基于人机工程的数控机床设计毕业设计说明书

1、南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)作 者： 朱玉卿 学 号： 201090708 系 部： 机械工程学院 专 业： 工业工程 题 目： 基于人机工程的数控机床设计 指导者： 王云霞 副教授 王志亮 副教授 评阅者： 2013 年 6 月 南 京南京工程学院毕业设计说明书（论文）中文摘要目前数控机床在制造行业中被使用的越来越多，但是机床的使用效率却一直不尽如人意，看上去是操作者使用不当导致的，但归根结底是由于机床在设计的时候就存在了一些问题。比如机床的尺寸设计的不合理，使得使用者操作时身体不舒服；机床控制面板颜色比较单调，使得操作者长期看着面板会觉得眼睛疲劳；机床整体造型存在不足之处，

2、给人一种陌生、距离感；操作环境也不怎么舒适，不利于操作者的长期作业。因此运用人机工程学的相关知识，考虑人体尺寸、色彩心理学等知识，对机床进行以人为本的设计。设计过程中，先对现有机床进行尺寸测量，然后运用ug软件建立初始模型，最后运用人机工程的知识对机床的基本尺寸、控制面板、操作环境和整体造型行进改进设计，使得人-机-环境三者之间做到相互协调，从而提高人机系统的工作效率。关键词：数控机床，人机工程，设计外文摘要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 录前言1第一章 绪论21.

7、1 课题背景21.2 课题意义21.3 国内外研究现状31.4 课题内容4第二章 人机工程学与数控机床关系62.1 人机工程学概念62.2 人机工程学发展史62.3 人机工程学研究内容72.4 人因工程学的研究方法82.5 数控机床的人机工程学设计8第三章 模型的建立93.1 主要尺寸测定与分析93.2 原始模型建立93.3 机床的不足11第四章 基本尺寸设计134.1 基本操作姿势134.2 数据使用方法134.3 基本尺寸设计154.3.1 控制面板154.3.2 面板显示屏164.3.3 门把手18第五章 人机界面设计205.1 人机界面概述205.2 显示器设计215.2.1 刻度线2

8、15.2.2 字符225.2.3 显示屏设计235.3 控制器设计255.3.1 旋钮设计255.3.2 按钮设计255.3.3 安全设计275.4 色彩设计27第六章 操作环境的设计296.1 环境色296.2 照明环境306.3 微气候环境33第七章 模型优化与改进35第八章 总结与展望378.1 论文总结378.2 论文展望37参考文献39致谢40ii前言随着国内制造行业的迅速发展，数控机床被使用的越来越多，机床的使用效率直接关系到了企业的效益，因此研究如何提高机床使用效率被越来越多的企业所重视。而人作为机床的使用者，在机床的运行过程中起着主导作用，直接关系到机床的工作效率。目前机床在使

9、用过程中存在以下一些问题：如机床面板过高，操作者的手臂需要抬高，不利于长久作业；面板颜色呆板，字迹模糊，增加了使用者辨认的难度等等。因此考虑人的因素对机床进行设计显得迫在眉睫。人机工程学是一门研究人-机-环境三者之间相互关系的学科，是一门旨在提高系统运行效率的学科。而且该学科在发展的过程中结合了生理学、工程心理学、人体测量学、劳动学、系统工程学等学科的知识和成果，形成自身的理论体系、研究方法、标准和规范，研究和应用范围广泛并具有综合性。该学科的研究目的在于设计和改进人-机-环境系统，是系统获得较高的效率和效益，同时保证人的安全、健康和舒适。在了解数控机床的基础上，使用人机工程学相关知识对机床进

10、行改进设计，能够使得机床满足人的需求，提高操作者使用的舒适度，提高工作效率。第一章 绪论1.1 课题背景数控机床是现代高科技机电产品的一种重要设备,正在被广泛地应用于加工制造业的各个领域，而随着微电子技术和计算机技术的发展,现代数控机床的应用领域也日益扩大，相应地对提高数控机床效率的研究也越来越被人们所重视。数控机床的工作质量不但取决于机器本身的性能和质量,还取决于操作者,也就是取决于该系统中人机系统的功能质量，只有当操作者与机器的节奏相协调时才能发挥出最高的效率。然而目前在设计数控机床的时候由于很少从人机工程方面进行考虑,对人机系统缺乏必要的实验和研究,造成直到机器生产出来投入使用时,才发现

11、由于人机系统不合理,导致操作人员不能舒适地使用机床，使得机器的效率不能很好发挥出来,甚至危及操作者人身安全。最后不得不付出很高的代价,拖延大量时间对机器进行改造,这种修补又难以使人机关系得到彻底改善【1】。针对这种情况从人机工程的角度对机床外观造型进行设计改善。1.2 课题意义通过运用人体测量学、色彩心理学的知识对数控机床各外观部件的结构、色彩效果进行分析改进，进而能够让用户在操作的时候处于舒适、准确和高效的工作状态。同时运用人机工程学理论对机床的整体造型进行分析，使得机床造型与环境处于和谐状态，机床造型清新优美、人性化能够给人心理与生理一种安全感。通过这一系列的改进能够使得机器具有“情感”，

12、变得易学、易懂、易操作，拉近人与机器的距离，让用户在操作机床的时候能够更加的舒适方便【2】。这样不但提高了人机效率，而且还减少了机床维修的成本，提高了国内数控机床在国际上的市场竞争力，更推动了数控机床的向前发展。1.3 国内外研究现状科学技术的高度发展已经逐步渗透入机床设计领域, 现代机床设计全过程的计算机化程度也越来越高, 可以说机床设计已经逐渐步入了计算机辅助设计阶段, 而属于机床设计一个重要组成部分的人机工程设计也应当利用计算机辅助的手段获得进一步的发展。目前流行的设计方法是计算机辅助人机工程设计caed（computer aided ergonomic design）, 即在计算机及其

13、相应的计算机辅助人机设计系统的支持下, 进行工业设计领域内与人机工程相关的各类创造性活动【3】。现在国际上计算机辅助人机工程设计领域的研究热点主要在于人机工程设计软件的开发方面。国际上一些大的汽车公司在通用的商业cad/cam 软件基础上开发自己的车身布置专用软件,例如基于catia的ramsis软件等。最早致力于数控机床布置研究的英国某小组已经研究出了多个计算机辅助控制面板布置程序，如automat、nulisp、capable等。国外的数控机床已经开始实现了机电一体化。机电一体化是在信息技术的迅速发展、向机械工业领域迅速渗透、机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合运用各种先进技术，从

14、系统理论出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间信息处理、能量变换进行研究，使得整个系统有机结合于综合集成，并在有序信息流的控制下，形成物质与能量的有规则运动，在高功能、高质量、高性能等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统的工程技术。近年来我国的一些大学和研究所作了研究与探索工作，一些新的机床设计研究方法也相继出现，例如昆明理工大学机电工程学院相关研究人员研究过基于人机工程学的数控机床控制面板设计和机床造型设计，但仅限于一般性设计理论的提出,并未将其应用化,且其研究内容并不包括人机检测部分。湖南大学赵江洪教授所带领的科研

15、团队开发了数控机床icaid原型系统, 该系统重点是针对网络环境下的数控机床设计而开发,在人机设计方面更为注重的是设计知识参考的提供和操作过程的研究,在人机检测和视域设计方面的研究尚未涉及到【3】。我国对于数控机床首创了xnzd2415型数控龙门混联机床，该机床充分吸收并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点，通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门，在并联平台上附加两自由度串联机构的a、c轴摆角铣头，配以工作台的纵向移动，可完成五自由度的运动。该构型为国际首创。由上述国内外对数控机床的人机工程设计研究现状可以看出国内对机床的人机研究与国外存在着一定的差距。国内在研究较多的软件u

16、g 上所开发的人机模块多是针对汽车行业的,专门针对机床产品的人机检测的软件模块非常少见，而且某些研究方法还不够完善，需要在人机研究方面给予更多的关注。1.4 课题内容1提出：在整个人机系统中机床要由人操作使用来实现其功能，机床功能的实现很大程度上取决于人使用的好坏，而人机交互的过程影响着操作者使用机床的状态，因此使用人机工程学对机床造型进行改善，让机床以易懂、安全、舒适、亲切的方式呈现给使用者，为使用者创造良好的人机交互环境。在对机床造型进行改善设计时，根据数控机床的工作功能与操作特点，对其进行人机工程学的系统研究，分别从数控机床外观造型人机分析、数控机床控制面板人机界面研究、机床色彩人性化设

17、计研究、机床标牌人性化研究等方面进行研究，使机床设计在其功能性、操作性的基础上加入人的因素，将人作为设计的主题，做到以人为本。2解决方法：ug软件建模，用一定的测量手段对数控机床的关键尺寸进行测量，然后运用ug软件根据测量得到的数据建立机床模型，根据模型分析机床关键尺寸是否满足人体尺寸要求，最后再根据分析结果提出改进。3设计内容：数控机床通过机床门、控制面板、观察窗等外观部件以及机床的着色效果给人以直观的感受 ，能够直接影响到用户的生理心理状况。在课题中针对这些影响因素，采用一定的测量技术测量其关键尺寸，通过ug软件建模分析机床是否满足人体的关键尺寸，根据分析结果提出改进方案。为了让用户能够舒

18、适轻松的使用机床，在人体测量学、色彩心理学的基础上对机床的操作面板、观察窗、把手等部件进行造型及尺寸的改进，使得机床各外观部件与机床整体造型相协调，机床整体造型与外部工作环境相协调。除了机床的造型尺寸与人的感觉直接相关，机床的着色效果也对用户的心理产生直接的影响。根据机床的外观部件的不同功能、对机床整体功能的影响程度，进行特殊的色彩处理，使得用户能够获得心理安全感，并且能够根据颜色迅速获取机床表达的信息，提高人机系统的效率。第二章 人机工程学与数控机床关系2.1 人机工程学概念人机工程学就是按照人的特性设计和改进人-机-系统的科学。为了实现人-机-环境之间的最佳匹配，人机工程学把人的工作优化问

19、题作为追求的重要目标。其标志是使处于不同条件下的人能够高效、安全、健康、舒适地工作和生活。2.2 人机工程学发展史自从有人类文明开始，人类社会中就一直存在人机工程的影子。最早时期的猿人使用石器，就是为了能够使自己的力量得到最大的发挥，从而增加自己的存活能力。当时都是出于懵懂的需求，人机工程还没有形成规范。直到进入了20世纪，人们开始了对工效的研究。当时进行了著名的铁铲实验、时间研究实验，还进行了动作研究、作业疲劳研究、工作站设计等。这个时候虽然已经孕育了人机工程学的思想萌芽，但人机关系总的特点是以机器为中心，通过选拔与培训使人去适应机器。人机工程真正兴起的时间是一战到二战之间，这个时期开始了对

20、工效的研究，而且还应用了心理学的知识。自“霍桑实验”后，研究提高工作效率时开始重视情绪、动机等社会因素的作用。从第二次世界大战到20世纪60年代，人机工程进入了成长时期，这个时期开始了人机关系的研究，从使人适应机器转入到使机器适应人的新阶段，为人机学的诞生奠定了基础【4】。20世纪60年代以后，人机工程学进入了一个新的发展阶段，这个时期人因工程学的发展有三个基本趋向：1、研究领域不断扩大。2、应用的范围越来越广。3、在高技术领域中发挥作用。2.3 人机工程学研究内容人机工程学的研究包括理论研究和应用研究两个方面，但学科研究的总趋势侧重于应用。人机工程的根本研究方向是通过揭示人-机-环境之间相互

21、关系的规律，以确保系统总体的最优化。其主要内容可概括为以下几个方面【4】：研究人的生理与心理特征。人的生理、心理特性和能力限度，是人-机-环境系统优化的基础。研究人机系统总体设计。人机系统的效能取决于它的总体设计。系统设计的基本问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地进行信息交流等问题。研究人机界面设计。在人机系统中，人与机相互作用的过程，就是利用人机界面声的显示器与控制器，实现人机信息交换的过程。显示器是向人传递信息的装置，控制器则接受人发出去的信息。显示器研究包括视觉、听觉、触觉等各种类型显示器的设计，同时还要研究显示器的布置和组合问题，使其与人的感觉器官特性相适应。控制器设计研

22、究包括各种操纵装置的形状、大小、位置以及作用力等在人体解剖学、生物力学和心理学等方面的问题，使其与人的运动器官特性相适应。保证人与机之间的信息交换迅速。准确，从而实现系统优化研究工作场所设计与改善。工作场所设计的合理性，对人的工作效率有着直接影响。该项研究的目的是使人的工作条件合理，工作范围适宜，工作姿势正确，达到工作时不易疲劳、方便舒适、安全可靠和提高效率的目的。研究工作环境及其改善。任何人机系统都处于一定的环境中，因此人机系统的功能不能不受环境因素影响，人与机相比，受影响的程度更大。该研究的目的是为人创造安全、健康、舒适的作业环境，提高人的工作、生活质量，保证人-机-环境系统的高效率。研究

23、作业方法及其改善。作业是人机关系的主要表现形式，也是人机系统的工作过程，只有通过作业才能产生系统的成果。人机工程主要研究人从事体力作业、机能作业和脑力作业时的生理和心理反应、工作能力及信息处理特点，该研究目的是寻求经济、省力、安全、有效的作业方法，消除无效劳动，减轻疲劳，合理利用人力和设备，提高系统效率。研究系统的安全性和可靠性。人机系统已向高度精密、复杂和快速化发展，像这种系统的失效将可能产生重大损失和严重后果。实践表明，系统的事故绝大多数是由人为失误造成的，因此研究人为失误的特征和规律，寻找导致人为失误的各种因素，变得很重要。研究组织与管理的效率。人-机-环境系统的研究应与组织、管理、文化

24、和社会相适应。2.4 人机工程学的研究方法研究方法在科学发展中具有重要作用，只有掌握科学的研究方法才会使研究工作取得预期的成果。人机工程学是由多学科交叉形成的，应用领域非常广泛，因此其研究方法也很多。其常用的研究方法有：调查法、观测法、实验法、心理测量法、心理测验法和图示模型法，此外人机工程的研究方法还有很多，如工作研究、模拟法等相关学科的研究方法。2.5 数控机床的人机工程学设计让人适应机器的时代已悄然而去，现在由于人机相互不够协调而工作效率低下的问题越来越被人们所重视，如何提高人机效率成为了一项重要的课题。人机工程就是一门旨在以人为出发点进行人-机-环境改善，提高系统效率和效益，同时保证人

25、的安全、健康和舒适的一门学科。利用人机工程对数控机床进行设计，使得机床以适应人为出发点，提高使用者操作舒适度，提高效率。在使用人机工程学相关知识对机床进行设计时，主要从生理上与心理上进行设计。生理上主要是基于人体尺寸的机床尺寸设计、人机界面设计，心理上的设计则使用色彩心理学进行机床的着色处理、整体造型设计，机床外部的操作环境设计则与生理、心理均有关联。大量查阅资料后以标准的规范对机床进行设计，使其满足人的生理、心理需求，则操作者在工作的时候会心情愉悦，提高人-机-环境系统的效率。第三章 模型的建立3.1 主要尺寸测定与分析对南京迈顺数控机床用卷尺进行尺寸采集，测量误差控制在5mm之内，测量关键

26、尺寸如下：控制面板：宽400mm,高405mm，中心高1525mm，分两块，上半部分高150mm,下半部分高250mm；显示屏：高112mm，宽150mm，中心高1635mm；观察窗：高575mm，宽450mm，中心高1245mm；门把手：直径23mm，长450mm，中心高1195mm；查第四章节表4.2基本人体尺寸得到：男性50百分位眼高为1568mm，肘高为1024mm；女性50百分位眼高为1454mm，肘高为960mm。结论：显示屏中心高1635mm 肘高1568mm，故显示屏偏高；面板中心高1525mm 肘高1024mm，故控制面板偏高；肘高1024mm在门把手可调范围970mm141

27、0mm内，故门把手尺寸合理；观察窗中心高1245mm,低于人眼高1454mm,符合人们的工作姿势要求。3.2 原始模型建立使用ug nx8.0对数控机床建立原始模型，ug是一款功能强大的三维画图软件，能够详细的模拟出机床环境，用ug画出的模型如图3-1、图3-2所示：图3-1 原机床ug模型图3-2 原机床控制面板3.3 机床人机工程方面的不足根据章节3.1对该机床关键尺寸的分析结果，结合图3-1与图3-2，发现其有以下不足之处：1、机床控制面板过高，大多数操作者操作时手臂上举，这样会加快操作者的疲劳程度。2、显示器过高，大多数使用者仰视着屏幕，长期如此操作，操作者会感到脖子酸疼，眼睛疲劳。3

28、、控制面板与机床平行，当操作者加工零件时，眼睛在面板与零件之间转动角度过大，会加快眼睛疲劳速度。4、机床色彩过于单调，而且面板色彩对比不明显，易使人视觉疲劳。5、面板按键磨损，有些按键上的符号不清晰，且按键使用时有点吃力。6、面板布局存在不合理的地方，应将旋钮并排放在近视野范围内，降低辨认难度。7、观察窗玻璃透明度偏低，增加了眼睛观察工件的难度。第四章 基本尺寸设计数控机床是现代高科技机电产品的一种重要设备,正在被广泛地应用于加工制造业的各个领域，运用人机工程学的相关知识，以标准人体尺寸来设计机床尺寸，让机床符合人的需求，提高人机工作效率。4.1 基本操作姿势操着者使用数控机床采用立姿工作体位

29、，该体位具有以下特点：可活动的空间较大；需经常改变体位，立位比频繁起坐消耗能量少；手的力量增大，即人体能输出较大的操作力；减少作业空间，能够较好的使用有一定高度的显示器、控制器。不易进行细致和精确的作业；不易转换操作，立姿时肌肉要做出更大的功来支持体重，容易引起疲劳；长期站立容易引起下肢静脉曲张等。操作者操作机床时，身体站直与机床保持一定距离，右手操作面板，双眼在显示屏与工件之间来回关注；更换工件时，需要移动身体，手与肘持平并握住门把手推拉机床门。4.2 数据使用方法在对数控机床进行基于人机工程学设计的时候，使用标准人体尺寸数据时，采用以下使用准则：使用最新人体数据准则。合理选择百分位和适用度

30、准则。平均性准则。可调性准则。功能修正与最小心理空间相结合准则。有关标准公布的人体数据是在裸体、不穿鞋的条件下测得的，而设计中所设涉及的人体尺度是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽条件下的人体尺寸。因此，考虑有关人体尺寸时，必须给衣服、鞋、帽留下适当的余量，也就是应在人体尺寸上增加适当的着装修正量。所有这些修正量总计为功能修正量。于是，产品的最小功能尺寸可由下式确定 xmin = xa + f (4-1)式中，xmin为最小功能尺寸（mm）；xa为第a百分位人体尺寸数据（mm）；f为功能修正量。功能修正量随产品不同而异，通常为正值，但有时也可能为负值。对于着装和穿鞋修正量可参照表4.1中的数据确定。对姿势

31、修正量的常用数据是：立姿时的身高、眼高减10mm,坐姿时的坐高、眼高减44mm。考虑操作功能修正量时，应以上肢前展长为依据，而上肢前展长是后背至中指尖点的距离，因而对操作不同功能的控制器应作不同的修正。如按钮开关可减12mm;推滑板推钮、搬动搬钮开关则减25mm。【5】表4.1 正常人着装和穿鞋修正量项目尺寸修正量/mm修正原因站姿高2538鞋高坐姿高3裤厚站姿眼高36鞋高坐姿眼高3裤厚肩宽13衣胸宽8衣胸厚18衣腹厚23衣立姿臂宽13衣坐姿臂宽13衣肩高10衣（包括坐高3mm及肩7mm）两肘间宽20肩-肘8手臂弯曲时，肩肘部衣物压紧臂-手5结合上述人体尺寸使用准则，利用表4.2中的一些基本人

32、体尺寸进行机床尺寸改进，得到更加合理的尺寸，使得操作者能够更加舒适的工作，提高效率。表4.2 基本人体尺寸 性别 项目男女5%50%95%5%50%95%身高158316781775148415701659上臂长289313338262284302前臂长216237258193213234眼高147415681664137114541541肘高954102410968999601023肩高128113671455119512711350手功能高216237258193213234肩宽344375403320351377最大肩宽398431469363397438手长17018319615917

33、1183手宽768289707682立姿双手上举高197121082245184519682089立姿双手功能上举高186920032138174118601976立姿双手左右平展宽157916911802145715591659立姿双臂功能平展宽137414831593124813441438立姿双肘平展宽816875934756811869注：尺寸均为裸体测量结果，设计时应根据各地区不同的着衣量进行修正4.3 基本尺寸设计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离进行操作的，所以控制面板的尺寸可以由表4.2基本人体尺寸并结合图4-1的立姿作业范围来确定。图4-1 立姿作业范

34、围距离设计：操作者工作时与面板的距离根据前臂手前伸长来确定，考虑其属于可触及类距离设计，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，得到人与面板的距离是（383 + 416）/ 2 = 399.5mm,考虑人工作时的姿势修正，最终得到人与面板的工作距离是400mm.高度设计：由图4-1得立姿舒适的工作高度为1100mm1370mm,再根据立姿时的鞋厚修正量30mm、姿势修正量10mm,由公式xmin = xa + f求得修正高度是1300mm1670mm，最终尺寸需要进行面板详细设计后确定。 宽度设计：由图4-1得知立姿时在580mm范围内操作者都能够比较舒适

35、的工作，因最终尺寸需要进行面板详细设计后确定，故先将控制面板的宽保留为原始尺寸400mm。4.3.2 面板显示屏以人为本的显示器设计，主要考虑眼高、人眼视野等。人在观察目标的时候，如果目标小于380mm会发生目眩，大于760mm时细节看不清，在560mm处最为适宜。操作者在操作面板时，眼睛离显示屏的距离在400mm左右，符合上述要求。高度设计：人立姿时的视野在视平线以下10左右，显示屏的高度应该在这个范围内，这样能够让眼睛舒适的视物，减少眼睛的疲劳。图4-2 垂直视野尺寸高度类设计使用平均性准则。男性50百分位眼高是1568mm,女性50百分位眼高是1454mm，平均眼高为（1568 + 14

36、54）/ 2 = 1511mm，人站立时的穿鞋修正量是36mm,姿势修正量是10mm，根据公式（4-1）求得最小眼高尺寸为xmin = 1511mm + 36mm10mm = 1537mm。如图4-2所示，显示屏下限高为1537mm 145.5mm = 1391.5mm，所以最终将显示屏安放在1391.5mm1537mm高度范围内，能够让操作者舒适的观察显示屏，考虑到心理修正量，最终将高度定为1390mm1510mm，高120mm。宽度设计：当人的头部和眼球都固定不动时，视野在水平方向1.53内辨认物体最清晰，为中心视力范围；318内视物暂短，比较清晰，为片刻视力范围；1830内必须集中注意力

37、，才能看清目标，为有效视力范围。 图4-3 水平视野尺寸如图4-3水平视野尺寸所示，当人离目标400mm时，中心视力范围在22.7mm以内；片刻视力范围在22.7mm127.5mm；有效视力范围在127.5mm227.2mm。操作时眼睛应该转动较少的角度、使用较少的时间来定位目标，故将显示屏的边缘设置在有效视力范围内靠近127.5mm的地方。考虑视野余量最终确定宽度为155mm。4.3.3 门把手门把手主要用于操作者推拉机床门。在使用把手的时候，操作者用手握住把手，前臂以肘关节为转轴转动，从而推拉把手。故根据肘高来确定把手中心高度，根据手掌尺寸确定把手直径。高度：在章节3.1中已经初步分析过把

38、手的高度尺寸970mm1410mm满足人们的工作需求，现在作详细的分析：由表4.2知男性的肘高为1024mm,女性肘高为960mm，平均肘高为（1024 + 960）/ 2 = 992mm，查表4.1得到人立姿穿鞋修正量是36mm，得到最小功能肘高为992mm + 36mm = 1028mm，在970mm1410mm范围内，所以门把手高度采用原始尺寸。当手握住门把手时，若其直径过小，会容易引起肌肉过度紧张；直径过大，则手难以握牢。因而查有关资料得到合理直径为12.5mm25mm,最大不超过75mm。因而保留原把手直径尺寸23mm。设计好的门把手如图4-4所示：图4-4 把手设计效果图第五章 人

39、机界面设计5.1 人机界面概述人机界面设计在数控机床设计中有着极其重要的地位，若人机界面设计不合理会容易导致操作人员的操作失误，降低系统运行的效率。在人机界面上，向人表示机械运行状态的仪表或器件叫显示器，供人操纵机械运转的装置或器件叫控制器。对机械来说，控制器执行的功能是输入，显示器执行的功能是输出。对人来说，通过感受器接受机械的输出效应（如显示器所显示的数值）是输入；通过运动器操纵控制器，执行人的意图和指令则是输出。如果把感觉系统、中枢神经系统和运动系统为人的三要素，而把机械的显示器、机体和控制器作为机械的三个要素，并将各要素之间的关系用图表示出来，叫做人机界面三要素基本模式【6】，如图5-

40、1所示：图5-1 人机界面基本模型人机界面设计主要是指显示器、控制器以及它们之间的关系的设计，应使人机界面符合人机信息交流的规律和特性。由于机器的物理要素具有行为意义上的刺激特性，必然存在最有利于人的反应刺激形式，所以人机界面的设计始终是以系统中的人为主体的。5.2 显示器设计5.2.1 刻度线1刻度线高度刻度线分为长刻度线、中刻度线和短刻度线，其高度与视距有关，它们之间的关系如表5.1所示。表5.1 视距与刻度线高度视距/m刻度线高度/mm字符高度/mm长刻度线中刻度线短刻度线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已知操作者的视距是400mm,查表5.1得知长刻度线高5.6mm，中刻度线高4.1mm，短刻度线高2.3mm，字符高度为2.3mm。2刻度线宽度与间距刻度线之间的间距要适当。太小不方便试读，当小于1mm时，试读误差明显增大；而太大又不经济。当最大视距为l（mm）时，各刻度线的最小尺寸可由下列各式求出。长刻度线高度：l/90mm 刻度线宽度：l/5000mm中刻度线高度：l/125mm 短刻度线间距：l/600mm短刻度线高度：l/200mm 长刻度线间距：l/50mm已知人的最佳视物距离是560mm，由上

42、述公式求得长刻度线高度最小为6.2mm，间距最小为11.2mm；中刻度线高度最小为4.48mm；短刻度线最小高度为2.8mm，最小间距为0.93mm；各刻度线宽度为0.112mm。根据伍德森建议：各刻度线的间距应在1.143mm以上。长刻度线宽度应在0.89mm以上，中刻度线宽度应在0.76mm以上，短刻度线宽度在0.64mm以上。短刻度线宽度至少为刻度间距的23%。综合上述条件得出以下刻度线尺寸：长刻度线：高度6.2mm，间距11.2mm，线宽0.89mm；中刻度线：高度4.48mm，间距1.143mm，线宽0.76mm；短刻度线：高度2.8mm，间距1.143mm，线宽0.64mm。具体效

43、果见图5-2：图5-2 刻度线效果图5.2.2 字符旋钮周围字符的形状应简明、醒目、易读，多用直角与尖角形，以突出各个字符的形状特征，避免相互混淆。字符的大小应根据视距而定，一般字符高度可参考表5.2，也可由下式求得h = l / 200 (5-1)式中，h为字符高度（mm）；l为视距（mm）。表5.2字符高度与视距视距/mm字符高度/mm5002.550090059001800918003600183600600030已知最佳视距为560mm时，求得h=2.8mm，查表5.2得h=5mm,取大者。字符宽度=2h/3=3.33mm，字符间距=h/5=1mm。字符效果见图5-2与图5-3所示：图

44、5-3字符效果图5.2.3 显示屏设计1亮度目标的亮度越高，俞易觉察，但是当目标亮度超过34.3cd/m时，视敏度不再有较大的改善，所以目标亮度不宜超过34.3cd/m。2.呈现时间当目标呈现时间在0.0110s范围时，目标的视见度随呈现时间的增大而提高；当呈现时间大于1s时，视见度提高的速度减慢；当呈现时间大于10s时，视见度只有很小的提高。通常目标呈现时间为0.5s时，已可满足视觉辨别的基本要求；呈现时间为23s时，视觉辨认效果最佳，但占用时间太长，影响工作效率。3.余辉目标余辉是目标消失后，目标光点在平面上的停留时间，一般为36s。当扫描周期缩短时，余辉积累效应可改进余辉的能见度，提高视

45、觉效率，周围照度则以1lx时为最佳。4.目标移动速度查阅资料得知目标移动速度不应过快，控制在20/s左右较适宜。5.目标与背景关系屏幕亮度取68.6cd/m最为适宜，并且显示屏以外的照明并不是越暗越好，而是与屏幕亮度一致或稍低时，目标察觉、识别和追踪的效率高。当环境亮度超过屏幕亮度时，视觉工作效率受到明显的不利影响。周围照明颜色与目标颜色应有清晰对比。6.尺寸大小由章节4.3.1确定的控制面板大致的高度为1391.5mm1537mm，宽度为127.5mm177.5mm。控制面板上宽度方向上有11个按键和一个旋钮，每个按钮高15mm,旋钮刻度线标数直径为60mm，上八个按键间距平均2mm，下三个

46、按键间距5mm，旋钮与按键高度间隔40mm，边余量留有40mm，算得总高度定为410mm。控制面板宽度上有9个按键宽尺寸外加两个按键的宽度，每个按键宽15mm，间距为7mm， 每个按钮宽20mm，阵列间距25mm，边余量30mm，最终得到宽度为380mm。设计的显示屏见图5-4：图5-4 显示屏效果图5.3 控制器设计人通过显示器获得信息后，需要通过运动系统将大脑的分析决策结果传递给系统，从而使其按人预定的目标工作。控制器是人用以将信息传递给机器，或运用人的力量来开动机器，使之执行控制功能，实现调整、改变机器运行状态的装置。控制器是人机系统的重要组成部分，也是人机界面设计的一项重要内容，控制器

47、的设计是否得当，直接关系到整个系统的工作效率、安全运行以及使用者操作的舒适性。控制器的设计必须符合人因工程的要求也就是说，必须考虑人的心理。生理、人体解剖和人体机能等方面的特【4】。5.3.1 旋钮设计旋钮是用手指的拧转来进行操作的一种手动控制器，其大小应使手指和手与其轮缘有足够的接触面积，便于手捏紧和施力以及保证操作的速度和准确性。因此，旋钮的直径不宜太小，也不宜太大，一般以50mm为最佳。为了使手操纵旋钮时不打滑，常把手操作部分的钮帽做成各种齿纹，以增强手的扭转力。此外旋钮的形状应该便于人的使用，这有利于人对控制器的施力。设计的旋钮如图5-2与图5-5所示：图5-5 旋钮效果图如图5-5所

48、示，旋钮以手指大小为依据设置直径为3mm5.3.2 按钮设计机床面板按钮是通过手指的按压实现其功能，其主要尺寸根据人的手指端尺寸确定。用拇指操作的按钮，其最小直径建议采用19mm，用其他手指尖操作的按钮，其最小直径建议采用10mm。按钮的尺寸应按手指的尺寸和指端弧形设计，方能操作舒适。设计的按钮如图5-6图5-8所示：图5-6 按键效果图图5-7 启动停止按钮图5-8 急停按钮如图所示：将按键大小设置成15mm * 15mm，按钮设置成20mm * 15mm，急停按钮设置成直径40mm。5.3.3 安全设计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准确性、平稳性和速度以及向操

49、作者提供反馈信息，以判断操纵是否被执行，同时防止控制器被意外启动。故对控制器进行最小操作阻力设计，手动按钮最小操作阻力为2.8n,旋钮的最小操作阻力为1.7n。2.控制器的偶发启动在操作过程中，由于操作者的无意碰撞、牵拉控制器或外界震动等而引起的控制器的偶发启动。为了避免控制器被无意碰撞或牵引而引起的意外驱动，造成伤人事故，在设计控制器时，应考虑以下防护措施：将控制器安装在不易被碰撞的位置；将控制器的运动方向向着最不可能发生意外用力的方向；适当增大控制器的操作阻力。一组控制器必须按正确的顺序操作时才能被启动，使控制器彼此之间具有连锁作用。5.4 色彩设计控制面板是操作者工作的时候要长期接触的地

50、方，如果面板的颜色过于单调，或者搭配的不合理，那么操作者就会容易有压抑感、易疲劳，这样就会降低工作效率，提高犯错率，甚至会有发生事故的危险。因此，在设计控制面板的时候，要给予色彩处理足够的重视。1.安全色对于长期在机床面前工作的人们，很容易有疲劳感，注意力不是十分集中。所以部分重要的显示装置要能够比其他的更加能够引起注意，而且不需要操作者通过思索就能明白它们所要表达的关键信息。机床面板的急停按钮和停机按钮表达了禁止、停止、危险的意思，需要操作者能在第一时间明白它表达的含义，所以将急停按钮和停机按钮设置成红色，并且为了能够让红色急停按钮更加明显将急停按钮的背景设置成黄色，而且黄色能够提醒人们注意

51、。将开始、启动按钮设置成绿色，绿色传达给人们允许、安全的信息。设置了安全色后，操作者能够迅速的对它们采取措施，提高了人们辨认的速度，提高了工作效率，增强了安全性。2.色彩搭配针对数控机床控制面板，从提高操作者舒适度出发，对其进行色彩的处理：对于面板的旋钮，将其设置成黑色，指针设置成白色，刻度盘设置成黑色，字符设置成白色，这样能够使得目标事物与周边环境形成鲜明对比，提高人们的辨认速度，提高判读的精确度。对于按键，将字符设置成黑色，按键设置成白色，这样让操作者做输入操作时，能够迅速地找到要找的按键，提高指令输入的效率。对于整个面板，将其设置成灰色，突显出面板上需要注意的部件。设置后的效果如图5-9

52、所示：图5-9 控制面板效果图第六章 操作环境的设计 对人机系统的研究包含对人、机器和环境的研究，前面的章节已经对人机进行了相关的设计，本章节针对人机工作的环境进行简要的设计，使得人-机-环境能够相互协调，以人作为设计的出发点，使得操作者在使用机床的时候拥有一个良好的工作环境，这样提高了人机系统整体的和谐度，提高效率。6.1 环境色色彩能够使人产生温度感、轻重感、硬度感、胀缩感、远近感等物理感觉，能够引起人的情绪变化，因而色彩对人的心理有着一定的调节作用，并且会表现在生理上。工作的环境对人的生理有着很大的影响，而调节环境属物理调节方式来的最为直接迅速，但是相应的有着比较高的代价；而心理与生理在

53、一定程度上是相互影响的，所以也可以通过对心理的调节来影响操作者的生理感受。与物理调节方式相比，利用色彩对环境因素进行调节，不需要追加成本，更不会消耗资源，并且色彩是直接作用于人的心理，只要是操作者能够看得见的地方，都能够有效的发挥作用。操作者工作的环境都需要布置环境色，这样能够使得色彩调节有效的发挥作用，环境色的布置应满足一下要求：应使环境色形成的反射光配合采光照明形成足够的明视性。应像避免直接眩光一样尽量避免施色涂层形成的高光对视觉的刺激。应形成适合作业中的中高明度的环境色背景。应避免配色的对比度过强或过弱，保证适当的对比度。应避免大面积纯度过高的环境色，以防视觉受到过度刺激而过早产生视觉疲

54、劳应避免如视觉残像之类的虚幻形象出现，保证生产安全。【5】根据上述要求我们对数控机床进着色处理，处理效果如图6-1所示：图6-1 机床着色效果如图6-1所示，将机床的底座设置成黑色，将机身设置成白色，机床门设置成蓝色。黑色使人联想到重质量的物体；白色和蓝色则给人以沉静感，可以抑制人的情感和情绪，使人沉着和冷静，有利于人们长期工作；采用多种色彩，可以减少人们视觉疲劳的速度；机床身使用白色，与底座黑色形成对比，给人下重上轻的感觉，使人有安全感。6.2 照明环境工作环境的照明环境对工作有这一定的影响，工作环境若是照明不好，则会造成工作者的疲劳，工作效率低、效果差。明度不好，由于反复努力辨认，造成视觉疲劳。改善照明条件不仅可以减少视觉疲劳，而且也会