基于行为分析的多线切割机床设计研究.pdf

91Vol.13No.52023DESIGNRESEARCH设计艺术研究基于行为分析的多线切割机床设计研究Research on Multi-wire Cutting Machine Tool Design Based onBehavior Analysis赵震ZHAOZhen马瑞迪MARuidi华北理工大学，河北唐山0 6 32 10(North China University of Science and Technology，0 6 32 10 T a n g s h a nHebei)摘要：通过运用行为分析、人体测量学和人体生物力学等理论知识，对多线切割机床操作员操作行为加以分析，确保多线切割机床的操作和控制方便、快捷、可靠。在总体布局的基础上，综合考虑人体身体尺度、四肢活动范围、视野区域等因素，确定工作空间、操作装置、显示装置的合理，达到最佳人机关系。进而改善操作多线切割机床时的舒适性和安全性，减少研发设计成本、缩短设计周期、提高研发效率，并以此指导多线切割机床产品开发。关键词：行为分析；多线切割机床：人机分析Abstract:Through the use of behavioral analysis,anthropometry and human biomechanics and other theoretical knowledge,the operation processof multi wire cutting machine tool is analyzed to ensure the convenience,agility and reliability of its operation and control.To achieve the best man-machine relationship,based on overall layout,the rationality of workspace,operating and display devices are defined by a comprehensive considerationof human body size,limb range of motion,vision coverage and other factors.The next step is to improve the comfort and safety when using multi wirecutting machine tools,reduce the design cost,shorten the design cycle,improve the efficiency of research and development,and guide the productdevelopment of multi wire cutting machine tools.Key words:behavior analysis;multi wire cutting machine tool;ergonomic analysis中图分类号：J5文献标识码：Adoi：10.39 6 3/j.is s n.2 0 9 5-0 7 0 5.2 0 2 3.0 5.0 19一、引言用户行为与产品之间的协调关系在产品设计中极为重要，基于行为分析的设计流程能够帮助设计师系统而高效地完成设计方案，降低产品设计出错率。现代机床产品结构多样化，操作行为复杂，怎样提高操作时的舒适性，使之易于操纵，成为机床设计中的关键问题。有研究者分别从外形、色彩设计等角度，对数控机床造型进行了探索性的概念设计1-2 ；有研究者针对现有机床的造型、色彩、人机操作面板等方面的不足之处进行改良设计，使机床造型、颜色更加美观、大方、稳重，机床整体更便于用户操作3；有研究者利用Creo软件从工作台、把手、控制面板和机床门等关键的外防护部件展开人机工程设计，确定了机床外防护部件的关键人机尺寸，为机床的人性化设计打下坚实基础。这些研究主要针对机床产品的造型设计，并未从人的行为出发系统地研究用户行为与机床产品之间的协调关系。本文以SDX1660多线切割机床为例，基于收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 7作者简介：赵震（19 7 3一），男，华北理工大学副教授，研究方向为工业设计、人机工程学；马瑞迪（19 9 8 一），女，华北理工大学硕士研究生，研究方向为人机工程学。92设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.52023用户行为对其进行人机分析，使机床具有合理的工作空间、方便可靠的操控装置和易于识别的显示装置，整体设计符合人体生理尺度和使用习惯二、行为分析概述美国心理学家瓦尔特亨特（WalterSamuelHunter）提出“行为分析”（Behavioranalysis）的概念，将现阶段心理学研究方向转向人类行为的研究。唐纳德诺曼（D o n a l d A r t h u r No r m a n）将用户和产品之间的交互行为分为认知行为和使用行为，认知行为主要表现在视觉和语言上，使用行为则主要表现在肢体操作上。行为分析是一种通过观察用户对产品的使用，主要通过观察、访谈、焦点小组和可用性测试等方式5,收集数据并对用户使用感受进行分析的方法。行为分析不是一个单一的研究课题，其涉及的是多种学科的交叉研究，如图像处理、人机分析、心理学、神经学等方面。行为分析的两个重要方面就是描述和识别，将人的行为与机械或环境交互关联而产生的心理、生理的变化作为一个整体来研究，形成完整的“人一机一系统”的研究路线。文章主要运用观察法和访谈法，对操作员使用SDX1660多线切割机床的行为进行研究，运用行为分析、人体测量学和人体生物力学等理论知识，进行行为分析与人机改进，归纳现有机床操作的关键问题形成了一套完整的基于行为分析的多线切割机床人机设计流程，为人性化的机床设计提供了系统性指导三、多线切割机床角色分析产品的使用角色，即该产品的目标用户。设计师把产品置身于环境中，让相关用户体验产品的使用方式和使用感受等信息，并对其进行评估、测试。多线切割机床的目标用户为利用机床进行零部件加工的操作人员，该群体特征稳定，为年龄在18 6 0 岁之间的男性，熟悉多线切割机床的安装、操作与维护因此，在对机床的人机分析中，以中国成年男子的人体尺寸为设计基准四、行为分析与人机改进通过多线切割机床操作员完成目标行为过程的直观口语描述，对操作员的整个工作流程进行行为要素提取，主要包括安装机床各部件、绕线、开关机床防护罩、点击控制面板和站立观察运转情况等行为。通中，操作员均采用立姿作业，在立姿作业、躯干不动时，应充分考虑上肢的活动范围。将考虑着装修正量和姿势修正量后得到的最佳工作高度尺寸范围与机床进行图形对比（见图2）。过行为提取，找出机床工作空间、操作装置、显示装置方面存在的问题，进行人机改进。SDX1660多线切割机床效果图（见图1），机床的门把手高度、控制面板高度、旋钮大小等应为型产品设计，选择第50 百分位的男性人体尺寸数据进行分析；工作空间尺寸应满足大部分人体需要，选择第9 5百分位的男性人体尺寸数据作为尺寸上限值进行分析防护罩一槽轮2控制面板浇砂盒0.36供线轮升降台47防护门8收线轮图1SDX1660多线切割机床效果图1.工作空间分析现有机床底部的容脚空间不足，操作员在工作时脚部活动范围受限。产品设计中所需的脚空间高度为内踝点高和修正量的和，得出机床并不能满足大部分人有效作业，需增加36 mm以上的高度。操作员对升降台进行安装时，需以跪姿通过升降台开口，操作过程中发现开口存在着高度低的问题升降台开口最小高度、宽度分别为上肢执握前伸长和高度裕量的和，两肘间宽和宽度裕量的和。根据实际作业环境，机床只需考虑身体活动的基本裕量和工作服着装修正量。计算出为满足大部分操作员的需求，升降台开口需增加112 mm以上的高度。由于在槽轮、线轮、导轮安装以及绕线的过程图2 立姿手臂活动及手操作机床的适宜范围193Vol.13No.52023DESIGNRESEARCH设计艺术研究从图2 中可以看出，机床在切割室下方槽轮、导轮和供线轮位置的选择上，在立姿手臂活动及手操作的适宜范围内，最大限度地满足了操作员尺寸需求；操作员在进行上方槽轮安装和绕线时，不符合人体尺寸需求，会使操作员操作时出现疲劳等问题。因此，可采用降低切割室的高度或者借助踩踏工具的方式完成操作。若调整切割室内部构件布局，会影响切割线运行。因此，通过设计踩踏工具的方式来解决工作高度不合理的问题多数操作员反映屏幕高度较高。屏幕高度是人的垂直视野范围决定的。人在进行操作时的垂直最佳视野范围往往是在高于标准视线10 到低于标准视线30的区域里，眼睛到屏幕的最佳距离在450 550 mm范围内。在本研究中，选取眼晴到屏幕的距离为50 0 mm来研究人操作控制面板时的最佳视野范围。以第50 百分位男性眼高尺寸作为设计参考，以适应不同身高的人群。由此，计算出屏幕应放置在的合理高度范围。2.操作装置分析SDX1660多线切割机床的操作是通过控制旋钮、把手、按钮等来实现的，它们负责把操作者发出的即时指令传递给机床的执行环节。在数字化快速发展趋势的推动下，控制装置的设计和布置除了按照肢体的活动范围、肌力大小及生理特点来考虑，还必须考虑具备开放性认知的设计预留16 多数操作员反映，控制面板按钮和旋钮按压起来是舒适的。根据前文得知的最佳工作高度范围和最佳视野范围，得出控制面板按钮和旋钮应设置在两个范围重合的位置。假设按钮和旋钮的中心高度在该范围的中心点，此时屏幕高度在最佳视野范围内，方案可采取对于机床的把手设计，操作员反映防护罩和防护门的竖式安装把手抓握舒适，便于施力。而控制面板的把手太细，左、右防护罩的横式安装把手过短。直径为30 40 mm的把手是产生最大抓握力的把手，横式安装把手直径优先选用12 18 mm。把手在设计时需要考虑大于人的手掌宽度，使操作者手掌面受力均匀，抓握舒适。因此，左、右防护罩的横式安装把手应该减少直径，增加长度操作员反映，前防护罩多数时候难以打开，抬起供线轮时经常出现腰部疼痛的问题。针对这两个问题，分别建立了操作员操作时手部、腰部的人体生物力学模型，对操作员操作过程进行受力分析结果得出，大多数操作员无法安全打开前防护罩，需降低前防护罩质量；部分操作员的腰部无法承受抬起收线轮造成的压力水平，在抬起收线轮时可借助工具来完成，避免对腰部造成伤害3.显示装置分析显示装置设计的基本要求，就是要保证人、机双方能够迅速准确地交流信息，从而提高工作效率。操作员反映，现有软件界面存在着字体小、按钮和背景颜色区分小、按钮和字体分布不均的问题（见图3）。晶科技参数设置2019/10/8JINGYU13:33:34新耗品管理上线轮排换间疏（）0.6笑速时间（）0.6住复时间（司）40上排战行租（）250催机时间（）60下排找行程（）250格检直径（）180消道时网（a）600参数设置图3SDX1660多线切割机床显示装置界面示例针对上述问题，设计后把页面的中文字体改为了宋体，英文字体改为了Arial；按钮和文字排列整齐；不同区域的颜色做了明显区分，配色和风格进行了重新设计，采用了对比度更高的配色，对于不同功能的模块做了明显划分（见图4）。参数设置易耗品管理分段切割设置搅拌喷淋上线轮排线间距（mm）0.6变速时间（s）5下线轮排线间距（mm）0.6往复时间（s）40上排线行程（mm）25060250暖机时间（S）下排线行程（mm）槽轮直径（mm）180消弧时间（s）600运行界面 切割准备 参数设置 手动操作参数设置高级设置报警记录工程师数据图4SSDX1660多线切割机床显示装置页面示例设计图责任编辑孙玉萍）责任编辑孙玉萍）94设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.52023五、结语本研究针对SDX1660多线切割机床的人机改进需求，提出了基于行为分析的解决方案。该方案针对SDX1660多线切割机床的工作空间、操作装置、显示装置几个部分，按照操作员的使用习惯、认知特性和视觉特点对相关内容进行科学设计和优化改进，可增强机床操作流程在人机配合方面的针对性和适用性。由此，使每个部分的设计皆能为操作者的安全、舒适所考虑到，减少操作者在作业时因肢体活动而产生的疲劳，以及因重复操作而产生的厌倦情绪。上接第9 0 页（3）文化发扬畲药作为知识类非遗，其文化知识在人们的日常生活中具有实际的应用价值。线上数字平台帮助人们认识和利用畲药知识，并将畲药文化中的实用功能与现代人的养生理念相结合，对畲药文化进行传承与再造。其间创造的再利用价值，引发人们自下而上地将畲药文化融人自己的日常生活中，实现文化发扬下的新传承。五、结语非遗蕴含着丰富的人文和历史价值，保护非遗不仅是历史传承的需要，更是创造新艺术、新工艺、新设计的需要。在媒介技术的变革下，非遗的传承与发展融人了新的传播方式和设计理念，使其适应于日趋变化的生活理念、审美需求和体验方式。一方面，媒介的变革与发展改变了文化传播的技术载体与人类信息接收的方式，使非遗能够在不同的地域、场景、界面中存在与传播。另一方面，多种媒介的融合运用，使非遗体验空间的形式与功能逐渐多元化，为非遗的现代化传承与创新提供更为广泛的路径。注释图1、图2、图4来源：作者自绘图3来源：机床操作指南参考文献1张雄凯.立式数控加工中心的人机交互界面设计研究D.福州：福建工程学院，2 0 2 0：41-53.2史逸飞.基于人机工程学数控机床操作界面的功能合理性规划与设计研究D.天津：河北工业大学，2 0 16：6 1-6 4.3刘涛，刘鎏.论数控机床造型设计的人机界面研究J.机械设计与制造，2 0 18 12）:2 6 6-2 6 8，2 7 2.4张铁成.机床外防护设计中的人机工程仿真J.制造业自动化，2 0 14，36(17):95-98.5陈倩如，赵嫣然.行为分析视角下可供性在产品创新设计流程中的运用J.工业设计，2 0 2 2(1)：6 3-6 5.6李卓，李雪.开放式设计在数字化形态下的服务模型J.包装工程，2018,39(18):191-195.注释图1至图6 来源：金明晖绘制图7 来源：郑方圆绘制参考文献1詹一虹，孙琨.非物质文化遗产传承的梗阻与元宇宙沉浸式场景的运用J.江西社会科学，0 2 2，42（8）：18 0-18 9.2陈钟。服务设计赋能关中地区非物质文化遗产数字化体验设计研究J.设计艺术研究，2 0 2 2,12（5）：59-6 3，6 8.3杨红，张烈.非物质文化遗产实体展示空间中的数字化应用J.遗产与保护研究，2 0 16,1(5）：16-2 0.4王蒙，黄本亮，CHENQing.数字媒介介入非物质文化遗产的体验空间重塑：意义、路径及异化可能J.文化艺术研究，2 0 2 1，14（2)：2 7-37，112.5李岩岩，林燕.媒体时代非物质文化遗产数字化保护及传承探索J.中国民族博览，2 0 2 1（2 1）：116-118.6饶永，李新宇.数字技术时代体验性博物馆展示设计研究J.家具与室内装饰，2 0 2 1(12)：12 7-12 9.7李英杰，赵新伟，王静.公共空间设计中“望、闻、问、切”的表现形式一以河北传媒学院瓷器博物馆室内设计为例J.传媒与艺术研究,2 0 18(2)：2 6-30.