数控机床人机界面设计原则初探

数控机床人机界面设计原则初探

    数控机床是现代制造技术的重要工具。本文从人机界面设计的概念及研究方向入手，充分考虑人的因素，对数控机床人机界面的设计原则进行了初步探讨。

     数控机床是一种高科技的机电一体化产品，是由数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置构成的可编程的通用加工设备，它被广泛应用在加工制造业的各个领域。与通用机床和专用机床相比，数控机床最适宜加工结构较复杂、精度要求高的零件，以及产品更新频繁、生产周期要求短的多品种小批量零件的生产。当代的数控机床正朝着高速度、高精度化、智能化、多功能化、高可靠性的方向发展。数控机床的人机界面设计直接影响其工作效率和操作舒适性。因为良好的人机界面操作简单、有效，且具有引导功能，使用户感觉愉快、增强兴趣，从而提高使用效率。

     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与输出。应结合心理学、人机工程学、计算机语言学、艺术设计、智能人机界面、社会学与人类学等多学科知识对人机界面设计进行研究。其发展趋势也向着更加人性化、高科技化的方向发展。

     有学者认为，人机界面设计可理解为广义的人机界面设计和狭义的人机界面设计。狭义的人机界面是计算机系统中的人机界面，又称人机接口、用户界面，它是计算机科学与心理学、图形艺术、认知科学和人机工程学的交叉研究领域，是人与计算机之间传递和交换信息的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。从广义的人机界面角度来讲，它主要是研究人与机关系的合理性。人机界面中的“人”是指作为工作主体的人，包括操作人员、决策人员等。人的生理特征、心理特征以及人的适应能力都是重要的研究方向。人机界面中的“机”是指人所控制的一切对象的总称，包括人操作和使用的一切产品和工程系统。设计满足人的要求、符合人的特点的“机”， 是人机界面设计探讨的重要问题。数控机床的人机界面可分为软件人机界面和硬件人机界面。

     1、数控机床软件界面设计原则

     软件在数控机床中的作用非常重要，其用户界面直接影响着数控机床的工作效率和效果。数控机床软件界面的设计原则可归纳如下：

     (1) 一致性原则。

     软件人机界面的一致性原则主要是指在不同的系统之间及应用系统内部具有相似的界面外观、布局、人机交互方式及信息显示格式等。一致性原则有助于用户学习机床的操作，并减少使用时的出错率。

     (2) 提供信息反馈。

     信息反馈是指机床对用户的操作所作的反应，它可以表明用户的操作是否为机床所接受、是否正确，以及操作的效果怎样。反馈方式可以是文本、图形和声音等。

     (3) 保持界面空间布局的合理性。

     界面空间的布局应简洁明了。设计师应根据对现实操作物的理解设计出能给用户带来方便的界面。例如数控钻床CNC5000V200控制系统软件的图形界面中，有三个功能独立的过程（PROCESS）：OPERATE，PROGRAM，CONTROL。每个过程分别服务于系统的操作者，程序员和监控者（SUPERVISOR）。每一个过程都有自己的菜单行，在菜单行下的菜单是下拉菜单，具有自己的子菜单。子菜单可以被选择，以进行下一步的操作。

     (4) 合理利用颜色和图形。

     界面上使用颜色可以更好地进行提示操作，还能缓解操作者的视觉疲劳。所用颜色一般不超过3～5种。例如在数控钻床CNC5000V200控制系统软件的图形界面中，高光表示被激活的过程（PROCESS），被激活的过程具有自己的色彩，并显示为屏幕的前景，OPERATE对应绿色，PROGRAM对应深蓝色，CONTROL对应浅蓝色。图形具有直观、形象、信息量大等优点，在界面中使用图形可增强操作的可理解性及易学易用性。

     (5) 选择适合的字型和大小。

     一个界面中，最好不要有太多的字型，更不宜选用字型太复杂或软弱无力的字体，越简洁清晰则辨识性越佳。例如，字符高宽比可取2∶1或1∶1， 以便清晰识别。

     2、数控机床硬件界面设计原则

     由于数控机床应用数字技术实现了对机床的执行运动顺序和运动位移的直接控制，传统机床的变速箱结构被取消或部分取消了，因而机械结构也大大简化了。数控机床的硬件人机界面的设计原则可归纳如下：

     (1) 机床外观色彩的设计原则。机床固定安置，工作气氛平静，因此色彩不宜过于刺激与兴奋，也不宜过于沉闷，应使操作者在工作时心情愉快。一般以纯度低而明度高的颜色为宜，不宜大面积采用有刺激和兴奋作用的色彩，但应有适当的对比效果，一般采用装饰色带、面板色及警惕色与主体形成对比。对于大型机床设备，不宜采用太浅的颜色，如略带中性灰的颜色可产生坚固有力及稳重的视觉感，同时可采用多色配置，避免整体色调较暗，达到既稳重又生动和谐的效果。有些机床形态，竖向长且有高耸、不稳定之感，为达到视觉上的稳定性，可用线条或色带对床身进行横向分割，利用分割错觉调整视觉上的尺寸比例感觉，从而增加稳定感。

     (2) 机床外观尺度与比例的设计原则机床主要部件之间，以及它们与整个机床结构之间的尺度与比例，对机床造型设计来说是至关重要的。例如，在确定机床的基本尺寸时，运用了“黄金分割”的原则，机床的高度与长度之比为0.1618，使机床的轮廓更紧凑、机床各部件的尺寸关系更协调，增加了机床造型的美感。机床是以水平线作为整体布局的基准，各个部件之间均以水平线分割。水平线忌不整齐、无规则、无层次，要有严格的层次，要统一和协调，为机床增加精密感、规则感和稳定感。机床的垂直划分线不多，在其衬托下使机床的水平划分更加突出。垂直划分线应简明、规则、大方。此外，机床表面忌凹凸部位过多， 以防积存油污灰尘，不易清理。

     (3) 机床工作台面和控制面板的布置原则主工作台面的高度应根据操作要求， 按立姿， 坐姿，坐/立姿的操作要求进行设计。工作台面上，像手轮和摇把类的手动操纵器的设计，应根据功能和使用方式的不同，进行大小、形状、类别及位置的设计。控制面板上的控制按钮和显示仪表，应按功能区进行划分，同时满足显示-控制相合性的要求，其位置高度和布置排列应符合人机关系，使人方便操纵和观察。例如，显示仪表应尽量放置在人的水平视线向下0～30°的水平视野和人的垂直视野左右各15°的范围内。控制面板上按钮的颜色根据用途进行分类，例如，红色表示危险、停止、禁止等，可用于车床的自动报警按钮、停止按钮等。绿色表示安全、正常、运行等，如机床的启动按钮就采用绿色。工作台面上，位于操纵器上或侧旁， 用文字或符号标明其功能的标号编码， 宜用白色和黑色。

     参考文献

     ［1］ 罗仕鉴,朱上上,孙守迁.人机界面设计.北京:机械工业出版社,2002.
     ［2］ 颜声远,许彧青.人机工程与产品设计.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2003.
     ［3］ 李峻勤,费仁元.数控机床及其使用与维修.北京:国防工业出版社,2000.