数控机床人机界面设计的探讨与实践

数控技术是制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个工业现代化水平和综合国力的强弱。当代数控机床正朝着高速度、、智能化、性方向发展。人机界面作为人和机床之间交互的纽带，直接影响到数控机床的的加工效率、操作的性和性等等，因此人机界面设计是数控机床设计中的一个重要环节。

1 数控机床人机界面的设计原则

人机交互是指人和机器之间互相施加影响，交换信息的方式，是联系人和机器之间的桥梁和纽带。狭义上的人机交互主要是指人和计算机的信息交换，也称用户界面。针对数控机床来讲，人机交互的界面主要包括人对数控机床的操作方式、数控机床的外观造型、数控机床的控制面板以及相关的软件设计等等。人机界面的设计原则，从传统的功能主义过渡到现在的人本主义，即以人为本，满足人的要求，符合人的特点，考虑人的感受。下面就从人机工程学和认知心理学等角度对数控机床的人机界面设计的原则进行探讨和分析。

1.1 数控机床的整体造型设计

数控机床的整体造型是人机交互的最直观界面，主要包括数控机床外观尺寸和比例、形态和结构、材质等。数控机床在整体造型上要兼顾功能性、审美性和经济性的要求。机床的尺寸要符合人体尺寸的参数要求，造型的比例要符合审美原则，一般长和高采用黄金分割比例或者平方根比例。形态和结构上在满足功能的前提下，要符合人的审美心理和性的原则。造型特征以稳重、为主，加上的灵活、轻快的变化。这些可以通过结构单元的造型组合和颜色分割来实现。

1.2 数控机床控制面板的设计

控制面板是数控机床和人之间交互的一个部分，也是人对机床直接操作的工具。控制面板的安放一般有四种形式，如图1所示。具体采用哪种形式，要根据总体布局和要求来确定，同时要考虑人的操作要求。控制面板一般分为两部分，一部分是数控系统操作面板，另一部分是机床操作面板。

（1）数控系统操作面板也叫 JGDX 423 面板，它由JGD显示器（或IJ2显示器）和423键盘两部分组成，主要功能是显示机床的各种参数和功能以及编辑、显示、存储、执行加工程序等等。显示器是数控机床的重要输出设备，也是人对机床的主要认知手段。人通过视觉，认知显示器的显示数据，从而做出判断和决定。良好的显示能和准确地分析、解释传递的信息。

从人机工程学的角度出发，显示器的位置应该摆放在人的视野范围，垂直方向的视野如图2所示。水平方向以双眼中线左右15°为佳，视距在50cm以内。键盘的按键目前多采用薄膜开关，其具有体积小、重量轻、功能全、等优点。按键形状应该符合人机工程学，按键要有适当的阻力，布局符合人的一般认知规律。例如，数字键的分布符合普通分布规律，重要的、经常使用的按键要布置在操作者的视野和控制区。

（2）机床操作面板主要功能是对机床的手动控制和操作，包括机床的进给、刀具的选择、装夹工件、照明和冷却等控制，也是人对机床的主要作业区。用户对操作的满意度取决于产品控制器的舒适性、性、控制器的类型、尺寸和空间、以及控制-显示比和控制器的布局等等。

控制器的类型主要有按钮、滑动开关、肘节开关、摇臂开关、旋钮、指轮、曲柄、方向盘等等。我们要根据控制器的特点和人的操作特征来设计相应的控制类型。例如在重型的工程机械中，我们一般采用需要操作力大的控制器，即触觉-重型控制器，比如操纵杆、踏脚、手轮等，而在电器、机电控制装置中，我们多采用旋钮、开关、按钮等轻型的控制器。

控制-显示比C/D是控制器的一个重要设计参数，它是指控制动作的量和现实动作的量的比值，也有人称之为"系统反应"。粗调时要求C/D比小，这时较小的控制动作会引起显示上的显著变化。微调时要求C/D比大，这时很大的控制动作引起显示上的很小变化。因此设计控制器时要兼顾到粗调和微调两方面的要求，选择粗调和微调控制-显示比的比值。如图3所示，两条曲线的交点就是的比值。

在控制器的布局上，应符合认知心理规律。要考虑到人的一般习惯模式和操作的舒适性、性。例如旋钮的设计，人类的习惯模式是顺时针旋转是增大，逆时针旋转是减小。控制器的大小、形状、颜色和布局也要充分考虑到人的认知性和人机工程学性能。所有主要功能的控制器都要有功能标注，可以由文字、图形或者实物图解组成，一般标注应该放在控制器的上方。在操纵控制器时，标注应处于操作者的视野内。

1.3 数控机床的色彩设计

数控机床的色彩设计包括机床外观的色彩、控制面板的色彩、控制器的色彩、键盘的色彩等等。

在外观的色彩设计中，考虑到数控机床的工作环境比较固定，工作气氛平静，因此色彩不宜过于刺激和兴奋，也不能过于沉闷。为了操作者在工作中能够精力集中、心情愉悦、避免厌倦和疲劳，一般采用纯度低而明度高的颜色，例如银灰色、淡蓝色、绿色等等；不宜大面积采用刺激兴奋的颜色，例如红色、黄色。纯度比较高的颜色都比较刺激，一般不用。在色彩的搭配上，要给机床整体以稳定、、和谐的感觉。还要避免"傻大黑粗"的传统机床的特征。例如机床的底座、立柱等大件一般采用坚实、稳重而又避免笨重的颜色，例如银灰色、绿色。

控制器和按键的颜色要根据功能来设计，还要进行色彩编码和分区，便于人的操作。例如机床的MDI面板，采用单独的色彩分区，控制面板根据不同的控制功能进行分布和使用不同的色彩。功能的按钮根据功能和人的认知心理设计成单独的颜色，如报警按钮，一般采用红色，表示危险。机床的启动按钮一般采用绿色，表示、正常运行。

1.4 数控机床的系统软件设计

数控系统软件的功能要满足数控加工的需要，而且软件的界面也直接影响到加工的效果和操作者的工作效率。软件的人机界面设计中主要包括软件的结构、软件界面的形式、字体设计、图标设计等等。

（1）系统软件的结构设计 系统软件的结构应该完整、条理清晰。不管是以前的命令界面还是现在基于图形的窗口界面、菜单界面都是如此。菜单界面的结构要按照的逻辑关系或者功能分类来设计，一般可以分为单一菜单、线状菜单、树状菜单等等。菜单设计的合理性有助于提高系统的选取速度和人学习操作的效率，也可以减少误操作的发生。

（2）软件界面设计 软件界面要遵循基于认知模型的一致性的原则。应该使用与已有经验、知识一致的人机界面，从而减少学习，避免失误和歧义的发生。系统内部的各个界面具有相似的外观、布局、人机交互方式和信息显示格式等等。界面的空间布局要简洁、合理，还要尽量提供反馈信息，以减少误操作的发生。

（3）图标的设计 图标是可视的表示实体信息的简洁、抽象信号。用经过良好设计的逼真形象来代表动作后命令实体，可以给人提供、直观理解信息的有力工具。图标的图形编码尽力和目标的外形相似，为了表达清晰，可以采用绘制阴影、勾勒轮廓等手段。例如WindowsXP操作系统软件设计的图标形象逼真、简洁明了，提高了软件的可操作性。

（4）字体设计 字体设计中，字形和颜色的选择对于界面的视觉效果有很大的影响。一个界面中不要有太多的字体和颜色，也不要选择字形复杂或者软弱无力的字体，以简洁清晰、便于识别为原则。

2 数控机床人机界面设计实例

以下是针对CK3225型数控车床的控制面板，运用人机工程学和认知心理等原则进行的设计实例。最终方案用Photoshop进行表现，效果如图4所示。

（1）整体布局 整个面板采用黄金比例（1:1.618）矩形，并且对操作按钮进行功能分组然后布局。按其功能可以分为五个部分，即电源控制、进给控制、方向控制、主轴:排屑控制、常规控制。将重要的和常用的控制按钮（如电源控制和进给控制按钮）放置在便于控制和观察的右方和上方。紧急停按钮放在面板中间上方最醒目的位置。

（2）色彩设计 整体背景采用柔和、较暗的中度灰色，既可以明显突出按键，又不容易对人的眼睛造成视觉疲劳。大部分按键采用天蓝色为主，功能按钮采用单独的色彩设计。例如电源控制按钮分别采用红色和绿色，代表断开和接通；紧急停按钮采用黄色，比较醒目。

（3）控制器设计 大部分控制器采用圆角矩形和圆形按钮的设计，因为主要控制都是不需要太用力的控制。只有尾座套筒控制器采用旋钮设计，便于在"向前"、"向后"两个位置切换。重要功能按钮采用的图形编码和文字:符号分别说明。例如四个方向控制按钮用四个不同方向的三角形状，分别代表X、Y轴的加减；"紧急停"按钮上面设计有停止的标志。一般的控制按钮在按钮下方或者本身加有文字说明。

3 结语

人机界面是数控机床的控制操作的核心部分。近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率显著提高，数控产品的技术水平和质量也不断提高。但是，我国数控机床在市场上的竞争力还不高，主要在于精度、人机性、操作性等方面还落后。因此，我们应该注重数控机床人机界面的设计，提高数控机床操作的人机性能和认知性能，从而提高我国数控机床在市场上的竞争力。