数控机床操作面板外观设计
2010年 第10期 2010年10月
Chemical Engineering & Equipment
化学工程与装备
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数控机床操作面板外观设计
余运昌
（厦门海洋职业技术学院机电工程系，福建 厦门 361012）
摘 要：本文对数控机床操作面板的外观进行了设计。阐述了数控机床操作面板的主要功能及设计原则，从操作面板功能规划开始到面板外观设计全过程做了详尽的分析，并给出了设计结果。经实践证明，该设计方案符合用户的操作习惯，受到客户的认可，在兼顾可操作性的同时降低了产品成本。 关键词：操作面板；设计原则；功能规划；外观设计；
操作面板是操作人员与数控机床之间进行信息交换的接口,它是随着信息技术的发展而不断进化的。好的操作面板具有美观易懂、经济适用、操作简单等特点，同时还具有引导操作和提高操作效率等功能。本文以通用型数控车床操作面板的设计为例阐述操作面板外观的设计原则和设计中的几个重要因素。
1 数控机床操作面板的功能及设计原则 1.1 数控机床操作面板的功能组成
纵观各种数控机床，操作面板的主要功能就是将用户的命令转化为数控机床可执行的命令并将机床运行状态显示于用户面前。通用型数控机床操作面板的输入主要由机床电源控制开关、机床工作模式选择开关、进给速率选择开关、主轴速率控制开关、轴向运动选择开关、紧急停止开关、程序执行与停止开关、电子手轮及M\S\T辅助功能开关等组成；机床状态显示主要包括主轴刀具号、刀库预备刀具号、机床报警信息及机床辅助功能执行情况等。 1.2 界面设计中操作人员的因素
操作面板外观的设计须与人的身心特性相匹配，满足人体各种感觉器官的生理特点．操作面板外观设计与研究过程中，要求界面位于视野的中心区域。操作人员的视觉运动规律主要有[1]：
（1） 眼睛的水平运动比垂直运动快，视线习惯从左到右和从上到下运动；
（2) 眼睛垂直运动比水平运动更容易疲劳； （3） 当眼睛偏离视觉中心时，在偏离距离相等的情况下，人眼对 4个象限的观察率依次为：左上最好，其次是右上，再之最左下，最差是右下；
（4） 眼睛有一定的惰性，因此，对直线轮廓比对曲线轮廓更容易接受；
（5) 看单纯形态比看复杂形态顺眼和轻松；
（6） 两只眼睛的运动是协调、同步的。 1.3 操作面板的设计原则
应用操作面板是为了提供人机接口，方便操作人员，因此操作面板的设计具有一般性的原则,最为重要的有以下几点[1-2]:
(1)界面要有一致性； (2)符合大部分人的习惯； (3)汲取操作人员的意见；
(4)界面尺寸与人体的尺寸及用力必须配合； (5)界面布局设计须符合手的中心活动范围和运动方向性，尽量减小操作者的劳动量;
(6)各操作键和功能区域能被操作者清晰地辨别； (7)操作键大小应方便手的操作． (8)具有较高的经济性和可操作性 2 模型外观设计与分析 2.1 面板功能规划
通用型数控车床操作面板的功能应该具有当前所需的功能和将来扩展所需的备用功能，既满足现代生产加工的要求又满足未来技术发展所需功能的扩充。输入性功能开关主要有轴向运动选择与控制开关、机床工作模式选择开关、进给速率控制开关、机床电源开启与关闭控制开关、程序启动与停止控制开关、紧急停止控制开关、电子手轮及其它M\S\T功能开关等。机床状态显示主要有NC运行状态、机械运行状态及各辅助功能开关执行状态、主轴刀具刀号等。
此外，根据数控机床操作面板的用途和应用环境，规划的操作面板应具有操作舒服、防油污、防尘、耐用、重量轻等特点。因此面板本体框架采用合金铝结构，将水晶方块按键（即有机玻璃块）放置于轻触按键上增加按键的手感和耐用性，在水晶方块按键与轻触按键间设置硅胶薄膜用于防止油污进入电路系统。辅助功能开关的周围配备一个状态指示
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练操作人员进行实际操作比较并讨论，确定按键的尺寸大小以18.5*18.5MM、间距以7.5MM较为合适，操作人员操作效率较高，如图1所示。
灯，当该指示灯亮时表示该辅助功能正在执行，增加面板的可操作性和美感。
2.2 机械控制开关与显示设备的选择
机械式开关从操作方式来说分旋钮式、板动式和按钮式；其中旋钮式和板动式开关大都可以在操作后保持（锁定）在接通或断开状态；按钮式开关，使用时都是按动，大多数按钮开关都用于按下时接通或断开电路，释放后状态即复原。这些开关，触点可以是一组或多组，锁定机构也有多种，其中旋钮式开关就是利用一弹簧勾沿一心形槽滑动，心形槽的两个尖对应开关的锁定与释放位置。轻触开关在操作过程中不必用多大力量接触就可以改变开关接点的状态，所以触点容量都很小，且结构简单，开关力量撤消后只能保持原来状态。目前，薄膜开关、小形微动开关都可算轻触开关，结构上大都采用两片相互绝缘的薄膜上印刷导电线路，通过按压使线路相互连接；或使用薄弹性金属制作的蝶形弹片，按动弹片使印刷电路连接。一般来说数控机床上使用的显示装置主要有LED灯、数码管、小灯泡、LCD屏等，LED灯和数码管采用发光二极管结构，具有功耗低、寿命长、亮度高、价格低廉等特点，在现代现设设备上的使用非常广泛。
通过调查发现，数控车床的进给速率和主轴速率调整开关在操控过程中操作最为频繁、调整范围宽、调整过程连续，且主轴速率调整为模拟量控制；紧急停止功能是为防止机床发生意外而设立的功能，关系到机床及人身的安全；机床系统的上电与断电开关和程序启动与暂停开关使用频率不高但不可或缺；一部分功能开关，如工作模式选择开关，调整范围宽但调整过程不需连续进行，另一部分功能开关需要连续调整但调整范围小，如工作灯、主轴正反转控制等。因此，选取旋钮式可调电位器和数字式波段开关分别作为主轴速率控制开关和进给速率控制开关；选取带自锁的手握式按钮开关做紧急停止开关；选取带小灯泡的按钮式常开开关作程序启动和机床上电开关，常闭开关作程序暂停和机床断电开关；对于其他开关采取轻触开关。 2.3 轻触按键大小设计
设计过程中必须考虑生产制造的经济性。轻触开关按键的设计应遵守一致性原则，采用统一大小尺寸，水晶按键在生产制作过程中只需做一次开模即可完成，大大降低生产制造成本及加工过程。通过提供多个不同尺寸的按键给多名熟
图1 模式选择开关尺寸图
2.4 面板位置布局设计
通过调查发现操作人员在操控数控车床过程中，有时采取单手操作方式，有时采用双手同时操作的方式，其中对于轻触开关一般采取拇指或食指操作，而对于旋钮式开关一般采用右手操作。因此在设计中，可以根据开关功能分为以下几类：电源开关、主轴运动及速率调整开关、进给速率调整开关、程序启动停止开关、紧急停止功能开关、轴向运动控制开关、模式选择功能开关、电子手轮、刀塔运动控制开关及其他辅助功能开关。基于以上分类及人眼运动规律，将输入性功能开关分为9个区域，并将坐标原点指示灯、夹头状态、NC运行状态放置在面板的左上角区域，刀塔刀号和主轴倍率放置在面板的顶部中间位置，如图2所示。
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图2 数控车床操作面板设计图
2.5 色彩设计
色彩是影响面板美观度和提高操作者效率的一个重要因素。设计中采用黑色作为底色，能更好的衬托指示灯及功能按键的色彩与位置，大部分的功能开关都采用这种色彩；中红色提醒操作者在操作此开关要慎重，主轴的停止、系统上电、程序暂停、经济停止均采用此色；翠绿色提醒操作者此功能已经运行，系统上电和程序启动以及功能运行指示灯均采用此色彩；柠檬黄是较醒目的颜色，方便操作者找到，面板中的过行程解锁开关和紧急停止开关的周围采用此色彩，如图2的右半部分。 2.6 符号设计
符号作为一种抽象、简洁的图形语言，具有比文字更容易被直接感知、记忆和注意等特点，将图形符号和文字（中英文）同时设计到通用型操作面板中，能够提高操作人员的效率。如图1、图2所示． 结束语
该设计应用在某公司生产的数控车床面板上，并在某数控机床制造厂内进行了安装调试。在厂内对包括安装调试人员、熟练操作工和新手在内的人员进行了调查，认为该面板
[1] 辜夷，干静. 机床面板外观设计的人机效率[J]. 工程设
计学报, 2007；14(6):494-498
[2] 王晓东.操作面板设计[J].制造业自动化，2002；
l24(06):59-61. 的可操作性高。
以往的数控车床操作面板中，操作模式选择开关、快速进给速率选择开关、手轮的轴向选择开关和轴向运动倍率选择开关均采取数码式波段开关或旋钮开关，价格高。本设计中保持较高的可操作性，将以上部件用轻触开关代替，有效地降低了面板的制造成本。该外观设计得到了用户的认可，具有广阔的应用前景。
参考文献