數控機(jī)床人(rén)機(jī)界面設計(jì)的探討(tǎo)與實踐

數控技術(shù)是制造技術(shù)的核心，是制造業實現自(zì)動化、網絡化、柔性化、集成化的基礎。數控裝備的整體(tǐ)水平标志着一個工(gōng)業現代化水平和綜合國(guó)力的強弱。當代數控機(jī)床正朝着高速度、、智能化、性方向發展。人(rén)機(jī)界面作(zuò)爲人(rén)和機(jī)床之間交互的紐帶，直接影(yǐng)響到數控機(jī)床的的加工(gōng)效率、操作(zuò)的性和性等等，因此人(rén)機(jī)界面設計(jì)是數控機(jī)床設計(jì)中的一個重要環節。

1 數控機(jī)床人(rén)機(jī)界面的設計(jì)原則

人(rén)機(jī)交互是指人(rén)和機(jī)器之間互相(xiàng)施加影(yǐng)響，交換信息的方式，是聯系人(rén)和機(jī)器之間的橋梁和紐帶。狹義上的人(rén)機(jī)交互主要是指人(rén)和計(jì)算機(jī)的信息交換，也稱用戶界面。針對數控機(jī)床來(lái)講，人(rén)機(jī)交互的界面主要包括人(rén)對數控機(jī)床的操作(zuò)方式、數控機(jī)床的外觀造型、數控機(jī)床的控制面闆以及相(xiàng)關的軟件(jiàn)設計(jì)等等。人(rén)機(jī)界面的設計(jì)原則，從(cóng)傳統的功能主義過渡到現在的人(rén)本主義，即以人(rén)爲本，滿足人(rén)的要求，符合人(rén)的特點，考慮人(rén)的感受。下面就(jiù)從(cóng)人(rén)機(jī)工(gōng)程學和認知心理(lǐ)學等角度對數控機(jī)床的人(rén)機(jī)界面設計(jì)的原則進行探討(tǎo)和分(fēn)析。

1.1 數控機(jī)床的整體(tǐ)造型設計(jì)

數控機(jī)床的整體(tǐ)造型是人(rén)機(jī)交互的最直觀界面，主要包括數控機(jī)床外觀尺寸和比例、形态和結構、材質等。數控機(jī)床在整體(tǐ)造型上要兼顧功能性、審美性和經濟性的要求。機(jī)床的尺寸要符合人(rén)體(tǐ)尺寸的參數要求，造型的比例要符合審美原則，一般長和高采用黃(huáng)金分(fēn)割比例或者平方根比例。形态和結構上在滿足功能的前提下，要符合人(rén)的審美心理(lǐ)和性的原則。造型特征以穩重、爲主，加上的靈活、輕快(kuài)的變化。這些可(kě)以通過結構單元的造型組合和顔色分(fēn)割來(lái)實現。

1.2 數控機(jī)床控制面闆的設計(jì)

控制面闆是數控機(jī)床和人(rén)之間交互的一個部分(fēn)，也是人(rén)對機(jī)床直接操作(zuò)的工(gōng)具。控制面闆的安放(fàng)一般有四種形式，如(rú)圖1所示。具體(tǐ)采用哪種形式，要根據總體(tǐ)布局和要求來(lái)确定，同時要考慮人(rén)的操作(zuò)要求。控制面闆一般分(fēn)爲兩部分(fēn)，一部分(fēn)是數控系統操作(zuò)面闆，另一部分(fēn)是機(jī)床操作(zuò)面闆。

（1）數控系統操作(zuò)面闆也叫 JGDX 423 面闆，它由JGD顯示器（或IJ2顯示器）和423鍵盤兩部分(fēn)組成，主要功能是顯示機(jī)床的各種參數和功能以及編輯、顯示、存儲、執行加工(gōng)程序等等。顯示器是數控機(jī)床的重要輸出設備，也是人(rén)對機(jī)床的主要認知手段。人(rén)通過視覺，認知顯示器的顯示數據，從(cóng)而做出判斷和決定。良好的顯示能和準确地分(fēn)析、解釋傳遞的信息。

從(cóng)人(rén)機(jī)工(gōng)程學的角度出發，顯示器的位置應該擺放(fàng)在人(rén)的視野範圍，垂直方向的視野如(rú)圖2所示。水平方向以雙眼中線左右15°爲佳，視距在50cm以内。鍵盤的按鍵目前多采用薄膜開關，其具有體(tǐ)積小、重量輕、功能全、等優點。按鍵形狀應該符合人(rén)機(jī)工(gōng)程學，按鍵要有适當的阻力，布局符合人(rén)的一般認知規律。例如(rú)，數字鍵的分(fēn)布符合普通分(fēn)布規律，重要的、經常使用的按鍵要布置在操作(zuò)者的視野和控制區。

（2）機(jī)床操作(zuò)面闆主要功能是對機(jī)床的手動控制和操作(zuò)，包括機(jī)床的進給、刀具的選擇、裝夾工(gōng)件(jiàn)、照(zhào)明和冷(lěng)卻等控制，也是人(rén)對機(jī)床的主要作(zuò)業區。用戶對操作(zuò)的滿意度取決于産品控制器的舒适性、性、控制器的類型、尺寸和空間、以及控制-顯示比和控制器的布局等等。

控制器的類型主要有按鈕、滑動開關、肘節開關、搖臂開關、旋鈕、指輪、曲柄、方向盤等等。我們要根據控制器的特點和人(rén)的操作(zuò)特征來(lái)設計(jì)相(xiàng)應的控制類型。例如(rú)在重型的工(gōng)程機(jī)械中，我們一般采用需要操作(zuò)力大(dà)的控制器，即觸覺-重型控制器，比如(rú)操縱杆、踏腳、手輪等，而在電器、機(jī)電控制裝置中，我們多采用旋鈕、開關、按鈕等輕型的控制器。

控制-顯示比C/D是控制器的一個重要設計(jì)參數，它是指控制動作(zuò)的量和現實動作(zuò)的量的比值，也有人(rén)稱之爲"系統反應"。粗調時要求C/D比小，這時較小的控制動作(zuò)會引起顯示上的顯著變化。微調時要求C/D比大(dà)，這時很大(dà)的控制動作(zuò)引起顯示上的很小變化。因此設計(jì)控制器時要兼顧到粗調和微調兩方面的要求，選擇粗調和微調控制-顯示比的比值。如(rú)圖3所示，兩條曲線的交點就(jiù)是的比值。

在控制器的布局上，應符合認知心理(lǐ)規律。要考慮到人(rén)的一般習慣模式和操作(zuò)的舒适性、性。例如(rú)旋鈕的設計(jì)，人(rén)類的習慣模式是順時針旋轉是增大(dà)，逆時針旋轉是減小。控制器的大(dà)小、形狀、顔色和布局也要充分(fēn)考慮到人(rén)的認知性和人(rén)機(jī)工(gōng)程學性能。所有主要功能的控制器都(dōu)要有功能标注，可(kě)以由文字、圖形或者實物圖解組成，一般标注應該放(fàng)在控制器的上方。在操縱控制器時，标注應處于操作(zuò)者的視野内。

1.3 數控機(jī)床的色彩設計(jì)

數控機(jī)床的色彩設計(jì)包括機(jī)床外觀的色彩、控制面闆的色彩、控制器的色彩、鍵盤的色彩等等。

在外觀的色彩設計(jì)中，考慮到數控機(jī)床的工(gōng)作(zuò)環境比較固定，工(gōng)作(zuò)氣氛平靜(jìng)，因此色彩不宜過于刺激和興奮，也不能過于沉悶。爲了操作(zuò)者在工(gōng)作(zuò)中能夠精力集中、心情愉悅、避免厭(yàn)倦和疲勞，一般采用純度低而明度高的顔色，例如(rú)銀灰色、淡藍色、綠色等等；不宜大(dà)面積采用刺激興奮的顔色，例如(rú)紅(hóng)色、黃(huáng)色。純度比較高的顔色都(dōu)比較刺激，一般不用。在色彩的搭配上，要給機(jī)床整體(tǐ)以穩定、、和諧的感覺。還(hái)要避免"傻大(dà)黑(hēi)粗"的傳統機(jī)床的特征。例如(rú)機(jī)床的底座、立柱等大(dà)件(jiàn)一般采用堅實、穩重而又避免笨重的顔色，例如(rú)銀灰色、綠色。

控制器和按鍵的顔色要根據功能來(lái)設計(jì)，還(hái)要進行色彩編碼和分(fēn)區，便于人(rén)的操作(zuò)。例如(rú)機(jī)床的MDI面闆，采用單獨的色彩分(fēn)區，控制面闆根據不同的控制功能進行分(fēn)布和使用不同的色彩。功能的按鈕根據功能和人(rén)的認知心理(lǐ)設計(jì)成單獨的顔色，如(rú)報警按鈕，一般采用紅(hóng)色，表示危險。機(jī)床的啓動按鈕一般采用綠色，表示、正常運行。

1.4 數控機(jī)床的系統軟件(jiàn)設計(jì)

數控系統軟件(jiàn)的功能要滿足數控加工(gōng)的需要，而且軟件(jiàn)的界面也直接影(yǐng)響到加工(gōng)的效果和操作(zuò)者的工(gōng)作(zuò)效率。軟件(jiàn)的人(rén)機(jī)界面設計(jì)中主要包括軟件(jiàn)的結構、軟件(jiàn)界面的形式、字體(tǐ)設計(jì)、圖标設計(jì)等等。

（1）系統軟件(jiàn)的結構設計(jì) 系統軟件(jiàn)的結構應該完整、條理(lǐ)清晰。不管是以前的命令界面還(hái)是現在基于圖形的窗(chuāng)口界面、菜單界面都(dōu)是如(rú)此。菜單界面的結構要按照(zhào)的邏輯關系或者功能分(fēn)類來(lái)設計(jì)，一般可(kě)以分(fēn)爲單一菜單、線狀菜單、樹(shù)狀菜單等等。菜單設計(jì)的合理(lǐ)性有助于提高系統的選取速度和人(rén)學習操作(zuò)的效率，也可(kě)以減少誤操作(zuò)的發生(shēng)。

（2）軟件(jiàn)界面設計(jì) 軟件(jiàn)界面要遵循基于認知模型的一緻性的原則。應該使用與已有經驗、知識一緻的人(rén)機(jī)界面，從(cóng)而減少學習，避免失誤和歧義的發生(shēng)。系統内部的各個界面具有相(xiàng)似的外觀、布局、人(rén)機(jī)交互方式和信息顯示格式等等。界面的空間布局要簡潔、合理(lǐ)，還(hái)要盡量提供反饋信息，以減少誤操作(zuò)的發生(shēng)。

（3）圖标的設計(jì) 圖标是可(kě)視的表示實體(tǐ)信息的簡潔、抽象信号。用經過良好設計(jì)的逼真形象來(lái)代表動作(zuò)後命令實體(tǐ)，可(kě)以給人(rén)提供、直觀理(lǐ)解信息的有力工(gōng)具。圖标的圖形編碼盡力和目标的外形相(xiàng)似，爲了表達清晰，可(kě)以采用繪制陰影(yǐng)、勾勒輪廓等手段。例如(rú)WindowsXP操作(zuò)系統軟件(jiàn)設計(jì)的圖标形象逼真、簡潔明了，提高了軟件(jiàn)的可(kě)操作(zuò)性。

（4）字體(tǐ)設計(jì) 字體(tǐ)設計(jì)中，字形和顔色的選擇對于界面的視覺效果有很大(dà)的影(yǐng)響。一個界面中不要有太多的字體(tǐ)和顔色，也不要選擇字形複雜或者軟弱無力的字體(tǐ)，以簡潔清晰、便于識别爲原則。

2 數控機(jī)床人(rén)機(jī)界面設計(jì)實例

以下是針對CK3225型數控車床的控制面闆，運用人(rén)機(jī)工(gōng)程學和認知心理(lǐ)等原則進行的設計(jì)實例。最終方案用Photoshop進行表現，效果如(rú)圖4所示。

（1）整體(tǐ)布局 整個面闆采用黃(huáng)金比例（1:1.618）矩形，并且對操作(zuò)按鈕進行功能分(fēn)組然後布局。按其功能可(kě)以分(fēn)爲五個部分(fēn)，即電源控制、進給控制、方向控制、主軸:排屑控制、常規控制。将重要的和常用的控制按鈕（如(rú)電源控制和進給控制按鈕）放(fàng)置在便于控制和觀察的右方和上方。緊急停按鈕放(fàng)在面闆中間上方最醒目的位置。

（2）色彩設計(jì) 整體(tǐ)背景采用柔和、較暗的中度灰色，既可(kě)以明顯突出按鍵，又不容易對人(rén)的眼睛造成視覺疲勞。大(dà)部分(fēn)按鍵采用天藍色爲主，功能按鈕采用單獨的色彩設計(jì)。例如(rú)電源控制按鈕分(fēn)别采用紅(hóng)色和綠色，代表斷開和接通；緊急停按鈕采用黃(huáng)色，比較醒目。

（3）控制器設計(jì) 大(dà)部分(fēn)控制器采用圓角矩形和圓形按鈕的設計(jì)，因爲主要控制都(dōu)是不需要太用力的控制。隻有尾座套筒控制器采用旋鈕設計(jì)，便于在"向前"、"向後"兩個位置切換。重要功能按鈕采用的圖形編碼和文字:符号分(fēn)别說(shuō)明。例如(rú)四個方向控制按鈕用四個不同方向的三角形狀，分(fēn)别代表X、Y軸的加減；"緊急停"按鈕上面設計(jì)有停止的标志。一般的控制按鈕在按鈕下方或者本身(shēn)加有文字說(shuō)明。

3 結語

人(rén)機(jī)界面是數控機(jī)床的控制操作(zuò)的核心部分(fēn)。近年(nián)來(lái)，我國(guó)數控機(jī)床的産量持續增長，數控化率顯著提高，數控産品的技術(shù)水平和質量也不斷提高。但(dàn)是，我國(guó)數控機(jī)床在市場上的競争力還(hái)不高，主要在于精度、人(rén)機(jī)性、操作(zuò)性等方面還(hái)落後。因此，我們應該注重數控機(jī)床人(rén)機(jī)界面的設計(jì)，提高數控機(jī)床操作(zuò)的人(rén)機(jī)性能和認知性能，從(cóng)而提高我國(guó)數控機(jī)床在市場上的競争力。