论数控机床造型设计的人机界面研究

刘 涛，刘 鎏

（1.东北大学，辽宁 沈阳 110819；2.沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122）

1 数控机床造型设计的人机界面理论

数控机床造型人机界面设计，是处理人与机器进行交互的操作方式，即人们通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，与机器互相传递信息的媒介，经过脑的加工、决策，然后做出反应，实现人与机的信息传递。从而建立并设计出美观易懂、操作简单且具有引导功能的人机界面系统。使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率。可见研究人机界面就是研究机器怎样适应人的有效工作的问题。在人机界面系统中，机器适应人就必须是机器怎样把信息传达给人和人怎样有效操作的交流过程。人机界面是更多的关注数控机床造型与使用者之间的关系，是产品的使用价值，是处理的是人与物的关系。

人机工程学主要为人机界面设计中人的因素提供人体尺度参数，为机的功能合理性提供科学依据，为环境因素提供设计准则，为进行人—机—环境系统设计提供理论依据。是研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与科学的方法。对于数控机床造型设计更为方便、更舒适。实用、美观、经济原则的一般需求，所以，人机界面设计的本质是实现产品使用者与产品设计者之间的人与人的适时的交流。即使用者能充分理解设计者的设计指导意图，进而正确地进行使用操作，设计者也能从使用者那里得到有效地反馈信息。

数控机床造型人机界面设计，通常表述为人与机器之间信息传递的界面，人机界面（Human-Machine Interface）是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。从而提高使用效率。另外，人机界面对于机器的设计仅限于与人进行信息交流的部分。数控机床造型人机界面设计能够真正满足使用者深层次的需求，做到人机环境的有机统一。尽量减少数控机床操作难度，使其具有功能完善、便于掌握、操作方便的“宜人”机器。

2 数控机床产品的界面要素分析

数控机床界面设计主要是通过人的视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，是人与机之间存在一个相互作用的媒介，经过人的大脑获取信息，然后做出反应的过程来实现人与机的信息传递。这种信息传递活动主要包括机械的实用性、易用性和人机交互的效率等三大属性的客观评价。用户体验则不仅着意于高工作效率，更追求使人们在工作中感到愉悦，获得情感上的满足。

2.1 数控机床界面设计中人的因素

根据数控机床设计界面的分析，人具有不同的视觉生理和心理特点，同时，人又要受到个体的文化、教育、职业、年龄、性别、地域、民族等因素的影响，必要的人也是数控机床界面需要考虑的因素，因为它设计的要与人的普遍生理、心理特征及行为习惯相符。充分研究使用人的心理特点和需要，利用人机工程学主要的原理，设计具有良好交互性的数控机床造型产品提高其使用性，为解决人机协调问题提供一个有效的途径，使数控机床界面成为功能完善、操作简便的设计产品。另外，客观对象作用于人时，人与机器之间的关系从人机界面的角度正在发生着根本的改变，人和机器（产品、环境）之间的信息交流不仅仅由理性的角度，而且更重要是由感性的角度出发来进行。人的特性和文化的内涵逐渐成为数控机床界面产品的主要特征。更加全面立体的内涵，将超越我们过去所局限的人与物关系的认识，向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时实现人机交流的手段的多样性。产品的界面信息不仅要清楚明了，还要有趣、有个性。人可以通过按钮、按键、显示屏、鼠标、键盘来控制机器。注重界面的情感特征，逐渐被设计师所重视，产品的界面起着传递产品和人之间的信息的桥梁的作用，要取得人的感情共鸣，那么这种界面就应该具有丰富的文化内涵。

2.2 数控机床设计中机的因素

数控机床设计界面的机的因素，即数控机床设计类型；

①类型：机床的类型主要取决于机床的通用程度、加工精度和机床质量，另外也与被加工零件的种类和生产批量有关；

②加工精度：加工精度主要取决于操作者操作时的精确程度，另外还与机床本身的几何精度、传动精度以及运动精度有关；

③宜人的工作环境：机床各主要部件除应布置合理外，还需满足内外功能统一和技术美学观点，操作时应舒适、易掌握，并且符合人的日常习惯及心理、生理特点。包括一下产品的几个方面等。

2.2.1 功能分析

功能表示产品所具有的效用，并被接受的能力，产品只有具备某种特定的功能才有可能进行生产和销售。因此，产品功能分析是从技术和经济角度分析，明确用户对功能的要求，以及产品应具备的功能内容和功能水平，提高产品竞争力。通过功能分析，安排合适的结构，配置相适应的材料与工艺，将这些内部因素有机叠加起来，构成界面的外在形态。界面之所以存在的根本意义，就在于传达功能信息和文化信息，也就是产品范畴的使用功能和精神功能。所以，功能是界面存在的必须和基础。

2.2.2 结构分析

结构是产品功能的承担者，也是形态的承担者，产品的大小、形状、操作方式等都要受到结构的制约。同时，材料与加工技术又制约着结构。由于材料性能和加工方式都不尽相同

2.2.3 形态分析

产品形态是承载产品内在的功能、结构、文化内涵等本质因素的外在表现因素，通过视觉而使人产生一种生理和心理过程。产品的形态与结构、材质、空间、功能等有着密切的联系，并受到以上因素的限制。

形态具有指示用户如何使用的功能。另外，形态还具有满足人们审美要求、反映一定文化内涵的功能。

2.2.4 色彩分析

色彩具有象征功能、审美功能和指示功能。界面色彩的选择主要是依据界面的功能、工作环境、人的要求等因素来决定。一般应考虑产品定位人群、产品功能结构、产品所处环境条件诸因素。

（1）要考虑产品的设计定位。不同的消费群体有不同的色彩审美观，不同色彩具有不同的感情；

（2）界面的色彩设计要突出工业品的功能结构，帮助人们识别使用范围和强调个别部件功能特征，使人机对话更直接，减轻人视力的负担；

（3）界面的色彩设计满足作业环境的要求。为了能使色彩和背景色中突出来。

2.2.5 材料与工艺分析

材料与工艺是产品的结构、色彩、形态、功能的物质技术条件。材料科学技术的发展使新型材料不断出现和应用，每一次新材料的发现和应用，都会产生不同的成型加工方法和工艺制作方法，从而导致产品结构发生巨大变化，形成新的设计风格。

不同的材料具有各自不同的表面特征，对人的视觉和触觉产生直接的影响，如肌理、光泽、光滑度、透明度等。材料的选择不仅要满足产品的功能，还要考虑其材质美，以及能够明确地向人传达某种信息，如高科技感、绿色设计理念、民族风格等。

3 数控机床界面设计原则

3.1 人机协调界面与人的交互设计原则

数控机床的设计还要有良好的人机协调需求，使操作者反应快捷，使用准确，满足人—机协调的要求。数控机床设计的人机协调需求关系，即数控机床的设计要满足使用者工作时的心理需求。“机宜人”就是要以人为系统的中心，机器应尽量满足使用者的生理、心理、审美以及社会价值观念等条件的要求。包括：信息显示既易于接受又便于做出判断；操纵系统的尺寸、控制精度、作用强度、操纵力以及位置均适合人的操作，以及界面风格符合人的审美需求等。如数控机床设计按钮区域设计为手指部分的负形，并设计有凸筋，不仅便于手握的位置、手指的定位，而且暗示它的使用方式。

3.1.1 人适机的设计原则

机器的结构有其自身的规律，在空间和时间上受到某种限制，如经济上的可行性，技术上的可行性，以及机器本身性能要求的条件等。为了适应这种情况，尽量发挥人的因素具有能动性和创造性这一特点，使人适应机器的要求，以保证人机系统具有最佳工效。

3.1.2 友好的人机界面

人机界面是实现人机交流的通道，人的知觉动作通过界面转换成机器的运作，运作的结果又通过界面返回给人。人按照自己的方式去思维和行为，机器和计算机系统按照机器的特性来运作，如何使人机有效地交流，协调完成任务，取决于人机界面的友好性。包括：显示器的可识别性、控制器的可控性、显示器和控制器的布局、人与机的结合方式等。界面信息布局合理、简洁明了；操作步骤简化，使用快捷方式，提高效率；不同的应用系统之间，以及应用系统内部的概念模式、语义、命令语言语法、显示格式、界面布局、人机交互方式等具有一致性，不同的人机界面设计要尽量减少用户记忆负担，采用有助于记忆的设计方案。

3.1.3 人机因素和环境因素相协调

人与机器的协作是在一定环境中进行的，因此，要考虑环境对人机的影响（如人的安全性和舒适性、机器工作的有效性和使用寿命等），还要考虑人机对环境的影响，（如机器的材料是否环保、人与机器交流的方式是否损害环境等），从而使人机系统更好地发挥效能，且符合可持续发展的设计趋势。

不同的使用需求使人产生不同的心理感受，人机协调的需求设计能减轻操作者工作时的疲劳感和紧张的情绪，使人工作时轻松自如，从而提高工作效率、确保工作的安全性。相反，会使操作者产生、紧张、疲劳的感觉而不利于工作，从而会降低工作效率。因此人机协调需求设计，它不仅影响数控机床的使用功能和外观的美观性，更重要的是影响到人们工作环境气氛、操作者心理等。

3.2 数控机床界面设计适应环境原则

数控机床的需求设计要考虑使用环境，即应注意使用的地理环境及工作车间内环境，使用内环境又包括温度、卫生、噪声等条件。追求整个需求的一个安全的机制，把人的感受器官、效应器官、智能和其他能量在环境中体现出来。以减小与环境的反差，因此，为了给人舒适的环境空间，因而在进行数控机床的需求设计时，要考虑产品的功能与使用环境相互的关系。由于环境因素的不同，人的需求随着环境的变化，构成了不同的需求变化。环境因素，主要是针对数字产品、人、操作环境之间的关系问题。数字产品的使用必然要受到温度、湿度、噪音及其他干扰等物理因素的影响，从而对数字产品的设计提出各种应予以考虑的问题，使环境对使用的不利影响减至最小。另外，环境应具有宜人性，使人在使用产品时能有良好的安全感、舒适感，使人的因素得到可靠的保证。各种不同的使用状态与环境，必然对数字产品在设计中有不同的要求。要考虑其造型和使用状态等与家居环境相适应。

3.3 符合界面设计审美需原则

通常是数控机床设计美学法则的形式体现。它的作用是使数控机床造型具有生动活泼的形态。增强了产品形态生动与韵律感。提高界面的艺术性要考虑界面内容的配置与空间宽裕度的保留，界面信息不宜过多，适当的留白将使整个界面看起来清楚而美观。界面信息要有主有次，利用色彩、线条、形状、大小等区分界面内容。不要使用过度复杂的形态，不要使用过多的色彩，不要使用复杂难懂的符号，尽量使整个界面简洁、美观。用理论来分析数控机床中的界面设计，绝不是指硬软件界面单纯的版式、字体、色彩等界面美术设计，还要研究产品的可用性、易用性，规划和组织各类交互信息，对用户体验进行调查和分析，对设计进行评估，使最终产品能让用户在最短时间内学会使用，并能较深入地自学，掌握全部的功能。在数控机床产品造型设计中，美感是指线条、形状、色彩、材质等方面的变化与统一，是实现数控机床产品造型设计的有效处理方法。使数控机床产品成为一个完整的造型，使产品充满生动、和谐、亲切的感觉。

4 数控机床造型界面设计应用原则

通过对数控机床造型设计中的人机界面分析可以得到结论：分析数控机床造型设计的界面要素，总结数字产品的界面设计原则，并以数控机床的设计将操作者作为主要研究对象，使操作既简便省力又迅速准确，以此来达到为操作者构建安全、舒适、高效的作业环境目的。实现产品使用者与产品设计者之间的人与人的适时交流。利用人机工程学、认知心理学、艺术设计等原理，对其界面进行创新设。将数控机床造型和传统产品的人机界面进行比较，分析各自的优缺点。并归纳数控机床造型界面设计原则，以及人机交互原则。

并对其数控机床造型界面进行创新设计，使其界面更加友好、和谐、自然，人性的关怀、文化的内涵是其中重要组成部分。从而改善人们的生活理念和生活方式，使人们更加舒适地操作。既简便省力又迅速准确，以此来达到为操作者构建安全、舒适、高效的作业环境目的。当今的数控机床界面设计。应把握人机协调完整性，着重人与机器的协调原则，在设计中将机器看作是人思想的延伸。从而使人机效能得到充分的发挥，提高系统效率，使产品的市场竞争力得到大幅度提升，为企业带来更大的经济效益。