加工中心是由機械設備與數控系統組成的適用于加工復雜工件的高效率自動化機床,它是目前世界上產量最高、應用最廣泛的數控機床之一[1]。在加工中心的屏蔽門上大多有能夠識別的、有透過性的觀察窗。 觀察窗是輔助操作者了解內部機床工作狀態的重要部件,操作者監視機床工作狀態和觀察工件加工都需通過觀察窗來進行。這種通過直接觀察所獲取的加工狀態信息同控制面板上的顯示數據一起構成了加工中心對個人反饋,對操作者更好的完成加工任務具有重要指導作用[2]。操作者對加工狀態的觀察和監視控制十分頻繁,如果觀察窗設計不合理,會使操作者在觀察 時感到不適,進而對加工狀態信息的獲取產生影響,因 此觀察窗的人性化設計顯得尤為重要。
在現有對加工中心觀察窗的研究中,李世葳[3]通過對機床外罩選用透明材料構成觀察窗來增加機床工 作區的可視性; 張鐵成[4]利用 Core 對觀察窗進行了人機仿真分析; 范含晶[5]、孫旭東[6]通過對觀察窗結構和材料進行優化,使之具有較好的強度和透明度; 藤井隆亮[7]通過為觀察窗加裝具有自動控制功能的擋板 來保持觀察窗的清潔; 李倩[8]基于人的視覺特征對加工中心觀察窗的尺寸展開了研究。作為一種觀察和了 解機床工作狀態與工件加工情況的重要人機界面,觀 察窗的設計不僅要達到“可觀察”、“能觀察”的目標, 而且應符合人機學原理滿足“易觀察”、“宜觀察”的要 求。由于目前國內外運用人機工程學理論專門針對加 工中心觀察窗的設計方法展開的深入研究還相對較 少,并且缺乏相應的設計準則以及評價模型。人們在 加工中心觀察窗的設計時更多注重的是功能的實現問 題,卻很少考慮對人因( 生理和心理) 的影響,其宜人性等難以符合人機學要求。
本文以國產μ2000-630HF 臥式加工中心為例,研究面向人因的加工中心觀察窗設計方法。面向人因的 設計方法可以保障人在觀察時的安全前提下,同時使人能在自然舒適的狀態下實現對加工過程信息快速且 準確的獲取。在各種型號的加工中心以及數控機床的 觀察窗設計中都可以從可視性、宜人性和安全性等方面出發,采用面向人因的設計方法來提高觀察窗的實用性和人性化程度。
1 加工中心觀察窗人機學設計準則
在滿足觀察窗基本功能的前提下,對觀察窗進行人機學設計,主要滿足可視性、宜人性和安全性等要求。
1. 1可視性準則
可視性是指操作者透過觀察窗能夠清晰地看到機 床加工過程中的各種必要視覺信息。它取決于觀察路 徑上是否存在視線遮擋以及觀察者的視野范圍和視覺 清晰程度。
( 1) 視野范圍要求
如圖 1 人的視野即在其頭部和眼球固定不動的情況下,其眼睛觀看正前方物體時所能看到的視覺范圍 ( 常用角度表示) [9]。根據人機學原理,水平方向上人的雙眼視區在 62°左右,人的最佳可視錐為 30°即最佳視野范圍位于標準視線左右各 15° 的區間內; 而垂直方向上人站立時自然舒適的視線低于水平線 10°,坐著時低于水平線 15°,垂直方向上人站立時的最佳視野為水平線上 5°到水平線下 25°之間。
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4結語
根據上述研究和實例應用可以得出如下結論:
( 1) 面向人因的加工中心觀察窗設計主要遵循的是可視性、宜人性和安全性等原則。其中可視性指操作者透過觀察窗能夠清晰地看到機床加工過程中的各 種必要視覺信息; 宜人性指觀察者在自然舒適的姿勢下滿足最佳視野對工作臺的覆蓋; 安全性是指觀察窗所具備的防護能力。
( 2) 加工中心觀察窗人機學評價指標主要包括: 可視性、宜人性、安全性 3 個一級指標,以及視覺可達、清洗措施、視覺清晰度、尺寸大小、安裝位置、觀察空 間、安全距離、防護措施 8 個二級指標。它們之間既有區別又有聯系,采用層次分析法和模糊綜合評價方法 比較符合實際。
( 3) 在實例應用中發現,運用了面向人因的觀察窗設計方法,在視覺可達、清潔措施和防護能力等方面 都有了明顯的改善。該方法不僅可保證產品的功能即“可觀察”目標的實現,而且能滿足“宜觀察”的要求, 使產品具有良好的宜人性。
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