机床造型设计中的人机尺寸应用研究

但 鹏 刘 耀 薛艳敏

（1.秦川集团西安技术研究院有限公司，西安 710018；2.西安理工大学 艺术与设计学院，西安 710018）

人机尺寸是人机工程学理论重要的组成部分，是人体测量学、人体生物力学和人体感知与信息处理3方面在人机设计中的具体应用。机床造型设计相较于普通机械造型设计更加复杂，其人机尺寸从整个加工系统、整机外部延伸到内部，需要从人-机床-环境的统一整体进行设计创造[1]，以人为本进行符合当代审美的机床造型设计[2]，通过一系列的人机尺寸优化，提升人机交互体验，进而为机床产业带来长期的链状价值。

1 数控机床中的人机尺寸

1.1 整体系统的人机尺寸

数控机床整体系统指数控机床加工单元和多辅机单元的组合形态。数控机床加工单元即机床，是生产加工的主体；辅机单元包含多种设备，如电箱、操作箱、液压装置、刀库、油冷机、排屑器、变压器及静电吸物等，可根据功能需求进行选型组合。不同的机床类型，配备的辅机单元存在很大差异。整体人机尺寸主要指加工单元与辅机间布局的合理性。加工单元与辅机单元的空间位置关系应符合《工作系统设计的人类工效学原则》（GB/T 16251—1996）中给出的工作空间设计的一般性原则。例如，排布整体布局时，部分辅机应避开人员操作区，给操作区预留出适合该位置操作方式的合适尺寸。另外，辅机间的排布在遵循以人为本的基础上应以辅机操作频率为依据，一般操作频率越高，设计顺序的优先级越高。

数控机床整体系统的视觉尺寸应遵循设计几何学中的黄金比例原则，实现各部分与整体之间协调的秩序美。在摒弃华而不实的装饰后，统筹功能部件间的距离是实现协调美的主要途径。例如，某卧式加工中心布局如图1所示，它整体采用矩形布局，大立柱所在位置刚好位于矩形分界处，将整体划分为加工区和非加工区两部分。加工单元被辅机单元环绕，加工区位于正方形中心，整体布局简洁分明，辅机单元各部分互不干扰且方便操作。这样既满足了功能需求，又实现了协调的秩序美。

1.2 机床加工单元的人机尺寸

数控机床加工单元中涉及的人员操作区域均包含相应的人机尺寸，主要分布在加工位正门和操作箱区域。结合国家标准《中国成年人人体尺寸》（GB/T 10000—1988）人体尺寸标准表和设备及用具的高度和人体身高的关系尺寸表[3]，可计算出相应位置的近似取值。设备及用具的高度和人体身高的关系尺寸表如表1所示。

表1 设备及用具的高度和人体身高的关系尺寸表

产品设计所涉及的尺寸分为3种类型。第一，Ⅰ型设计尺寸，指在设计中需要两个人体百分位数作为设计尺寸的上限值和下限值的产品设计尺寸。第二，Ⅱ型设计尺寸，指在设计中只需要单个人体百分位数作为设计尺寸的上限值或下限值。Ⅱ型设计尺寸包含了ⅡA型设计尺寸ⅡB型设计尺寸。ⅡA型设计尺寸即大尺寸设计，也被称为包容空间设计尺寸。ⅡB型设计尺寸即小尺寸设计，也被称为可及距离设计尺寸。第三，Ⅲ型设计尺寸，也被称为平均设计尺寸。

加工位正门有打开和关闭两种状态。当门处于打开状态时，门把手所处位置与相邻边框的距离参照手宽尺寸，取值为GB/T 10000—1988标准中18～66岁年龄段女性手宽第50百分位的ⅡB型小尺寸76 mm。 门把手的粗细应符合人舒适抓握的粗细程度，因为合理的把手直径能够提升抓握舒适度[4]。通常，把手直径选择Ⅲ型设计尺寸为30～40 mm，同时选择圆弧面把手，以增加把手握感的舒适度。同理，可得操作箱旋转把手的直径。门把手所在高度（文中高度均指距地面距离）应符合手部施力最佳范围，根据设备及用具的高度和人体身高的关系尺寸表中“能发挥最大拉力的高度”的3/5的比例关系，采用18～60岁年龄段第50百分位身高数值1 678 mm计算得出把手中心施力点高度约为1 000 mm，同时把手的人机尺寸应该满足视觉人机要求。综合考虑后，可将门把手扩大成范围型把手，以满足门与把手视觉比例的均衡。

双开门和单开门打开后的尺寸被称为净开门尺寸。在满足最大加工工件放入的基础上，需具备人能够通过门进入机床内部的功能，完成对机床内部检修的目的。所以，净开门尺寸不得低于ⅡA型肩宽大尺寸，即486。

当门处于关闭状态时，双开门把手间间隙不得小于30 mm。门窗和侧面观察窗大小至少应满足能够清楚看到机床内部目标可视区，所以设计尺寸应选择双限值Ⅰ型设计尺寸，即门窗高度尺寸上选择窗口下高度低于女性立姿眼高第50百分位1 454 mm，窗口上高度高于男性立姿眼高第50百分位1 568 mm，得出取值区间为小于1 454 mm且大于1 568 mm。宽度取值结合窗口与所在板面的比例选择功能与美学相适应的合理尺寸。

数控机床操作箱操作频率为间歇性操作，非长时间作业。通过访谈，工人反馈简易的操作过程为“打开机床门，放入毛坯件，关闭门，运行程序”。工件加工无需频繁设定加工程序，从程序库中选择与加工零件所匹配的加工程序即可。

操作箱区域涉及的人机尺寸中包含视觉人机和触觉人机两方面。视觉人机中，视点高度应与显示区中心对齐，以GB/T 10000—1988标准中18～66岁年龄段身高第50百分位1 678 mm为基准，结合设备及用具的高度和人体身高的关系尺寸表中“直立姿势眼高”的11/12的比例关系得出视点高度约为1 467 mm。

操作箱的分区通常以按键或图标、颜色、功能3方面为标准。色彩在操作控制面板、设备表面处理以及编码方面具有优势[5]。常规工况下，同一类型图标或按键设计成相同大小。颜色选用对比明显且长时间操作不引起视觉疲劳的色彩。在相同大小的按键中存在特别提醒的按键时，可通过亮色突显。紧急制动类按键应采用大体积和亮色彩双重突显，同时为防止出现操作困难或影响效率的情况[6]，位置设计在视觉最明显、远离常规操作区域且在操作可及域内，以便提高应对紧急情况时操作的容错率。

触觉人机中，水平操作箱高度设计根据设备及用具的高度和人体身高的关系尺寸表中“采取直立姿势时工作面的高度”的6/11的比例关系得出高度数值约为915 mm。数控机床垂直操作箱与人眼之间的视距应为小于500 mm。以视点高度1 467 mm为基准，操作箱整体区域应位于立姿视点水平线上夹角30°至下夹角40°范围内，且显示区中心区应设定在立姿视点水平线下夹角10°。该角度符合站姿时自然视线舒适区范围。

1.3 数控机床人机尺寸表与隐性价值链

根据机床人机尺寸，结合功能修正量，进行数控机床人机尺寸表绘制，结果如表2所示。

表2 数控机床人机尺寸表（单位：mm）

机床是市场化的产品，其宏观的发展模式遵循现代产品发展的规律，即愈发重视端到端的用户体验。在机床造型设计中，用户体验不单单是操作者的个人体验，而且是在产品发展过程中与产品或服务交互前后来自感知层、认知层与行为层的综合反映[7]。设计中人机尺寸的优化提升了多用户的体验感受，同时能够带来持续的隐性价值。持续的隐性价值串联形成隐性价值链，并最终形成良性循环的产业环。隐性价值链图如图2所示。

2 滚刀复合磨床造型设计

2.1 滚刀复合磨床布局设计

MGK6432滚刀复合磨床是陕西省“智能制造”科技重大专项项目，是从用户需求入手，针对滚齿刀具磨削工艺要求设计的具备刀具前刃面和铲磨齿形的专用高精度数控磨床，能够提高滚齿刀具的加工精度和加工效率。

通过对数控机床造型设计中人机尺寸的研究，得出相应的人机尺寸表，根据表格内数据设计MGK6432滚刀复合磨床造型。MGK6432滚刀复合磨床造型整体布局图如图3所示，部件及功能区分布图如图4所示。

不同设计因子之间存在一种稳定的相互转变形式时，能使产品整体形态或系列产品之间产生统一、协调的效果[8]。从整体布局图和部件及功能区分布图可以得知，整体系统布局与加工单元中主要操作位均符合人机尺寸数据，且各操作位置均预留合理空间。根据设计几何学中矩形布置，各部件形成的设计因子成统一调性。加工单元中的加工区X轴及电箱连接位分别位于矩形左侧和右侧黄金分割比处，Y轴与正门位于布局的中轴线上，布局清晰分明，蕴含着设计几何学独特的秩序美。

2.2 加工单元正面设计与设计效果图

如图5所示，正面设计图中Logo位置位于竖直黄金分割线位置，视觉上给人美的感受，同时起到了突出标识的作用。在实际工况中，正面操作区有垫板，所以操作箱涉及的人机尺寸均根据垫板修正量进行修正，以满足符合人机尺寸舒适度的要求。范围型把手增大了握把位的范围，同时能够和整体风格融为一体。三色灯位于水平右侧黄金分割线顶部，保证操作位工人和远处工人能够及时观测加工状态。

3 易忽视的人机要点

通过MGK6432滚刀复合磨床造型设计与车间调研发现，机床造型设计中人机尺寸设计要点存在被忽略的情况。

3.1 操作箱背板的安装打开方式

常规操作箱背板通过螺钉安装，电气工程师在调试过程中需要反复打开关闭。由于钣金加工误差较大，背板上的孔位与操作箱上的孔位并不能实现完全轴心对齐，导致多颗螺钉需要全部安装后才能进行螺钉紧固，大大增加了不必要的操作时长。此外，操作过程的烦琐也易导致用户变得烦躁。为解决这一问题，在MGK6432滚刀复合磨床的操作箱造型设计中，采用铰链搭配平面锁的方式实现操作箱背板的快速开关，极大地提升了电气工程师的调试效率，同时改善了用户体验。设计前后对比如图6所示，图6（a）为常规操作箱背板，图6（b）为滚刀复合磨床背板。

3.2 走线槽对应的走线方式

数控机床的走线方式多为穿线结构。在MGK6432 滚刀复合磨床的走线槽设计过程中发现，穿线结构在面临穿插多线束和高频次穿线时便捷性很差，增大了走线的难度。为解决这一问题，提出一种U形走线槽的设计方式，即打通以往穿线盖板间的连接板，通过焊接在外罩壳上的U字形的钢板承载线束，走线过程仅需1～2次穿线，整体按入U形槽内即可完成走线，如图7所示。

3.3 维修门的拆装方式及相关尺寸

常规机床维修门为至少4颗螺钉固定，拆装耗时。MGK6432滚刀复合磨床将维修门的结构设计成下方向内斜面插入、上方螺钉紧固的结构。加工状态下，喷溅的切削液可以通过下方斜面导流至机床内部，避免积液的同时，可有效解决安装孔位偏心和拆装不便的问题，提高了操作人员的效率。机床功能导致维修门打开后维修人员距加工主轴距离不在双臂可及域范围内，所以在操作人员双臂承重范围内扩大了门板尺寸，保证了操作人员进入机床内部后的空间需求。滚刀复合磨床最终设计效果图如图8所示。

4 结语

智能制造时代，机床造型不再是单纯的防护，还是用户与机床交互的窗口。本文通过对机床造型设计中涉及的诸多人机尺寸关键点的分析呈现，使得机床造型设计更加严谨合理，更加贴合以人为本的产品设计理念。符合人机尺寸的机床不仅提升了用户舒适性，而且提高了机床产品的隐性价值。从产业长远发展角度看，机床造型设计中人机尺寸的深入研究将是数控机床发展的必经之路。