高巍
一、背景及意義
數(shù)控機(jī)床是智能制造領(lǐng)域的重要裝備,能較好地解決復(fù)雜、精密、小批量以及多品種零件加工問題。對數(shù)控機(jī)床整機(jī)及部件進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)既是改善操作者使用體驗(yàn)和提高生產(chǎn)效率的必然訴求,也符合機(jī)床生產(chǎn)廠商增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)附加值的利益需要。同時(shí),研究基于計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)手段進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)與校驗(yàn),也有利于大幅提高設(shè)計(jì)效率,縮短投產(chǎn)周期,有力推動制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
二、數(shù)控機(jī)床控制面板的結(jié)構(gòu)組成
數(shù)控機(jī)床的基本組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)床主體和其他輔助裝置。其中數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心,它包含輸入、處理和輸出三個(gè)基本部分,控制面板則是最典型的輸入裝置,是數(shù)控機(jī)床中與操作者交互最頻繁的部件之一,也是機(jī)床人機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)對象。
控制面板主要由顯示裝置、鍵盤、MCP、狀態(tài)燈和手持單元等部分組成。雖然機(jī)床類型和數(shù)控系統(tǒng)的種類繁多,不同廠商的操作面板也不盡相同,但其中各種旋鈕、按鈕和鍵盤的基本功能與使用方法基本相似。
三、數(shù)控機(jī)床控制面板的人機(jī)關(guān)系分析
控制面板是人與機(jī)器溝通的連接橋梁,設(shè)計(jì)友好、人性化的人機(jī)溝通渠道是設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制面板時(shí)最重要的任務(wù)。依據(jù)人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和依據(jù),本文主要針對顯示裝置和控制部件的布局和配合展開。
1、有效視區(qū)與正常作業(yè)范圍設(shè)計(jì)
在頭部和眼睛均保持正常狀態(tài)的情況下,根據(jù)人眼對識別對象的辨認(rèn)清晰度和辨認(rèn)速度的數(shù)據(jù)采集及分析,可將識別區(qū)域分為中心視區(qū)、最優(yōu)視區(qū)、有效視區(qū)和最大視區(qū)。當(dāng)觀察范圍水平方向介于-15°-15°,豎直方向位于水平方向以下10°時(shí),觀察者能得到最佳的視覺反饋。據(jù)此,控制面板的最優(yōu)視區(qū)應(yīng)當(dāng)控制在這一范圍內(nèi),以便操作者能在短時(shí)間內(nèi)辨認(rèn)清楚形體。
同時(shí),根據(jù)手在水平面正常作業(yè)范圍分析,當(dāng)操作者正常站立操作時(shí),控制面板位置應(yīng)距人體中線距離在39.4cm左右并不應(yīng)大于50.8cm,如圖1所示。
2、顯示裝置的設(shè)計(jì)
顯示裝置是控制面板中的重要部件,本次設(shè)計(jì)利用了人的觀察特點(diǎn)和人體數(shù)據(jù)庫的要求來選用顯示裝置中的組成元件。
(1)選擇顯示器。
因數(shù)控機(jī)床的顯示面板主要顯示一些定量的信息,因此在本例設(shè)計(jì)中選擇數(shù)字顯示器。
(2)布置顯示器。
在本次設(shè)計(jì)中,顯示器的顯示屏幕布置基本與人的最佳視線垂直,方便信息識別與認(rèn)讀,降低誤差率。整個(gè)顯示屏幕的布置考慮了人的視野和視區(qū)特性,重要的顯示信息應(yīng)布置在顯示屏的最佳認(rèn)讀區(qū)域,如圖2所示,A區(qū)域?yàn)樽罴炎R別區(qū)域,0點(diǎn)位為視覺中心。
3、操縱開關(guān)的選擇與布置
操作者的操作通過操縱開關(guān)轉(zhuǎn)換為信號輸入機(jī)器,這一過程的主要動作是人與開關(guān)之間的交互,因此操作開關(guān)的選擇與布置應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué),以方便操作者在最舒適、反應(yīng)最靈敏的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效操縱。
(1)操縱開關(guān)的選擇。
根據(jù)輸入信號性質(zhì)的不用選擇了不同形式的開關(guān)。如控制“開”和“關(guān)”兩個(gè)動作時(shí),選擇了按鈕或按鍵的形式;控制選擇性信息的輸入時(shí),采用了系列相似按鍵的形式控制可均勻變化的信號輸入時(shí),選擇了旋鈕開關(guān)。
(2)操縱開關(guān)的布局。
對于一些需要精確調(diào)節(jié)的旋鈕或滑塊,本設(shè)計(jì)中盡量布置在最容易操控的區(qū)域,并且盡量接近被它控制的顯示器。對于不同功能的操縱開關(guān),按照操作的流程、順序、重要程度和操縱頻率等進(jìn)行設(shè)計(jì),適當(dāng)利用線條、色彩等設(shè)計(jì)元素予以分隔。數(shù)控機(jī)床上有部分開關(guān)功能特殊,起到安全警戒及緊急制動的作用,這部分開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)注意了顏色鮮亮、觸手可及及接觸面大的特點(diǎn)。
操縱開關(guān)的面板應(yīng)與顯示器緊密配合,一般操縱開關(guān)面板布置在顯示器的下方,顯示器顯示的界面圖標(biāo)與操縱開關(guān)的外形、顏色應(yīng)存在對應(yīng)關(guān)系與邏輯關(guān)系。
根據(jù)操作者的認(rèn)知與心理特點(diǎn),操作者對界面布局與開關(guān)運(yùn)動方向有一定的經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識,比如,旋鈕開關(guān),左旋為減少,右旋為增加;顏色顯示時(shí)綠色為安全或運(yùn)行中,紅色為危險(xiǎn)或停止中等。在設(shè)計(jì)操縱面板時(shí)注意常規(guī)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際操縱的吻合,減少操作者誤操作的可能性。
4、操作面板的安裝高度設(shè)計(jì)
人體抬手操作的最佳高度受手的活動范圍和肘部高度的影響,考慮到操作者操作控制面板的持續(xù)性與經(jīng)常性,面板安裝時(shí)要盡量選擇較舒適的安裝高度,有效避免疲勞。根據(jù)選取50百分位的人體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖3所示,在視距D為500mm的情況下,將操作面板中心與地平面的高度定在1326mm-1520mm之間,同時(shí),考慮車銑復(fù)合加工中心的操作面板以傾斜方式擺放,人在操作時(shí)身體會不自覺前傾,該高度可取合理范圍內(nèi)的偏低值。
四、設(shè)計(jì)實(shí)例分析與虛擬校驗(yàn)
1、設(shè)計(jì)實(shí)例簡析
某車銑復(fù)合加工中心設(shè)計(jì)的操作面板如圖4所示。這款操作面板整體布局清晰,通過區(qū)塊對操作區(qū)域作了明確的劃分,整體觀感協(xié)調(diào),重點(diǎn)突出。
面板在設(shè)計(jì)中注意多功能按鍵指向清晰。通過按鈕上字的不同顯示表現(xiàn)不同的輸入狀態(tài),清晰明了;按操作動作劃分了區(qū)域,其中按鈕區(qū)與旋鈕區(qū)分開可以有效降低誤操作的幾率;高頻率使用或重要功能按鈕設(shè)計(jì)明晰,如急停按鈕以紅色為主、黃色為底,分外鮮明,布置的位置位于左下角,既能快速找到又不容易誤觸。而綠色的啟動按鈕作為經(jīng)常操作的按鈕,則設(shè)計(jì)位于右手最容易達(dá)到的位置。
面板設(shè)計(jì)完成后在數(shù)字樣機(jī)中進(jìn)行了虛擬組裝,面板中心離地高度1497.84mm,傾斜角為10°。
2、基于Manikin進(jìn)行人機(jī)虛擬校驗(yàn)
Creo Manikin是PTC(參數(shù)化公司)Creo產(chǎn)品自帶的人機(jī)分析模塊??梢詭椭O(shè)計(jì)者在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期根據(jù)多個(gè)定量的人因、工作場所標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則測試設(shè)計(jì)方案。
Manikin允許設(shè)計(jì)人員將虛擬人體模型添到產(chǎn)品的裝配場景中,同時(shí)定義該模塊提供的精確人體特征和力學(xué)特征,例如體態(tài)、視野、運(yùn)動類型、力和舒適度等??梢葬槍σ欢ㄐ詣e和人種的基本數(shù)據(jù)對模特進(jìn)行自由定義與操縱,幫助設(shè)計(jì)人員更好地了解產(chǎn)品與人(包括用戶、銷售者、安裝者和維修者等)之間的關(guān)系。
Manikin共包含人體模型放置、運(yùn)動、視效、人機(jī)分析和任務(wù)分析五大功能模塊,如圖5所示。
在本例中,將通過插入人體模型、定義工作狀態(tài)、視野與舒適度評價(jià)的流程為設(shè)計(jì)完成的數(shù)控機(jī)床控制面板進(jìn)行校驗(yàn)。
(1)插入人體模型
在Creo環(huán)境中利用“插入人體模型”工具插入一個(gè)人體模型,模型名為“m cn 50.asm”,即為中國男性18~60歲第50百分位的人體數(shù)據(jù),其身高為168cm,體重為59kg,符合國標(biāo)GB1000-88的規(guī)定。將該人體模型的站立平面(StandOn)設(shè)置為機(jī)床模型放置的地平面,并調(diào)整模型的面向正對機(jī)床,設(shè)置人體模型到機(jī)床的距離為最佳適合操作距離800mm。
(2)定義人體模型的工作狀態(tài)
通過定義手指的狀態(tài)及到達(dá)包絡(luò),將人體模型設(shè)置為抬手操作面板的工作狀態(tài)并制作快照,如圖6所示。
(3)舒適度分析
Manikin可以分析機(jī)床操作員在一定姿態(tài)下手的操作舒適度,也稱為RULA(Rapid Upper Limb Assessment)分析,通過系統(tǒng)的得分計(jì)算判定,分析結(jié)果為1-7分,其中分?jǐn)?shù)越小,舒適性越佳,1-2分為較理想的分析結(jié)果。在本例中,操作人員右手操作面板的舒適度分析得分為1分,舒適性非常好,符合人機(jī)工程學(xué)要求。
(4)視野與視覺窗口分析
車銑復(fù)合加工中心特殊的操作環(huán)境決定了良好的視野對于操作員觀察面板、觀察工件的重要性。Manikin的視野分析功能是以人體模型的眼橢球?yàn)榛A(chǔ),分別基于靜態(tài)眼橢球的視野范圍和眼睛最大轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)的視野范圍進(jìn)行分析。本例中,操作員視野能有效覆蓋面板主要控制范圍,眼橢球左右旋轉(zhuǎn)能便捷切換到觀察窗口,符合操作要求,操作員當(dāng)前角度視覺窗口如圖7所示。
五、結(jié)論
本文分析了數(shù)控機(jī)床控制面板的設(shè)計(jì)思路,通過實(shí)例設(shè)計(jì)了一款車銑復(fù)合加工中心的控制面板并進(jìn)行了虛擬安裝,同時(shí),也通過CAD/CAM軟件的人機(jī)分析模塊進(jìn)行了校驗(yàn),對面板的操作舒適性及人體視野范圍進(jìn)行了分析,得到了較理想的結(jié)果。
案例基于數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)分析的理念展開研究實(shí)踐,對于其他數(shù)字化產(chǎn)品的人性化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。