)計說明書

1、南 京 工 程 學 院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者： 朱玉卿 學 號： 201090708 系 部： 機械工程學院 專 業(yè)： 工業(yè)工程 題 目： 基于人機工程的數(shù)控機床設(shè)計 指導(dǎo)者： 王云霞 副教授 王志亮 副教授 評閱者： 2013 年 6 月 南 京南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要目前數(shù)控機床在制造行業(yè)中被使用的越來越多，但是機床的使用效率卻一直不盡如人意，看上去是操作者使用不當導(dǎo)致的，但歸根結(jié)底是由于機床在設(shè)計的時候就存在了一些問題。比如機床的尺寸設(shè)計的不合理，使得使用者操作時身體不舒服；機床控制面板顏色比較單調(diào)，使得操作者長期看著面板會覺得眼睛疲勞；機床整體造型存在不足之處，

2、給人一種陌生、距離感；操作環(huán)境也不怎么舒適，不利于操作者的長期作業(yè)。因此運用人機工程學的相關(guān)知識，考慮人體尺寸、色彩心理學等知識，對機床進行以人為本的設(shè)計。設(shè)計過程中，先對現(xiàn)有機床進行尺寸測量，然后運用ug軟件建立初始模型，最后運用人機工程的知識對機床的基本尺寸、控制面板、操作環(huán)境和整體造型行進改進設(shè)計，使得人-機-環(huán)境三者之間做到相互協(xié)調(diào)，從而提高人機系統(tǒng)的工作效率。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床，人機工程，設(shè)計外文摘要title the design of cnc machine tool based on man-machine engineering abstractcurrently more a

3、nd more cnc machine tools have been used in the manufacturing industry, but the efficiency of machine tool has never been satisfactory .it seems due to the improper use, but in fact it is the machine has weakness at the beginning of the design. for example the size of machine is unreasonable, which

4、makes the user uncomfortable; the machine control panel color is monotonous, allowing the operator to long-term look at panel will feel eye fatigue; the machine tools shape inadequacies will make people uncomfortable; the environment is not comfortable, not conducive to the long-term operation. so w

5、e use the related knowledge of man-machine engineering, considering the knowledge of body size and psychology of color, design the machine tool based on people. in the design process, firstly we measure the existing machine tool, and then use ug software to establish the initial model, using man-mac

6、hine engineering knowledge, designing the machine control panel, operating environment and the overall shape of cnc, making man - machine - environment coordinate with each other, lastly the man-machine system work efficiency will improve.keywords: cnc，man-machine engineering，designii目 錄前言1第一章 緒論21.

7、1 課題背景21.2 課題意義21.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4 課題內(nèi)容4第二章 人機工程學與數(shù)控機床關(guān)系62.1 人機工程學概念62.2 人機工程學發(fā)展史62.3 人機工程學研究內(nèi)容72.4 人因工程學的研究方法82.5 數(shù)控機床的人機工程學設(shè)計8第三章 模型的建立93.1 主要尺寸測定與分析93.2 原始模型建立93.3 機床的不足11第四章 基本尺寸設(shè)計134.1 基本操作姿勢134.2 數(shù)據(jù)使用方法134.3 基本尺寸設(shè)計154.3.1 控制面板154.3.2 面板顯示屏164.3.3 門把手18第五章 人機界面設(shè)計205.1 人機界面概述205.2 顯示器設(shè)計215.2.1 刻度線2

8、15.2.2 字符225.2.3 顯示屏設(shè)計235.3 控制器設(shè)計255.3.1 旋鈕設(shè)計255.3.2 按鈕設(shè)計255.3.3 安全設(shè)計275.4 色彩設(shè)計27第六章 操作環(huán)境的設(shè)計296.1 環(huán)境色296.2 照明環(huán)境306.3 微氣候環(huán)境33第七章 模型優(yōu)化與改進35第八章 總結(jié)與展望378.1 論文總結(jié)378.2 論文展望37參考文獻39致謝40ii前言隨著國內(nèi)制造行業(yè)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床被使用的越來越多，機床的使用效率直接關(guān)系到了企業(yè)的效益，因此研究如何提高機床使用效率被越來越多的企業(yè)所重視。而人作為機床的使用者，在機床的運行過程中起著主導(dǎo)作用，直接關(guān)系到機床的工作效率。目前機床在使

9、用過程中存在以下一些問題：如機床面板過高，操作者的手臂需要抬高，不利于長久作業(yè)；面板顏色呆板，字跡模糊，增加了使用者辨認的難度等等。因此考慮人的因素對機床進行設(shè)計顯得迫在眉睫。人機工程學是一門研究人-機-環(huán)境三者之間相互關(guān)系的學科，是一門旨在提高系統(tǒng)運行效率的學科。而且該學科在發(fā)展的過程中結(jié)合了生理學、工程心理學、人體測量學、勞動學、系統(tǒng)工程學等學科的知識和成果，形成自身的理論體系、研究方法、標準和規(guī)范，研究和應(yīng)用范圍廣泛并具有綜合性。該學科的研究目的在于設(shè)計和改進人-機-環(huán)境系統(tǒng)，是系統(tǒng)獲得較高的效率和效益，同時保證人的安全、健康和舒適。在了解數(shù)控機床的基礎(chǔ)上，使用人機工程學相關(guān)知識對機床進

10、行改進設(shè)計，能夠使得機床滿足人的需求，提高操作者使用的舒適度，提高工作效率。第一章 緒論1.1 課題背景數(shù)控機床是現(xiàn)代高科技機電產(chǎn)品的一種重要設(shè)備,正在被廣泛地應(yīng)用于加工制造業(yè)的各個領(lǐng)域，而隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代數(shù)控機床的應(yīng)用領(lǐng)域也日益擴大，相應(yīng)地對提高數(shù)控機床效率的研究也越來越被人們所重視。數(shù)控機床的工作質(zhì)量不但取決于機器本身的性能和質(zhì)量,還取決于操作者,也就是取決于該系統(tǒng)中人機系統(tǒng)的功能質(zhì)量，只有當操作者與機器的節(jié)奏相協(xié)調(diào)時才能發(fā)揮出最高的效率。然而目前在設(shè)計數(shù)控機床的時候由于很少從人機工程方面進行考慮,對人機系統(tǒng)缺乏必要的實驗和研究,造成直到機器生產(chǎn)出來投入使用時,才發(fā)現(xiàn)

11、由于人機系統(tǒng)不合理,導(dǎo)致操作人員不能舒適地使用機床，使得機器的效率不能很好發(fā)揮出來,甚至危及操作者人身安全。最后不得不付出很高的代價,拖延大量時間對機器進行改造,這種修補又難以使人機關(guān)系得到徹底改善【1】。針對這種情況從人機工程的角度對機床外觀造型進行設(shè)計改善。1.2 課題意義通過運用人體測量學、色彩心理學的知識對數(shù)控機床各外觀部件的結(jié)構(gòu)、色彩效果進行分析改進，進而能夠讓用戶在操作的時候處于舒適、準確和高效的工作狀態(tài)。同時運用人機工程學理論對機床的整體造型進行分析，使得機床造型與環(huán)境處于和諧狀態(tài)，機床造型清新優(yōu)美、人性化能夠給人心理與生理一種安全感。通過這一系列的改進能夠使得機器具有“情感”，

12、變得易學、易懂、易操作，拉近人與機器的距離，讓用戶在操作機床的時候能夠更加的舒適方便【2】。這樣不但提高了人機效率，而且還減少了機床維修的成本，提高了國內(nèi)數(shù)控機床在國際上的市場競爭力，更推動了數(shù)控機床的向前發(fā)展。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀科學技術(shù)的高度發(fā)展已經(jīng)逐步滲透入機床設(shè)計領(lǐng)域, 現(xiàn)代機床設(shè)計全過程的計算機化程度也越來越高, 可以說機床設(shè)計已經(jīng)逐漸步入了計算機輔助設(shè)計階段, 而屬于機床設(shè)計一個重要組成部分的人機工程設(shè)計也應(yīng)當利用計算機輔助的手段獲得進一步的發(fā)展。目前流行的設(shè)計方法是計算機輔助人機工程設(shè)計caed（computer aided ergonomic design）, 即在計算機及其

13、相應(yīng)的計算機輔助人機設(shè)計系統(tǒng)的支持下, 進行工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)與人機工程相關(guān)的各類創(chuàng)造性活動【3】?，F(xiàn)在國際上計算機輔助人機工程設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點主要在于人機工程設(shè)計軟件的開發(fā)方面。國際上一些大的汽車公司在通用的商業(yè)cad/cam 軟件基礎(chǔ)上開發(fā)自己的車身布置專用軟件,例如基于catia的ramsis軟件等。最早致力于數(shù)控機床布置研究的英國某小組已經(jīng)研究出了多個計算機輔助控制面板布置程序，如automat、nulisp、capable等。國外的數(shù)控機床已經(jīng)開始實現(xiàn)了機電一體化。機電一體化是在信息技術(shù)的迅速發(fā)展、向機械工業(yè)領(lǐng)域迅速滲透、機械電子技術(shù)深度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)上，綜合運用各種先進技術(shù)，從

14、系統(tǒng)理論出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標，以智力、動力、結(jié)構(gòu)、運動和感知組成要素為基礎(chǔ)，對各組成要素及其間信息處理、能量變換進行研究，使得整個系統(tǒng)有機結(jié)合于綜合集成，并在有序信息流的控制下，形成物質(zhì)與能量的有規(guī)則運動，在高功能、高質(zhì)量、高性能等諸方面實現(xiàn)多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價值系統(tǒng)的工程技術(shù)。近年來我國的一些大學和研究所作了研究與探索工作，一些新的機床設(shè)計研究方法也相繼出現(xiàn)，例如昆明理工大學機電工程學院相關(guān)研究人員研究過基于人機工程學的數(shù)控機床控制面板設(shè)計和機床造型設(shè)計，但僅限于一般性設(shè)計理論的提出,并未將其應(yīng)用化,且其研究內(nèi)容并不包括人機檢測部分。湖南大學趙江洪教授所帶領(lǐng)的科研

15、團隊開發(fā)了數(shù)控機床icaid原型系統(tǒng), 該系統(tǒng)重點是針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)控機床設(shè)計而開發(fā),在人機設(shè)計方面更為注重的是設(shè)計知識參考的提供和操作過程的研究,在人機檢測和視域設(shè)計方面的研究尚未涉及到【3】。我國對于數(shù)控機床首創(chuàng)了xnzd2415型數(shù)控龍門混聯(lián)機床，該機床充分吸收并聯(lián)機床的配置靈活與多樣性和傳統(tǒng)機床加工范圍大的優(yōu)點，通過兩自由度平行四邊形并聯(lián)機構(gòu)形成基礎(chǔ)龍門，在并聯(lián)平臺上附加兩自由度串聯(lián)機構(gòu)的a、c軸擺角銑頭，配以工作臺的縱向移動，可完成五自由度的運動。該構(gòu)型為國際首創(chuàng)。由上述國內(nèi)外對數(shù)控機床的人機工程設(shè)計研究現(xiàn)狀可以看出國內(nèi)對機床的人機研究與國外存在著一定的差距。國內(nèi)在研究較多的軟件u

16、g 上所開發(fā)的人機模塊多是針對汽車行業(yè)的,專門針對機床產(chǎn)品的人機檢測的軟件模塊非常少見，而且某些研究方法還不夠完善，需要在人機研究方面給予更多的關(guān)注。1.4 課題內(nèi)容1提出：在整個人機系統(tǒng)中機床要由人操作使用來實現(xiàn)其功能，機床功能的實現(xiàn)很大程度上取決于人使用的好壞，而人機交互的過程影響著操作者使用機床的狀態(tài)，因此使用人機工程學對機床造型進行改善，讓機床以易懂、安全、舒適、親切的方式呈現(xiàn)給使用者，為使用者創(chuàng)造良好的人機交互環(huán)境。在對機床造型進行改善設(shè)計時，根據(jù)數(shù)控機床的工作功能與操作特點，對其進行人機工程學的系統(tǒng)研究，分別從數(shù)控機床外觀造型人機分析、數(shù)控機床控制面板人機界面研究、機床色彩人性化設(shè)

17、計研究、機床標牌人性化研究等方面進行研究，使機床設(shè)計在其功能性、操作性的基礎(chǔ)上加入人的因素，將人作為設(shè)計的主題，做到以人為本。2解決方法：ug軟件建模，用一定的測量手段對數(shù)控機床的關(guān)鍵尺寸進行測量，然后運用ug軟件根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)建立機床模型，根據(jù)模型分析機床關(guān)鍵尺寸是否滿足人體尺寸要求，最后再根據(jù)分析結(jié)果提出改進。3設(shè)計內(nèi)容：數(shù)控機床通過機床門、控制面板、觀察窗等外觀部件以及機床的著色效果給人以直觀的感受 ，能夠直接影響到用戶的生理心理狀況。在課題中針對這些影響因素，采用一定的測量技術(shù)測量其關(guān)鍵尺寸，通過ug軟件建模分析機床是否滿足人體的關(guān)鍵尺寸，根據(jù)分析結(jié)果提出改進方案。為了讓用戶能夠舒

18、適輕松的使用機床，在人體測量學、色彩心理學的基礎(chǔ)上對機床的操作面板、觀察窗、把手等部件進行造型及尺寸的改進，使得機床各外觀部件與機床整體造型相協(xié)調(diào)，機床整體造型與外部工作環(huán)境相協(xié)調(diào)。除了機床的造型尺寸與人的感覺直接相關(guān)，機床的著色效果也對用戶的心理產(chǎn)生直接的影響。根據(jù)機床的外觀部件的不同功能、對機床整體功能的影響程度，進行特殊的色彩處理，使得用戶能夠獲得心理安全感，并且能夠根據(jù)顏色迅速獲取機床表達的信息，提高人機系統(tǒng)的效率。第二章 人機工程學與數(shù)控機床關(guān)系2.1 人機工程學概念人機工程學就是按照人的特性設(shè)計和改進人-機-系統(tǒng)的科學。為了實現(xiàn)人-機-環(huán)境之間的最佳匹配，人機工程學把人的工作優(yōu)化問

19、題作為追求的重要目標。其標志是使處于不同條件下的人能夠高效、安全、健康、舒適地工作和生活。2.2 人機工程學發(fā)展史自從有人類文明開始，人類社會中就一直存在人機工程的影子。最早時期的猿人使用石器，就是為了能夠使自己的力量得到最大的發(fā)揮，從而增加自己的存活能力。當時都是出于懵懂的需求，人機工程還沒有形成規(guī)范。直到進入了20世紀，人們開始了對工效的研究。當時進行了著名的鐵鏟實驗、時間研究實驗，還進行了動作研究、作業(yè)疲勞研究、工作站設(shè)計等。這個時候雖然已經(jīng)孕育了人機工程學的思想萌芽，但人機關(guān)系總的特點是以機器為中心，通過選拔與培訓(xùn)使人去適應(yīng)機器。人機工程真正興起的時間是一戰(zhàn)到二戰(zhàn)之間，這個時期開始了對

20、工效的研究，而且還應(yīng)用了心理學的知識。自“霍桑實驗”后，研究提高工作效率時開始重視情緒、動機等社會因素的作用。從第二次世界大戰(zhàn)到20世紀60年代，人機工程進入了成長時期，這個時期開始了人機關(guān)系的研究，從使人適應(yīng)機器轉(zhuǎn)入到使機器適應(yīng)人的新階段，為人機學的誕生奠定了基礎(chǔ)【4】。20世紀60年代以后，人機工程學進入了一個新的發(fā)展階段，這個時期人因工程學的發(fā)展有三個基本趨向：1、研究領(lǐng)域不斷擴大。2、應(yīng)用的范圍越來越廣。3、在高技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮作用。2.3 人機工程學研究內(nèi)容人機工程學的研究包括理論研究和應(yīng)用研究兩個方面，但學科研究的總趨勢側(cè)重于應(yīng)用。人機工程的根本研究方向是通過揭示人-機-環(huán)境之間相互

21、關(guān)系的規(guī)律，以確保系統(tǒng)總體的最優(yōu)化。其主要內(nèi)容可概括為以下幾個方面【4】：研究人的生理與心理特征。人的生理、心理特性和能力限度，是人-機-環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)。研究人機系統(tǒng)總體設(shè)計。人機系統(tǒng)的效能取決于它的總體設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計的基本問題是人與機器之間的分工以及人與機器之間如何有效地進行信息交流等問題。研究人機界面設(shè)計。在人機系統(tǒng)中，人與機相互作用的過程，就是利用人機界面聲的顯示器與控制器，實現(xiàn)人機信息交換的過程。顯示器是向人傳遞信息的裝置，控制器則接受人發(fā)出去的信息。顯示器研究包括視覺、聽覺、觸覺等各種類型顯示器的設(shè)計，同時還要研究顯示器的布置和組合問題，使其與人的感覺器官特性相適應(yīng)?？刂破髟O(shè)計研

22、究包括各種操縱裝置的形狀、大小、位置以及作用力等在人體解剖學、生物力學和心理學等方面的問題，使其與人的運動器官特性相適應(yīng)。保證人與機之間的信息交換迅速。準確，從而實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化研究工作場所設(shè)計與改善。工作場所設(shè)計的合理性，對人的工作效率有著直接影響。該項研究的目的是使人的工作條件合理，工作范圍適宜，工作姿勢正確，達到工作時不易疲勞、方便舒適、安全可靠和提高效率的目的。研究工作環(huán)境及其改善。任何人機系統(tǒng)都處于一定的環(huán)境中，因此人機系統(tǒng)的功能不能不受環(huán)境因素影響，人與機相比，受影響的程度更大。該研究的目的是為人創(chuàng)造安全、健康、舒適的作業(yè)環(huán)境，提高人的工作、生活質(zhì)量，保證人-機-環(huán)境系統(tǒng)的高效率。研究

23、作業(yè)方法及其改善。作業(yè)是人機關(guān)系的主要表現(xiàn)形式，也是人機系統(tǒng)的工作過程，只有通過作業(yè)才能產(chǎn)生系統(tǒng)的成果。人機工程主要研究人從事體力作業(yè)、機能作業(yè)和腦力作業(yè)時的生理和心理反應(yīng)、工作能力及信息處理特點，該研究目的是尋求經(jīng)濟、省力、安全、有效的作業(yè)方法，消除無效勞動，減輕疲勞，合理利用人力和設(shè)備，提高系統(tǒng)效率。研究系統(tǒng)的安全性和可靠性。人機系統(tǒng)已向高度精密、復(fù)雜和快速化發(fā)展，像這種系統(tǒng)的失效將可能產(chǎn)生重大損失和嚴重后果。實踐表明，系統(tǒng)的事故絕大多數(shù)是由人為失誤造成的，因此研究人為失誤的特征和規(guī)律，尋找導(dǎo)致人為失誤的各種因素，變得很重要。研究組織與管理的效率。人-機-環(huán)境系統(tǒng)的研究應(yīng)與組織、管理、文化

24、和社會相適應(yīng)。2.4 人機工程學的研究方法研究方法在科學發(fā)展中具有重要作用，只有掌握科學的研究方法才會使研究工作取得預(yù)期的成果。人機工程學是由多學科交叉形成的，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，因此其研究方法也很多。其常用的研究方法有：調(diào)查法、觀測法、實驗法、心理測量法、心理測驗法和圖示模型法，此外人機工程的研究方法還有很多，如工作研究、模擬法等相關(guān)學科的研究方法。2.5 數(shù)控機床的人機工程學設(shè)計讓人適應(yīng)機器的時代已悄然而去，現(xiàn)在由于人機相互不夠協(xié)調(diào)而工作效率低下的問題越來越被人們所重視，如何提高人機效率成為了一項重要的課題。人機工程就是一門旨在以人為出發(fā)點進行人-機-環(huán)境改善，提高系統(tǒng)效率和效益，同時保證人

25、的安全、健康和舒適的一門學科。利用人機工程對數(shù)控機床進行設(shè)計，使得機床以適應(yīng)人為出發(fā)點，提高使用者操作舒適度，提高效率。在使用人機工程學相關(guān)知識對機床進行設(shè)計時，主要從生理上與心理上進行設(shè)計。生理上主要是基于人體尺寸的機床尺寸設(shè)計、人機界面設(shè)計，心理上的設(shè)計則使用色彩心理學進行機床的著色處理、整體造型設(shè)計，機床外部的操作環(huán)境設(shè)計則與生理、心理均有關(guān)聯(lián)。大量查閱資料后以標準的規(guī)范對機床進行設(shè)計，使其滿足人的生理、心理需求，則操作者在工作的時候會心情愉悅，提高人-機-環(huán)境系統(tǒng)的效率。第三章 模型的建立3.1 主要尺寸測定與分析對南京邁順數(shù)控機床用卷尺進行尺寸采集，測量誤差控制在5mm之內(nèi)，測量關(guān)鍵

26、尺寸如下：控制面板：寬400mm,高405mm，中心高1525mm，分兩塊，上半部分高150mm,下半部分高250mm；顯示屏：高112mm，寬150mm，中心高1635mm；觀察窗：高575mm，寬450mm，中心高1245mm；門把手：直徑23mm，長450mm，中心高1195mm；查第四章節(jié)表4.2基本人體尺寸得到：男性50百分位眼高為1568mm，肘高為1024mm；女性50百分位眼高為1454mm，肘高為960mm。結(jié)論：顯示屏中心高1635mm 肘高1568mm，故顯示屏偏高；面板中心高1525mm 肘高1024mm，故控制面板偏高；肘高1024mm在門把手可調(diào)范圍970mm141

27、0mm內(nèi)，故門把手尺寸合理；觀察窗中心高1245mm,低于人眼高1454mm,符合人們的工作姿勢要求。3.2 原始模型建立使用ug nx8.0對數(shù)控機床建立原始模型，ug是一款功能強大的三維畫圖軟件，能夠詳細的模擬出機床環(huán)境，用ug畫出的模型如圖3-1、圖3-2所示：圖3-1 原機床ug模型圖3-2 原機床控制面板3.3 機床人機工程方面的不足根據(jù)章節(jié)3.1對該機床關(guān)鍵尺寸的分析結(jié)果，結(jié)合圖3-1與圖3-2，發(fā)現(xiàn)其有以下不足之處：1、機床控制面板過高，大多數(shù)操作者操作時手臂上舉，這樣會加快操作者的疲勞程度。2、顯示器過高，大多數(shù)使用者仰視著屏幕，長期如此操作，操作者會感到脖子酸疼，眼睛疲勞。3

28、、控制面板與機床平行，當操作者加工零件時，眼睛在面板與零件之間轉(zhuǎn)動角度過大，會加快眼睛疲勞速度。4、機床色彩過于單調(diào)，而且面板色彩對比不明顯，易使人視覺疲勞。5、面板按鍵磨損，有些按鍵上的符號不清晰，且按鍵使用時有點吃力。6、面板布局存在不合理的地方，應(yīng)將旋鈕并排放在近視野范圍內(nèi)，降低辨認難度。7、觀察窗玻璃透明度偏低，增加了眼睛觀察工件的難度。第四章 基本尺寸設(shè)計數(shù)控機床是現(xiàn)代高科技機電產(chǎn)品的一種重要設(shè)備,正在被廣泛地應(yīng)用于加工制造業(yè)的各個領(lǐng)域，運用人機工程學的相關(guān)知識，以標準人體尺寸來設(shè)計機床尺寸，讓機床符合人的需求，提高人機工作效率。4.1 基本操作姿勢操著者使用數(shù)控機床采用立姿工作體位

29、，該體位具有以下特點：可活動的空間較大；需經(jīng)常改變體位，立位比頻繁起坐消耗能量少；手的力量增大，即人體能輸出較大的操作力；減少作業(yè)空間，能夠較好的使用有一定高度的顯示器、控制器。不易進行細致和精確的作業(yè)；不易轉(zhuǎn)換操作，立姿時肌肉要做出更大的功來支持體重，容易引起疲勞；長期站立容易引起下肢靜脈曲張等。操作者操作機床時，身體站直與機床保持一定距離，右手操作面板，雙眼在顯示屏與工件之間來回關(guān)注；更換工件時，需要移動身體，手與肘持平并握住門把手推拉機床門。4.2 數(shù)據(jù)使用方法在對數(shù)控機床進行基于人機工程學設(shè)計的時候，使用標準人體尺寸數(shù)據(jù)時，采用以下使用準則：使用最新人體數(shù)據(jù)準則。合理選擇百分位和適用度

30、準則。平均性準則?？烧{(diào)性準則。功能修正與最小心理空間相結(jié)合準則。有關(guān)標準公布的人體數(shù)據(jù)是在裸體、不穿鞋的條件下測得的，而設(shè)計中所設(shè)涉及的人體尺度是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽條件下的人體尺寸。因此，考慮有關(guān)人體尺寸時，必須給衣服、鞋、帽留下適當?shù)挠嗔浚簿褪菓?yīng)在人體尺寸上增加適當?shù)闹b修正量。所有這些修正量總計為功能修正量。于是，產(chǎn)品的最小功能尺寸可由下式確定 xmin = xa + f (4-1)式中，xmin為最小功能尺寸（mm）；xa為第a百分位人體尺寸數(shù)據(jù)（mm）；f為功能修正量。功能修正量隨產(chǎn)品不同而異，通常為正值，但有時也可能為負值。對于著裝和穿鞋修正量可參照表4.1中的數(shù)據(jù)確定。對姿勢

31、修正量的常用數(shù)據(jù)是：立姿時的身高、眼高減10mm,坐姿時的坐高、眼高減44mm?？紤]操作功能修正量時，應(yīng)以上肢前展長為依據(jù)，而上肢前展長是后背至中指尖點的距離，因而對操作不同功能的控制器應(yīng)作不同的修正。如按鈕開關(guān)可減12mm;推滑板推鈕、搬動搬鈕開關(guān)則減25mm?！?】表4.1 正常人著裝和穿鞋修正量項目尺寸修正量/mm修正原因站姿高2538鞋高坐姿高3褲厚站姿眼高36鞋高坐姿眼高3褲厚肩寬13衣胸寬8衣胸厚18衣腹厚23衣立姿臂寬13衣坐姿臂寬13衣肩高10衣（包括坐高3mm及肩7mm）兩肘間寬20肩-肘8手臂彎曲時，肩肘部衣物壓緊臂-手5結(jié)合上述人體尺寸使用準則，利用表4.2中的一些基本人

32、體尺寸進行機床尺寸改進，得到更加合理的尺寸，使得操作者能夠更加舒適的工作，提高效率。表4.2 基本人體尺寸 性別 項目男女5%50%95%5%50%95%身高158316781775148415701659上臂長289313338262284302前臂長216237258193213234眼高147415681664137114541541肘高954102410968999601023肩高128113671455119512711350手功能高216237258193213234肩寬344375403320351377最大肩寬398431469363397438手長17018319615917

33、1183手寬768289707682立姿雙手上舉高197121082245184519682089立姿雙手功能上舉高186920032138174118601976立姿雙手左右平展寬157916911802145715591659立姿雙臂功能平展寬137414831593124813441438立姿雙肘平展寬816875934756811869注：尺寸均為裸體測量結(jié)果，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)各地區(qū)不同的著衣量進行修正4.3 基本尺寸設(shè)計4.3.1 控制面板控制面板是由操作者站立在其面前一定距離進行操作的，所以控制面板的尺寸可以由表4.2基本人體尺寸并結(jié)合圖4-1的立姿作業(yè)范圍來確定。圖4-1 立姿作業(yè)范

34、圍距離設(shè)計：操作者工作時與面板的距離根據(jù)前臂手前伸長來確定，考慮其屬于可觸及類距離設(shè)計，因而采用5百分位，女性5百分位尺寸是383mm，男性5百分位尺寸是416mm，得到人與面板的距離是（383 + 416）/ 2 = 399.5mm,考慮人工作時的姿勢修正，最終得到人與面板的工作距離是400mm.高度設(shè)計：由圖4-1得立姿舒適的工作高度為1100mm1370mm,再根據(jù)立姿時的鞋厚修正量30mm、姿勢修正量10mm,由公式xmin = xa + f求得修正高度是1300mm1670mm，最終尺寸需要進行面板詳細設(shè)計后確定。 寬度設(shè)計：由圖4-1得知立姿時在580mm范圍內(nèi)操作者都能夠比較舒適

35、的工作，因最終尺寸需要進行面板詳細設(shè)計后確定，故先將控制面板的寬保留為原始尺寸400mm。4.3.2 面板顯示屏以人為本的顯示器設(shè)計，主要考慮眼高、人眼視野等。人在觀察目標的時候，如果目標小于380mm會發(fā)生目眩，大于760mm時細節(jié)看不清，在560mm處最為適宜。操作者在操作面板時，眼睛離顯示屏的距離在400mm左右，符合上述要求。高度設(shè)計：人立姿時的視野在視平線以下10左右，顯示屏的高度應(yīng)該在這個范圍內(nèi)，這樣能夠讓眼睛舒適的視物，減少眼睛的疲勞。圖4-2 垂直視野尺寸高度類設(shè)計使用平均性準則。男性50百分位眼高是1568mm,女性50百分位眼高是1454mm，平均眼高為（1568 + 14

36、54）/ 2 = 1511mm，人站立時的穿鞋修正量是36mm,姿勢修正量是10mm，根據(jù)公式（4-1）求得最小眼高尺寸為xmin = 1511mm + 36mm10mm = 1537mm。如圖4-2所示，顯示屏下限高為1537mm 145.5mm = 1391.5mm，所以最終將顯示屏安放在1391.5mm1537mm高度范圍內(nèi)，能夠讓操作者舒適的觀察顯示屏，考慮到心理修正量，最終將高度定為1390mm1510mm，高120mm。寬度設(shè)計：當人的頭部和眼球都固定不動時，視野在水平方向1.53內(nèi)辨認物體最清晰，為中心視力范圍；318內(nèi)視物暫短，比較清晰，為片刻視力范圍；1830內(nèi)必須集中注意力

37、，才能看清目標，為有效視力范圍。 圖4-3 水平視野尺寸如圖4-3水平視野尺寸所示，當人離目標400mm時，中心視力范圍在22.7mm以內(nèi)；片刻視力范圍在22.7mm127.5mm；有效視力范圍在127.5mm227.2mm。操作時眼睛應(yīng)該轉(zhuǎn)動較少的角度、使用較少的時間來定位目標，故將顯示屏的邊緣設(shè)置在有效視力范圍內(nèi)靠近127.5mm的地方。考慮視野余量最終確定寬度為155mm。4.3.3 門把手門把手主要用于操作者推拉機床門。在使用把手的時候，操作者用手握住把手，前臂以肘關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而推拉把手。故根據(jù)肘高來確定把手中心高度，根據(jù)手掌尺寸確定把手直徑。高度：在章節(jié)3.1中已經(jīng)初步分析過把

38、手的高度尺寸970mm1410mm滿足人們的工作需求，現(xiàn)在作詳細的分析：由表4.2知男性的肘高為1024mm,女性肘高為960mm，平均肘高為（1024 + 960）/ 2 = 992mm，查表4.1得到人立姿穿鞋修正量是36mm，得到最小功能肘高為992mm + 36mm = 1028mm，在970mm1410mm范圍內(nèi)，所以門把手高度采用原始尺寸。當手握住門把手時，若其直徑過小，會容易引起肌肉過度緊張；直徑過大，則手難以握牢。因而查有關(guān)資料得到合理直徑為12.5mm25mm,最大不超過75mm。因而保留原把手直徑尺寸23mm。設(shè)計好的門把手如圖4-4所示：圖4-4 把手設(shè)計效果圖第五章 人

39、機界面設(shè)計5.1 人機界面概述人機界面設(shè)計在數(shù)控機床設(shè)計中有著極其重要的地位，若人機界面設(shè)計不合理會容易導(dǎo)致操作人員的操作失誤，降低系統(tǒng)運行的效率。在人機界面上，向人表示機械運行狀態(tài)的儀表或器件叫顯示器，供人操縱機械運轉(zhuǎn)的裝置或器件叫控制器。對機械來說，控制器執(zhí)行的功能是輸入，顯示器執(zhí)行的功能是輸出。對人來說，通過感受器接受機械的輸出效應(yīng)（如顯示器所顯示的數(shù)值）是輸入；通過運動器操縱控制器，執(zhí)行人的意圖和指令則是輸出。如果把感覺系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和運動系統(tǒng)為人的三要素，而把機械的顯示器、機體和控制器作為機械的三個要素，并將各要素之間的關(guān)系用圖表示出來，叫做人機界面三要素基本模式【6】，如圖5-

40、1所示：圖5-1 人機界面基本模型人機界面設(shè)計主要是指顯示器、控制器以及它們之間的關(guān)系的設(shè)計，應(yīng)使人機界面符合人機信息交流的規(guī)律和特性。由于機器的物理要素具有行為意義上的刺激特性，必然存在最有利于人的反應(yīng)刺激形式，所以人機界面的設(shè)計始終是以系統(tǒng)中的人為主體的。5.2 顯示器設(shè)計5.2.1 刻度線1刻度線高度刻度線分為長刻度線、中刻度線和短刻度線，其高度與視距有關(guān)，它們之間的關(guān)系如表5.1所示。表5.1 視距與刻度線高度視距/m刻度線高度/mm字符高度/mm長刻度線中刻度線短刻度線0.55.64.12.32.30.50.9210.27.14.34.30.921.8319.814.38.78.71

41、.833.664028.417.317.33.666.1066.847.528.828.8已知操作者的視距是400mm,查表5.1得知長刻度線高5.6mm，中刻度線高4.1mm，短刻度線高2.3mm，字符高度為2.3mm。2刻度線寬度與間距刻度線之間的間距要適當。太小不方便試讀，當小于1mm時，試讀誤差明顯增大；而太大又不經(jīng)濟。當最大視距為l（mm）時，各刻度線的最小尺寸可由下列各式求出。長刻度線高度：l/90mm 刻度線寬度：l/5000mm中刻度線高度：l/125mm 短刻度線間距：l/600mm短刻度線高度：l/200mm 長刻度線間距：l/50mm已知人的最佳視物距離是560mm，由上

42、述公式求得長刻度線高度最小為6.2mm，間距最小為11.2mm；中刻度線高度最小為4.48mm；短刻度線最小高度為2.8mm，最小間距為0.93mm；各刻度線寬度為0.112mm。根據(jù)伍德森建議：各刻度線的間距應(yīng)在1.143mm以上。長刻度線寬度應(yīng)在0.89mm以上，中刻度線寬度應(yīng)在0.76mm以上，短刻度線寬度在0.64mm以上。短刻度線寬度至少為刻度間距的23%。綜合上述條件得出以下刻度線尺寸：長刻度線：高度6.2mm，間距11.2mm，線寬0.89mm；中刻度線：高度4.48mm，間距1.143mm，線寬0.76mm；短刻度線：高度2.8mm，間距1.143mm，線寬0.64mm。具體效

43、果見圖5-2：圖5-2 刻度線效果圖5.2.2 字符旋鈕周圍字符的形狀應(yīng)簡明、醒目、易讀，多用直角與尖角形，以突出各個字符的形狀特征，避免相互混淆。字符的大小應(yīng)根據(jù)視距而定，一般字符高度可參考表5.2，也可由下式求得h = l / 200 (5-1)式中，h為字符高度（mm）；l為視距（mm）。表5.2字符高度與視距視距/mm字符高度/mm5002.550090059001800918003600183600600030已知最佳視距為560mm時，求得h=2.8mm，查表5.2得h=5mm,取大者。字符寬度=2h/3=3.33mm，字符間距=h/5=1mm。字符效果見圖5-2與圖5-3所示：圖

44、5-3字符效果圖5.2.3 顯示屏設(shè)計1亮度目標的亮度越高，俞易覺察，但是當目標亮度超過34.3cd/m時，視敏度不再有較大的改善，所以目標亮度不宜超過34.3cd/m。2.呈現(xiàn)時間當目標呈現(xiàn)時間在0.0110s范圍時，目標的視見度隨呈現(xiàn)時間的增大而提高；當呈現(xiàn)時間大于1s時，視見度提高的速度減慢；當呈現(xiàn)時間大于10s時，視見度只有很小的提高。通常目標呈現(xiàn)時間為0.5s時，已可滿足視覺辨別的基本要求；呈現(xiàn)時間為23s時，視覺辨認效果最佳，但占用時間太長，影響工作效率。3.余輝目標余輝是目標消失后，目標光點在平面上的停留時間，一般為36s。當掃描周期縮短時，余輝積累效應(yīng)可改進余輝的能見度，提高視

45、覺效率，周圍照度則以1lx時為最佳。4.目標移動速度查閱資料得知目標移動速度不應(yīng)過快，控制在20/s左右較適宜。5.目標與背景關(guān)系屏幕亮度取68.6cd/m最為適宜，并且顯示屏以外的照明并不是越暗越好，而是與屏幕亮度一致或稍低時，目標察覺、識別和追蹤的效率高。當環(huán)境亮度超過屏幕亮度時，視覺工作效率受到明顯的不利影響。周圍照明顏色與目標顏色應(yīng)有清晰對比。6.尺寸大小由章節(jié)4.3.1確定的控制面板大致的高度為1391.5mm1537mm，寬度為127.5mm177.5mm?？刂泼姘迳蠈挾确较蛏嫌?1個按鍵和一個旋鈕，每個按鈕高15mm,旋鈕刻度線標數(shù)直徑為60mm，上八個按鍵間距平均2mm，下三個

46、按鍵間距5mm，旋鈕與按鍵高度間隔40mm，邊余量留有40mm，算得總高度定為410mm?？刂泼姘鍖挾壬嫌?個按鍵寬尺寸外加兩個按鍵的寬度，每個按鍵寬15mm，間距為7mm， 每個按鈕寬20mm，陣列間距25mm，邊余量30mm，最終得到寬度為380mm。設(shè)計的顯示屏見圖5-4：圖5-4 顯示屏效果圖5.3 控制器設(shè)計人通過顯示器獲得信息后，需要通過運動系統(tǒng)將大腦的分析決策結(jié)果傳遞給系統(tǒng)，從而使其按人預(yù)定的目標工作?？刂破魇侨擞靡詫⑿畔鬟f給機器，或運用人的力量來開動機器，使之執(zhí)行控制功能，實現(xiàn)調(diào)整、改變機器運行狀態(tài)的裝置?？刂破魇侨藱C系統(tǒng)的重要組成部分，也是人機界面設(shè)計的一項重要內(nèi)容，控制器

47、的設(shè)計是否得當，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的工作效率、安全運行以及使用者操作的舒適性。控制器的設(shè)計必須符合人因工程的要求也就是說，必須考慮人的心理。生理、人體解剖和人體機能等方面的特【4】。5.3.1 旋鈕設(shè)計旋鈕是用手指的擰轉(zhuǎn)來進行操作的一種手動控制器，其大小應(yīng)使手指和手與其輪緣有足夠的接觸面積，便于手捏緊和施力以及保證操作的速度和準確性。因此，旋鈕的直徑不宜太小，也不宜太大，一般以50mm為最佳。為了使手操縱旋鈕時不打滑，常把手操作部分的鈕帽做成各種齒紋，以增強手的扭轉(zhuǎn)力。此外旋鈕的形狀應(yīng)該便于人的使用，這有利于人對控制器的施力。設(shè)計的旋鈕如圖5-2與圖5-5所示：圖5-5 旋鈕效果圖如圖5-5所

48、示，旋鈕以手指大小為依據(jù)設(shè)置直徑為3mm5.3.2 按鈕設(shè)計機床面板按鈕是通過手指的按壓實現(xiàn)其功能，其主要尺寸根據(jù)人的手指端尺寸確定。用拇指操作的按鈕，其最小直徑建議采用19mm，用其他手指尖操作的按鈕，其最小直徑建議采用10mm。按鈕的尺寸應(yīng)按手指的尺寸和指端弧形設(shè)計，方能操作舒適。設(shè)計的按鈕如圖5-6圖5-8所示：圖5-6 按鍵效果圖圖5-7 啟動停止按鈕圖5-8 急停按鈕如圖所示：將按鍵大小設(shè)置成15mm * 15mm，按鈕設(shè)置成20mm * 15mm，急停按鈕設(shè)置成直徑40mm。5.3.3 安全設(shè)計1.控制器阻力 控制器要有一定的阻力。操作阻力可以提高操作的準確性、平穩(wěn)性和速度以及向操

49、作者提供反饋信息，以判斷操縱是否被執(zhí)行，同時防止控制器被意外啟動。故對控制器進行最小操作阻力設(shè)計，手動按鈕最小操作阻力為2.8n,旋鈕的最小操作阻力為1.7n。2.控制器的偶發(fā)啟動在操作過程中，由于操作者的無意碰撞、牽拉控制器或外界震動等而引起的控制器的偶發(fā)啟動。為了避免控制器被無意碰撞或牽引而引起的意外驅(qū)動，造成傷人事故，在設(shè)計控制器時，應(yīng)考慮以下防護措施：將控制器安裝在不易被碰撞的位置；將控制器的運動方向向著最不可能發(fā)生意外用力的方向；適當增大控制器的操作阻力。一組控制器必須按正確的順序操作時才能被啟動，使控制器彼此之間具有連鎖作用。5.4 色彩設(shè)計控制面板是操作者工作的時候要長期接觸的地

50、方，如果面板的顏色過于單調(diào)，或者搭配的不合理，那么操作者就會容易有壓抑感、易疲勞，這樣就會降低工作效率，提高犯錯率，甚至會有發(fā)生事故的危險。因此，在設(shè)計控制面板的時候，要給予色彩處理足夠的重視。1.安全色對于長期在機床面前工作的人們，很容易有疲勞感，注意力不是十分集中。所以部分重要的顯示裝置要能夠比其他的更加能夠引起注意，而且不需要操作者通過思索就能明白它們所要表達的關(guān)鍵信息。機床面板的急停按鈕和停機按鈕表達了禁止、停止、危險的意思，需要操作者能在第一時間明白它表達的含義，所以將急停按鈕和停機按鈕設(shè)置成紅色，并且為了能夠讓紅色急停按鈕更加明顯將急停按鈕的背景設(shè)置成黃色，而且黃色能夠提醒人們注意

51、。將開始、啟動按鈕設(shè)置成綠色，綠色傳達給人們允許、安全的信息。設(shè)置了安全色后，操作者能夠迅速的對它們采取措施，提高了人們辨認的速度，提高了工作效率，增強了安全性。2.色彩搭配針對數(shù)控機床控制面板，從提高操作者舒適度出發(fā)，對其進行色彩的處理：對于面板的旋鈕，將其設(shè)置成黑色，指針設(shè)置成白色，刻度盤設(shè)置成黑色，字符設(shè)置成白色，這樣能夠使得目標事物與周邊環(huán)境形成鮮明對比，提高人們的辨認速度，提高判讀的精確度。對于按鍵，將字符設(shè)置成黑色，按鍵設(shè)置成白色，這樣讓操作者做輸入操作時，能夠迅速地找到要找的按鍵，提高指令輸入的效率。對于整個面板，將其設(shè)置成灰色，突顯出面板上需要注意的部件。設(shè)置后的效果如圖5-9

52、所示：圖5-9 控制面板效果圖第六章 操作環(huán)境的設(shè)計 對人機系統(tǒng)的研究包含對人、機器和環(huán)境的研究，前面的章節(jié)已經(jīng)對人機進行了相關(guān)的設(shè)計，本章節(jié)針對人機工作的環(huán)境進行簡要的設(shè)計，使得人-機-環(huán)境能夠相互協(xié)調(diào)，以人作為設(shè)計的出發(fā)點，使得操作者在使用機床的時候擁有一個良好的工作環(huán)境，這樣提高了人機系統(tǒng)整體的和諧度，提高效率。6.1 環(huán)境色色彩能夠使人產(chǎn)生溫度感、輕重感、硬度感、脹縮感、遠近感等物理感覺，能夠引起人的情緒變化，因而色彩對人的心理有著一定的調(diào)節(jié)作用，并且會表現(xiàn)在生理上。工作的環(huán)境對人的生理有著很大的影響，而調(diào)節(jié)環(huán)境屬物理調(diào)節(jié)方式來的最為直接迅速，但是相應(yīng)的有著比較高的代價；而心理與生理在

53、一定程度上是相互影響的，所以也可以通過對心理的調(diào)節(jié)來影響操作者的生理感受。與物理調(diào)節(jié)方式相比，利用色彩對環(huán)境因素進行調(diào)節(jié)，不需要追加成本，更不會消耗資源，并且色彩是直接作用于人的心理，只要是操作者能夠看得見的地方，都能夠有效的發(fā)揮作用。操作者工作的環(huán)境都需要布置環(huán)境色，這樣能夠使得色彩調(diào)節(jié)有效的發(fā)揮作用，環(huán)境色的布置應(yīng)滿足一下要求：應(yīng)使環(huán)境色形成的反射光配合采光照明形成足夠的明視性。應(yīng)像避免直接眩光一樣盡量避免施色涂層形成的高光對視覺的刺激。應(yīng)形成適合作業(yè)中的中高明度的環(huán)境色背景。應(yīng)避免配色的對比度過強或過弱，保證適當?shù)膶Ρ榷?。?yīng)避免大面積純度過高的環(huán)境色，以防視覺受到過度刺激而過早產(chǎn)生視覺疲

54、勞應(yīng)避免如視覺殘像之類的虛幻形象出現(xiàn)，保證生產(chǎn)安全?！?】根據(jù)上述要求我們對數(shù)控機床進著色處理，處理效果如圖6-1所示：圖6-1 機床著色效果如圖6-1所示，將機床的底座設(shè)置成黑色，將機身設(shè)置成白色，機床門設(shè)置成藍色。黑色使人聯(lián)想到重質(zhì)量的物體；白色和藍色則給人以沉靜感，可以抑制人的情感和情緒，使人沉著和冷靜，有利于人們長期工作；采用多種色彩，可以減少人們視覺疲勞的速度；機床身使用白色，與底座黑色形成對比，給人下重上輕的感覺，使人有安全感。6.2 照明環(huán)境工作環(huán)境的照明環(huán)境對工作有這一定的影響，工作環(huán)境若是照明不好，則會造成工作者的疲勞，工作效率低、效果差。明度不好，由于反復(fù)努力辨認，造成視覺疲勞。改善照明條件不僅可以減少視覺疲勞，而且也會