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基于人機(jī)工程的加工中心設(shè)計(jì)綜述

文章預(yù)覽:備注:為保證文章的完整度,本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示,如未有顯示請(qǐng)刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試!隨著對(duì)加工中心的要求越來(lái)越高,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)加工中心設(shè)計(jì)中的人機(jī)因素進(jìn)行了大量的研究,研究領(lǐng)域涉及加工中心造型、加工中心顏色等。加工中心設(shè)計(jì)的過(guò)程一般分為六個(gè)階段:原理設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)、人機(jī)工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)及完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)[1]。設(shè)計(jì)過(guò)程不一定全部按照以上階段或順序依次完成,但人機(jī)工程設(shè)計(jì)必不可少。在設(shè)計(jì)加工中心時(shí),特別是涉及到安全的部分都應(yīng)該適應(yīng)全體人員,但是出于經(jīng)濟(jì)考慮,一般只選擇占總?cè)藬?shù)90%的人加以考慮,同時(shí)希望剩下10%的人也能適應(yīng)機(jī)器,或者對(duì)有可能操作的人員通過(guò)選擇加以限制。其佘不涉及安全因素的地方以第50百分位的人體尺寸作為設(shè)計(jì)依據(jù)[3]。而完成加工中心的尺寸設(shè)計(jì)就要參考這些數(shù)據(jù)[4]。1加工中心造型設(shè)計(jì)與人機(jī)工程人機(jī)工程學(xué)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流的重要橋梁,在機(jī)床設(shè)計(jì)中起到非常重要的作用。Hafiz[5]等人發(fā)現(xiàn),如果加工中心設(shè)計(jì)與操作者的物理尺寸、能力和極限不匹配,最終可能會(huì)導(dǎo)致操作者遭受職業(yè)傷害,可見(jiàn)人機(jī)工程在加工中心設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的地位。1.1控制面板的造型設(shè)計(jì)控制面板是加工中心的重要組成部件之一,是操作者與加工中心進(jìn)行交互的工具。整個(gè)加工中心的運(yùn)作絕大部分體現(xiàn)在控制面板上,這使得操作者需集中精力把控整個(gè)操作的環(huán)節(jié)。為使操作者在最舒適的情境下操作加工中心,控制面板的設(shè)計(jì)要充分考慮操作者的立姿眼高,保證操作者在操作時(shí)不需要頻繁地低頭或抬頭,減輕頸部活動(dòng)量。在人水平視線上下30度和垂直視野左右各15度的范圍內(nèi),是顯7K器放置的******位置[6\孟祥旭[7]等總結(jié)了人的幾種姿勢(shì)下的******視野垂直角度(圖1),視距保持在500 mm以?xún)?nèi)。馮光勇[8]等人發(fā)現(xiàn),當(dāng)顯示面板安裝在支撐臂上時(shí),為確保使用者觀察時(shí)視線與屏幕垂直,面板要有一定的傾角?當(dāng)顯示面板豎直固定時(shí),顯示屏的中心點(diǎn)高度應(yīng)小于或等于人的立姿眼高[8]。如果面板設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu),其實(shí)用性將大大提高^(guò)具體采用哪種安裝方式,需以加工中心整體造型和功能要求為依據(jù)。韓衛(wèi)國(guó)[9]等人研究表明,當(dāng)精工面板垂直地面時(shí),******按鍵區(qū)的范圍和手的活動(dòng)范圍密切相關(guān)。為便于操作,******按鍵區(qū)域應(yīng)該比立姿肘高略高,而要低于立姿眼局,最終,定義******的按鍵區(qū)域?yàn)镮I53?I568 mm(圖2)。當(dāng)精工面板傾斜安裝時(shí),手部活動(dòng)范圍受到影響,從而******的按鍵區(qū)為974?1408 mm(圖 3)。Muthukumar[1°]等人發(fā)現(xiàn),機(jī)器顯7K不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致頸部不適,面板控制器不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致肩膀和手臂不適^顯示面板上有大量按鍵,其尺寸要與操作者手指端面積相適應(yīng)。通常來(lái)說(shuō),按鍵要略大于人體手指端面積,過(guò)小容易引起誤操作,過(guò)大會(huì)增加面板面積。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,按鍵最小尺寸長(zhǎng)度應(yīng)為10 mm,較適宜尺寸長(zhǎng)度為19 mm,******尺寸長(zhǎng)度為25 在具體設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)以實(shí)際情況為準(zhǔn)。按鍵的分布應(yīng)以功能為原則進(jìn)行區(qū)域排布,各區(qū)域間要有明顯的界限[12]。毛洋[13]等人研究發(fā)現(xiàn),最能有效提升操作者信息獲取的精準(zhǔn)性和便利性,是奇數(shù)個(gè)橫向按鍵排列的方式[13]。顯示面板的版式有矩形型、V型、U型、展開(kāi)U型、半圓型和半球型,這不僅關(guān)乎美觀,更直接影響操作。開(kāi)窗式表盤(pán)誤讀率偏低,不同直徑的圓盤(pán)認(rèn)讀速度和錯(cuò)誤率也不同。指針的形狀有三角形、梯形、三角形變形體、梯形變形體等多種形狀,不同形狀給人帶來(lái)不一樣的視覺(jué)感受,但是都必須以認(rèn)讀方便為準(zhǔn)則。1.2加工中心把手的造型設(shè)計(jì)把手在加工中心設(shè)計(jì)中至關(guān)重要,把手的造型和安裝位置都要考慮人機(jī)工程學(xué)的因素。為方便操作者使用,把手應(yīng)與人手的尺寸相適應(yīng),這樣才能提高作業(yè)者的舒適性與效率性。一般將把手的長(zhǎng)度控制在75 mm以上,以滿(mǎn)足操作者的使用要求。把手有豎式安裝和橫式安裝兩種安裝方式。橫式安裝把手的設(shè)計(jì)有三個(gè)關(guān)鍵尺寸:把手直徑、把手截面形狀和把手安裝位置。手握直徑應(yīng)控制在10?20 mm,優(yōu)先選用12?18 mm。直徑過(guò)粗或過(guò)細(xì),都不利于抓握和施力。把手的截面形狀一般為圓形,因?yàn)閳A形握起來(lái)更舒適。把手應(yīng)在立姿肘高的位置安裝。為滿(mǎn)足不同操作者的需要,大型加工中心的把手可以設(shè)計(jì)得長(zhǎng)一些[8]。在設(shè)計(jì)把手時(shí),應(yīng)先確定把手的高度(圖4),以第50百分位身高操作者作為標(biāo)準(zhǔn)。在確定好高度之后,再依據(jù)把手的操作范圍(圖5)進(jìn)行設(shè)計(jì),只有這樣,設(shè)計(jì)出來(lái)的把手才能保證操作時(shí)的精度和舒適度,使操作者舒適方便地作業(yè)。1.3加工中心觀察窗的造型設(shè)計(jì)在加工中心中,觀察窗是操作者觀察加工工件和加工中心運(yùn)動(dòng)的部件[14\作為加工中心正立面視覺(jué)中心的觀察窗,其造型對(duì)整體的風(fēng)格有畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。現(xiàn)有的加工中心的觀察窗造型較多,多以圓角方形為主。小圓角方形觀察窗常以直線平面為主,與邊角較直硬的外防護(hù)造型相匹配。而大圓角觀察窗造型常以曲面為主,或是與較為圓滑的外防護(hù)造型相匹配。觀察窗的設(shè)計(jì)與操作者的姿勢(shì)密切相關(guān),要從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā),對(duì)觀察窗進(jìn)行設(shè)計(jì)[15]。根據(jù)王云德[16]等人研究,觀察窗的設(shè)計(jì)以操作者的高度和視高為主要依據(jù)。一般來(lái)講,為保證加工中心適合不同身高的作業(yè)者,觀察窗的設(shè)計(jì)主要選取第50百分位的人體視高為依據(jù)。從人機(jī)工程學(xué)來(lái)說(shuō),人的******視線在水平方向15度和豎直方向25度效果******[16] 〇馮光勇[8]等人研究發(fā)現(xiàn),不同類(lèi)型的加工中心觀察窗尺寸差異較大。一般來(lái)說(shuō),主軸運(yùn)動(dòng)范圍較大的加工中心,其觀察窗較大;而需要觀察加工范圍較小的加工中心,其觀察窗較小[8]。1.4加工中心門(mén)的造型設(shè)計(jì)對(duì)加工中心而言,加工中心門(mén)是加工中心造型中比較重要的一部分,如果加工中心門(mén)設(shè)計(jì)的不合理,將影響加工中心的操作性能及精度。加工中心門(mén)的尺寸,首先要滿(mǎn)足作業(yè)者裝夾工件的功能要求。根據(jù)王云德[16]等人的研究,為方便操作,加工中心門(mén)的尺寸要略大于工作臺(tái)的寬度。加工中心門(mén)的外廓線要與加工中心外防護(hù)正立面的輪廓線相匹配。現(xiàn)有的加工中心門(mén)按造型分為曲門(mén)、直門(mén)和折門(mén)三種,其造型的變化要符合外防護(hù)造型的變化[14]。在設(shè)計(jì)加工中心時(shí),加工中心門(mén)的寬高度設(shè)計(jì)不僅影響加工中心的整體造型,更影響操作精度和機(jī)能,所以在設(shè)計(jì)加工中心時(shí)要對(duì)加工中心門(mén)的設(shè)計(jì)加以重視。由于加工中心的類(lèi)型較多,加工中心的工作臺(tái)寬度不一,所以加工中心門(mén)的尺寸也略不相同。加工中心門(mén)分為單開(kāi)門(mén)和雙開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)。雙開(kāi)門(mén)是大型加工中心或工作臺(tái)較寬的加工中心的******選擇,必要時(shí)可借助氣缸來(lái)控制拉門(mén)開(kāi)關(guān)[17],而單開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)更適合小型加工中心。1.5加工中心整體造型設(shè)計(jì)目前,加工中心的造型設(shè)計(jì)是從人性化、人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)原則等方面入手,實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀是造型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則[18]。加工中心的整體造型對(duì)加工中心的合理使用、操作者的方便操作起了至關(guān)重要的作用。研究表明,各部件間的比例是外觀造型設(shè)計(jì)的主要部分之一。現(xiàn)有加工中心中使用的比例較多,常用的有:黃金分割比(1 :0. 618)、平方根比例(1 :及)等[16]。除了比例,還要注意加工中心的輪廓線設(shè)計(jì),重視線型變化,以使加工中心美觀。目前,我國(guó)的加工中心尺寸主要有以下幾種:長(zhǎng)2250 mm,2500 mm,3000 mm,3500 mm;寬 1370 mm;尚 1690 mm[l6]。加工中心的造型主要有兩種:第一種是輪廓線以直線為主,另一種是輪廓線以曲線為主。直線有冷靜、嚴(yán)肅的特點(diǎn),曲線給人自由、活躍的感覺(jué)。在造型中,合理搭配運(yùn)用直線和曲線,能讓加工中心的造型簡(jiǎn)約中又富含感情,避免刻板。在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意遵循“形式服從功能”和“形式表現(xiàn)功能”的原則。加工中心的外罩造型是影響整體風(fēng)格的關(guān)鍵,是精工加工中心主體上主要的部件之一,從其正立面上可以分為曲面造型、直面造型和斜面造型三種類(lèi)型。曲線造型給人圓潤(rùn)、流暢的感覺(jué);直面造型給人莊重、規(guī)整之感;斜面造型給人活力、輕巧的感覺(jué)。在加工中心的設(shè)計(jì)過(guò)程中,各種造型要靈活運(yùn)用,使其美觀、整體、和諧。積極賦予加工中心造型友好的情感因子,是設(shè)計(jì)師不懈追求的目標(biāo)之一[|9]。2加工中心顏色設(shè)計(jì)與人機(jī)工程在加工中心設(shè)計(jì)中上,使用顏色可以更好地傳達(dá)提示信息,還可以緩解操作者的視覺(jué)疲勞。但是色彩的使用一般不能超過(guò)3~5種,否則會(huì)給人雜亂的感覺(jué),影響作業(yè)。為避免出現(xiàn)操作失誤,通常采用灰色系。通常來(lái)說(shuō),報(bào)警按鈕為紅色,表示危險(xiǎn);啟動(dòng)按鈕為綠色,表示安全,正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在控制面板設(shè)計(jì)中,還加\了圖形的元素。圖形具有直觀、形象、信息量大的特點(diǎn),廣泛出現(xiàn)在界面中,增加了設(shè)備的易學(xué)易用性。除此之外,界面中的字體設(shè)計(jì)也有要求,字體形式應(yīng)保持一致,選用簡(jiǎn)潔、清晰、識(shí)別性強(qiáng)的文字,避免視覺(jué)疲勞。面板上的數(shù)字至少應(yīng)停留0.2 s才能被看清,所以,數(shù)字的變換速度不宜超過(guò)0.2 。并且,版面風(fēng)格、布局、人機(jī)交互方式和信息顯示格式應(yīng)一致,有助于作業(yè)者學(xué)習(xí)、熟悉、使用設(shè)備,并減少出錯(cuò)率[8]。人眼在不同光照條件下的色彩感知力是不同的。在光線較暗的環(huán)境下,最好使用藍(lán)綠色對(duì)控制面板的信息進(jìn)行顯小,反之選用橙色顯疋信息[21],,采用背光技術(shù)的面板鍵盤(pán),不僅可改善操作環(huán)境,更可增強(qiáng)敲擊鍵盤(pán)的準(zhǔn)確性,提高工作效率。需在暗中觀察的操縱面板最好呈藍(lán)綠色并配以紅光照明;反之,需在晝光下觀察的面板最好呈橙色且配以黃或黃綠光照明[22]。色彩的傳遞比形體的傳遞更迅速、強(qiáng)烈,其對(duì)人們的心理影響非常微妙。明快的色彩使人心情愉悅,厚重的色彩使人心情壓抑并影響生產(chǎn)效率[24]。因此,可通過(guò)色彩來(lái)提高工作效率。一般來(lái)說(shuō),加工中心的顏色下深上淺,給人安定、沉穩(wěn)的感覺(jué)。此外,在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生切屑,下部的深色調(diào)可以減輕加工中心的臟亂感[8]。因?yàn)榛疑蝗菀追稚⒆鳂I(yè)人員的注意力,所以人們?cè)诠I(yè)設(shè)備中經(jīng)常使用灰色系[25]。加工中心的底座、立柱等一般采用穩(wěn)重且不笨重的顏色,如銀灰色。為了提高加工中心的安全性能,對(duì)一些警示標(biāo)志也會(huì)采用醒目的色調(diào)加以提醒。在設(shè)計(jì)加工中心時(shí),設(shè)計(jì)者可根據(jù)信息的重要程度來(lái)選用色彩。最重要的信息選用紅色,依次可選擇黃色、橙色、綠色。但是也要注意底色的選擇,使底色與提示色在純度和明度上有明顯的對(duì)比[21 ]。特殊情況,還可以用閃爍的方式加以提醒。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明,不宜應(yīng)用過(guò)于刺激和興奮的色彩,也不能使用過(guò)于沉悶的色彩,一般可以使用純度低明度高的顏色,如銀灰色、淡藍(lán)色。而紅、黃等刺激性色彩只能小面積使用[M]。在設(shè)計(jì)加工中心外部時(shí),為提高操作者的工作興致,會(huì)用不同的色調(diào)來(lái)進(jìn)行裝飾U7]。在色彩搭配上,加工中心要給操作者整體、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、安全的感覺(jué),保持操作者工作時(shí)心情愉悅、精力集中,滿(mǎn)足其心理和生理需求。3總結(jié)與展望眾多實(shí)驗(yàn)與研究表明,人機(jī)因素在加工中心設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位。從加工中心造型來(lái)說(shuō),控制面板與把手的安裝有了合適的位置區(qū)間,觀察窗和加工中心門(mén)的設(shè)計(jì)有了科學(xué)的尺寸依據(jù),而在加工中心整體造型設(shè)計(jì)中,選擇合適的直線型與曲線型也會(huì)為加工中心增色;對(duì)于加工中心顏色設(shè)計(jì)而言,既要使用純度低明度高的顏色來(lái)保持操作者的注意力,又要使用色調(diào)進(jìn)行裝飾以提高操作者的工作興趣。人機(jī)工程學(xué)在加工中心設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用,將“適用”與“美觀”、“技術(shù)”與“藝術(shù)”結(jié)合與統(tǒng)一[28],并取得了一些成績(jī),設(shè)計(jì)出了更加人性化的加工中心。但是現(xiàn)有市面上的加工中心還是存在不足,需要進(jìn)一步研究:1) 造型方面:加工中心體型巨大,線型生硬;造型大同小異,刻板、冰冷;機(jī)械感過(guò)強(qiáng)是加工中心共同的特點(diǎn),操作不人性化。2)色彩方面:色彩單調(diào),甚至搭配不當(dāng);色調(diào)深沉、冷漠,沒(méi)有安全感。

Tags: 加工中心

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