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1、基于需要层次的数控机床外观造型设计 谢钰杨维平黄江杰 ( 昆明理工大学机电工程学院 云南 昆明 6 5 0 0 9 3 ) 【摘 要】本文从使用者需要层次的角度出发，对数控机床的外观造型进行了需求层次分析和造型设计分析，结合 T H 5 6 5 0 数控机床的外观设计，阐述了在外观造型设计中应考虑使用者不同层次的需要，并把各种需要融入到设 计中。 【关键词】需要，数控机床l 外观造型；设计；人机工程 1 引言 数控机床具有高精度、高速度、高效率和高自 动化且能适应多品种小批量生产的显著特点，其发 展受到国内外企业界的高度重视，从而得以迅速发 展，并已成为现代机床发展的主流方向。对于这种 特定的
2、机械加工设备而言，以人为本的设计不只局 限在改善人一机一环境系统的协调、统一关系，还 包括：有利于满足审美的心理与精神上的需要。因 此，设计师必须把“以人为本”的观念贯穿于产品 设计的全过程，也就是以人为中心展开设计，满足 人不同层次的需要。 2 需要层次分析 数控机床的设计，从人的需要角度来看，与之 最为密切的需要可以归为三个层次：安全、效率和 舒适，如图1 所示。 图1 数控机床设计的三个需要层次 2 1 安全 安全是人类的基本要求，特别是在数控机床这 种高速自动化的加工设备前，人对安全的需求更为 强烈，也更为必要。安全就是没有意外，没有危险。 而在实际的生产中，有很多不安全因素存在，有人
3、 本身的失误，也有机器设计上的问题等等。从人机 工程的角度考虑，可以认为都忽视了“人”本身的 各种特性，没有以人为思考对象来考虑问题。人不 同于机器，人具有主观能动性、有智慧、有很强的 适应能力，是生产活动的主导者，但是人会疲惫， 会有情绪，会产生失误。 2 2 效率 效率是人在满足安全感之后另一需要。人机效 率主要体现在人的使用上，在人与数控机床之间， 效率是两者相互依靠和相互制约的共同结果。人一 机效率的高低，很大程度上取决于人机之间的匹配 关系。人机工程学认为人和机器之间是具有相关性 的，人机之间需要配合，并强调应首先对人本身特 性进行探讨，并根据人的特性来改善机器的设计， 以配合人的使
4、用。当数控机床的设计与使用者的各 种特性相匹配的时候，使用者就会感到使用操作的 方便，效率就会提高，反之，则效率降低，操作易 出错。同样，对效率影响也是多方面的，也牵涉到 人的各个层次上的特性分析。 2 3 舒适 舒适是人在工作时的最高要求，在一个舒适的 状态下工作，对于提高效率也是有帮助的。可以认 为舒适是一种状态，包括生理和心理两个方面。影 响舒适程度的因素也相当的多，人的生理上主要是 指体力的负荷程度，包括了对人的生理特性和操作 活动的方式、强度等因素的考虑；而人的心理负荷 就要复杂得多，不仅包括过度脑力劳动和认知活动 的考虑，还同时要考虑人的精神和情绪问题。如何 使人能获得很好的舒适感
5、是一个相对比较复杂的问 题。特别是在人与数控机床这样一个人机系统中， 人的体力负荷相对低，也便于控制和改善，但是人 的心理符合相对要高很多，首要原因是人的脑力劳 动的增加，其次是数控机床带给操作者的不可控制 的因素增加。对舒适需要的满足，也是人机工程的 目的所在。 3 数控机床外观造型设计分析 根据人们对安全、效率、舒适的需求，对数控 机床人性化设计从安全性、易操作性、形态和色彩 4 个方面进行分析。 】4 3 3 1 安全性 数控机床的安全感对于使用者有重要意义，安 全感体现在使用者的心理及生理两个方面。通过造 型语言，例如浑然饱满的整体造型、精细的工艺、 沉稳的色泽可以给人以心理上的安全感
6、；合理的尺 寸、设计能够避免无意间触动的按钮开关等可以给 人以生理上的安全感。因此，数控机床的安全设计 应该从人的各种特性出发，从人的生理特征、使用 操作和心理感受各个层次上进行探讨和分析。最终， 根据人的特征的要求对数控机床进行相应的设计和 改善，保证人使用操作的安全性，满足人的安全 需求。 要保障人的安全，那么数控机床则应具有相应 的安全保障措施和装置，在尺寸和位置上的考虑就 需要按照人的人体测量尺寸进行。例如，在半封闭 的数控机床上，为了防止切屑乱飞伤人，挡板的高 度就需要高于人的身高，在这类的设计中为了满足 所有人的要求，这个尺寸就应采用人体测量尺寸身 高的最大值作为参考依据。 在数控
7、机床的设计过程中，对安全性的考虑还 要包括人的活动姿态和范围，如装卡工件的时候， 应留有足够的空间给操作者完成操作，避免在操作 过程中发生无意的碰撞而受伤等。 从以上的分析中，可以看出人体各部分的基本 测量尺度是决定某些安全性措施设计的前提，人的 安全是对人的首要关怀。当然，人的安全保障是要 对多方面进行综合考虑的，包括人自身的因素、数 控机床的其他设计因素以及环境因素。 3 2易操作性 要满足安全、效率和舒适的要求，数控机床的 易操作性是首要的前提条件。数控机床的自动程度 越高，人的操作活动就越少，也就更加强调使用的 方便性和舒适性。对于数控机床的操作者而言，数 控机床的操作活动主要集中在工
8、件处理区和显示控 制区。 在工件处理区，人主要进行工件的装卸操 作。开门和关门就是在这个过程中经常进行的动作， 在这两个动作中，门的设计就是一个关键。把手位 置不合理就会使得人体的姿势也处于一个不舒服的 状态，从而增加人的负担。同时，把手的截面形状 和大小也影响使用的舒适度，过大或过小的截面尺 寸都会让人产生不舒适的感觉，影响人的操作过程。 显示控制区包括监控区和操作区两个区域。 在数控机床的操作活动中，显示和控制可以组合在 一起进行考虑。在数控机床中，数控面板集中了数 】4 4 控机床加工过程中的大部分操作，操作者通过控制 面板输入数据，发出指令，然后从显示器中获得数 控机床的反馈信息，然后
9、进一步修改或进行新的操 作。在这个过程中，人的主要活动为观察和按键操 作。操作者要控制按键和旋钮来指示数控机床完成 相应的工作，控制面板的位置和高度需要符合人的 尺度，如肘高，使人能方便舒适地进行操作。另外， 控制面板上的按键、旋钮和其他的控制器的设计也 会影响人的使用方便性。控制器的形状、大小和所 需力度等都应从人的角度来考虑，如手指的大小， 灵活性等。显示器是人了解数控机床进行状况的作 出判断的前提之一。显示器所显示的信息要为人所 观察，而人的眼高是在一定的范围的高度上的，因 此，显示器的位置要根据人的眼高来确定，从保证 数控机床的操作者都能准确的获取显示信息。对于 信息的获取，操作者还可
10、以通过对数控机床运行状 况的直接观察的方法，如观察窗的设计就是为了让 操作者能直接的获取所需的信息。可见，观察窗的 首要功能是让人观察，从而获得信息，那么，人眼 的高度和对可视范围的要求就是观察窗设计的基本 前提。 3 3 形态 就造型的形态而言，首先应考虑功能与形式的 统一美，应遵循“形式服从功能”和“形式表现功 能”的原则。设计应以简洁的形态和富于人情味的 线型表现内涵高新技术的数控机床，摒弃繁锁的外 观造型与装饰，强调“实用”与“美观”、“技术” 与“艺术”的高度结合与统一。 数控机床的形态在现代得到了很大的变化，造 型趋于简洁化，曲线的大量应用，这也正说明了人 的情感得到了重视。数控机
11、床的形态在很大的程度 上为机床床身的形态所决定，因此，每一种类型都 有其较为独特的造型特征，人们也能从造型上感觉 得到属于哪一种类型机床。对于数控机床的操作者 来说，每个人对形态的感觉都会有所不同，但可能 都会有某种心理的需求，比如说，安全感、稳定感 等其他的感觉。在数控机床造型设计中，造型的手 法多种多样，不同的方法会使数控机床呈现不同的 视觉效果，对于使用者来说也就会产生不同的感觉。 例如，挺直的线条会带给人一种刚劲的感觉i 直线 的转折会给人一种硬朗的感觉，但也可能会让人感 觉到一种危险感；弯曲的表面会让人感到亲切，也 可能让人感到臃肿等等，因此不同的造型总有着不 同的感觉。 3 4 色
12、彩 数控机床在很长的一段时间里，色彩的设计不 被重视- 特定的几种灰色、绿色和蓝色一度成了一 种配色的模式。随着人们对色彩的重税色彩在数 控机床设计上表现出不同的作用。 色彩在产品设计中蕴含强烈的 性化魅力。试 验表明：人们在看物体时，最初2 0 秒内，色彩的成 分占8 0 “；2 分钟后，色彩占6 。“形体占4 0 “； 5 分钟后色彩和形体各占5 0 “后这种状卷将 持续F 去。由此可见色彩在造型效果巾起着重要 的作用。 对于机床来说，其色彩要给 以舒适、高雅、 清新的感觉。色彩不宜过分单调，也不宜过分艳丽 与零乱，般采用大面积低纯度的色彩统一仝局 再选用小面积的高纯度色彩使之话跃变化，采
13、用中 性色彩来联系过渡从而达到调和统一的目的。数 控机床是精密设备色彩力求单纯，一般2 3 色为 宜，色彩越简洁醒目，整体感越强。例如，以沉着， 朴素、纯度不高的色彩为主点缀眦亮丽的色彩+ 使色彩单纯而不单调沉静而不沉闷这样的用色 温馨、古蓄、耐看，既反映数控机床精密的功能特 征，叉可使工人在使用中感觉环境舒适机器亲切 从而精神愉快稳定而集中。温馨美丽的色彩能够 体现产品对人的体贴和尊重。 4 设计实例简析 笔者设计的T H 5 6 5 0 数控机床外观造型如田2 所示图3 为加工好的T H 5 6 5 0 数控机床在昆交会 上展览外观造型设计有如下特点。 一且工 9 】j 】障罔回书 l L
14、 ：型一L 纠L 士：纠 目21H 5 6 5 0 & m ”m B 镕$ i 目 从数控机床安垒性考虑设计了正面拉门把 操作人员与加工区隔离防止切屑和工件飞出伤人， 防止切削溃飞溅出机床同时操作者可以通过观察窗 方便地观察加工匡内的加工情况所眦应特别注意正 面拉门的外形设计。拉门上、下部分分别轻有轴承滚 轮，在床身对应位置鹱有上、F 遭轨，“利于拉门的 移动。拉门分左、右两扇，其开门的大小应保证操作 者在装卸工件时有足够的空间。为了获得较佳的视 觉将观察宙u 设L f 在拉门上窗【I 采用有机玻璃封 闭形状为长方形与总体设计相协阔。 左 昊I 设计有两道拉f 】，J 上都装有有机玻璃 观察宙
15、E l 。一道门是为了便于刀库月具的更换和刃 目3 交会月曲T H 5 6 5 0 数控n 磨另一道门是为了观察机床液压系统状态( 压力、 油量等) ，添加渡压油。由于两道门不经常打开为 了使结构简单，设计成外开式门，外观形状与正面 门相同。 控制器操作面板设计放置在面门的右侧 且整个控制器可绕其左惯I 转动轴旋转o o 。这样在 输人加工程序时，操作员不需走动或转动身体就可 以方便的观察放置在工作台上的工件有利于提高 操作员输 程序的t 确性。当不输人加T 程序时 控制器厦操作面板就转阿到与机床正面平行的位置， 使机床显得比较整洁。 由于机床较高如果在外现、E 处理不当会 产生不稳定感。从数
16、控机床外形结构可以观看出 工作台前后移动的护板比较外凸，则护板吼下的机 床罩壳也应该外凸护板以上就可往内凹这样从 外观上看上小F 大给_ 几以机床重心低、稳定性好 的感觉。另外在前后工作台妁两护板中问外罩往 里凹，是为了使撵作者能尽量靠近工作台观察工件 的加工情况。 色彩设计，主色采用低纯度明色调配以小面 秘、较高纯度色与华的光泽色。机床外罩色彩采 用天蓝色为主体色门窗及机床证柱采用白色相辅， 给人“亲切、柔和，高雅、轻松明快的感觉。机床 型号、公司名称的色彩为白色，机床标志色彩为蓝 色与底色形成鲜明的对比起到“画龙点睛”的 作用。 外观造型的形志采用整体式大平板、直线、 小过渡圆角。门窗的外形也采用直线型与机床整 体外观相协调。在板与板的联接上联接螺栓在机 床内部进行联接螺栓不外露保证了机床外观的 完整性。 5 结束语 数控机床的人性化设计应该在人机工程的原 1 4 5 则指导下，探讨和应用人的行为、能力
