一种面向人因的加工中心观察窗设计方法

　　加工中心是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂工件的高效率自动化机床，它是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一［1］。在加工中心的屏蔽门上大多有能够识别的、有透过性的观察窗。观察窗是辅助操作者了解内部机床工作状态的重要部件，操作者监视机床工作状态和观察工件加工都需通过观察窗来进行。这种通过直接观察所获取的加工状态信息同控制面板上的显示数据一起构成了加工中心对个人反馈，对操作者更好的完成加工任务具有重要指导作用［2］。操作者对加工状态的观察和监视控制十分频繁，如果观察窗设计不合理，会使操作者在观察时感到不适，进而对加工状态信息的获取产生影响，因此观察窗的人性化设计显得尤为重要。
　　在现有对加工中心观察窗的研究中，李世葳［3］通过对机床外罩选用透明材料构成观察窗来增加机床工作区的可视性; 张铁成［4］利用 Core 对观察窗进行了人机仿真分析; 范含晶［5］、孙旭东［6］通过对观察窗结构和材料进行优化，使之具有较好的强度和透明度; 藤井隆亮［7］通过为观察窗加装具有自动控制功能的挡板来保持观察窗的清洁; 李倩［8］基于人的视觉特征对加工中心观察窗的尺寸展开了研究。作为一种观察和了解机床工作状态与工件加工情况的重要人机界面，观察窗的设计不仅要达到“可观察”、“能观察”的目标，而且应符合人机学原理满足“易观察”、“宜观察”的要求。由于目前国内外运用人机工程学理论专门针对加工中心观察窗的设计方法展开的深入研究还相对较少，并且缺乏相应的设计准则以及评价模型。人们在加工中心观察窗的设计时更多注重的是功能的实现问题，却很少考虑对人因( 生理和心理) 的影响，其宜人性等难以符合人机学要求。
　　本文以国产μ2000－630HF 卧式加工中心为例，研究面向人因的加工中心观察窗设计方法。面向人因的设计方法可以保障人在观察时的安全前提下，同时使人能在自然舒适的状态下实现对加工过程信息快速且准确的获取。在各种型号的加工中心以及数控机床的观察窗设计中都可以从可视性、宜人性和安全性等方面出发，采用面向人因的设计方法来提高观察窗的实用性和人性化程度。
1 加工中心观察窗人机学设计准则
　　在满足观察窗基本功能的前提下，对观察窗进行人机学设计，主要满足可视性、宜人性和安全性等要求。
1. 1可视性准则
　　可视性是指操作者透过观察窗能够清晰地看到机床加工过程中的各种必要视觉信息。它取决于观察路径上是否存在视线遮挡以及观察者的视野范围和视觉清晰程度。
( 1) 视野范围要求
　　如图 1 人的视野即在其头部和眼球固定不动的情况下，其眼睛观看正前方物体时所能看到的视觉范围 ( 常用角度表示) ［9］。根据人机学原理，水平方向上人的双眼视区在 62°左右，人的最佳可视锥为 30°即最佳视野范围位于标准视线左右各 15° 的区间内; 而垂直方向上人站立时自然舒适的视线低于水平线 10°，坐着时低于水平线 15°，垂直方向上人站立时的最佳视野为水平线上 5°到水平线下 25°之间。
　

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4结语
根据上述研究和实例应用可以得出如下结论:
     ( 1) 面向人因的加工中心观察窗设计主要遵循的是可视性、宜人性和安全性等原则。其中可视性指操作者透过观察窗能够清晰地看到机床加工过程中的各种必要视觉信息; 宜人性指观察者在自然舒适的姿势下满足最佳视野对工作台的覆盖; 安全性是指观察窗所具备的防护能力。
     ( 2) 加工中心观察窗人机学评价指标主要包括: 可视性、宜人性、安全性 3 个一级指标，以及视觉可达、清洗措施、视觉清晰度、尺寸大小、安装位置、观察空间、安全距离、防护措施 8 个二级指标。它们之间既有区别又有联系，采用层次分析法和模糊综合评价方法比较符合实际。
     ( 3) 在实例应用中发现，运用了面向人因的观察窗设计方法，在视觉可达、清洁措施和防护能力等方面都有了明显的改善。该方法不仅可保证产品的功能即“可观察”目标的实现，而且能满足“宜观察”的要求，使产品具有良好的宜人性。

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