随着对机床的要求越来越高，国内外学者对机床设计中的人机因素进行了大量的研究，研究领域涉及机床造型、机床颜色等。机床设计的过程一般分为六个阶段:原理设计、概念设计或初步设计、人机工程设计、结构设计、造型设计及完成产品设计。设计过程不一定全部按照以上阶段或顺序依次完成，但人机工程设计必不可少。

在设计机床时，特别是涉及到安全的部分都应该适应全体人员，但是出于经济考虑，一般只选择占总人数90%的人加以考虑，同时希望剩下10%的人也能适应机器，或者对有可能操作的人员通过选择加以限制。其余不涉及安全因素的地方以第50百分位的人体尺寸作为设计依据。而完成机床的尺寸设计就要参考这些数据。

1 机床造型设计与人机工程

人机工程学是实现人机交流的重要桥梁，在机床设计中起到非常重要的作用。Hafiz等人发现，如果机床设计与操作者的物理尺寸、能力和极限不匹配，最终可能会导致操作者遭受职业伤害，可见人机工程在机床设计中至关重要的地位。

1.1 控制面板的造型设计

控制面板是机床的重要组成部件之一，是操作者与机床进行交互的工具。整个机床的运作绝大部分体现在控制面板上，这使得操作者需集中精力把控整个操作的环节。为使操作者在最舒适的情境下操作机床，控制面板的设计要充分考虑操作者的立姿眼高，保证操作者在操作时不需要频繁地低头或抬头，减轻颈部活动量。在人水平视线上下30度和垂直视野左右各巧度的范围内，是显示器放置的最佳位置。孟祥旭等总结了人的几种姿势下的最佳视野垂直角度，视距保持在500 mm以内。

冯光勇等人发现，当显示面板安装在支撑臂上时，为确保使用者观察时视线与屏幕垂直，面板要有一定的倾角。当显示面板竖直固定时，显示屏的中心点高度应小于或等于人的立姿眼高。如果面板设计成可调节的结构，其实用性将大大提高。具体采用哪种安装方式，需以机床整体造型和功能要求为依据。

韩卫国等人研究表明，当数控面板垂直地面时，最佳按键区的范围和手的活动范围密切相关。为便于操作，最佳按键区域应该比立姿肘高略高，而要低于立姿眼高，最终，定义最佳的按键区域为1153一1568 mm(图2)。当数控面板倾斜安装时，手部活动范围受到影响，从而最佳的按键区为9741408 mm(图3 )。  Muthukumar等人发现，机器显示不当会导致颈部不适，面板控制器不当会导致肩膀和手臂不适。

显示面板上有大量按键，其尺寸要与操作者手指端面积相适应。通常来说，按键要略大于人体手指端面积，过小容易引起误操作，过大会增加面板面积。根据实验数据显示，按键最小尺寸长度应为10 mm，较适宜尺寸长度为19 mm，最大尺寸长度为25 m。在具体设计时，还应以实际情况为准。按键的分布应以功能为原则进行区域排布，各区域间要有明显的界限。毛洋等人研究发现，最能有效提升操作者信息获取的精准性和便利性，是奇数个横向按键排列的方式。

显示面板的版式有矩形型.V型,U型、展开U型、半圆型和半球型，这不仅关乎美观，更直接影响操作。开窗式表盘误读率偏低，不同直径的圆盘认读速度和错误率也不同。指针的形状有三角形、梯形、三角形变形体、梯形变形体等多种形状，不同形状给人带来不一样的视觉感受，但是都必须以认读方便为准则。

1.2 机床把手的造型设计

把手在机床设计中至关重要，把手的造型和安装位置都要考虑人机工程学的因素。为方便操作者使用，把手应与人手的尺寸相适应，这样才能提高作业者的舒适性与效率性。一般将把手的长度控制在75 mm以上，以满足操作者的使用要求。

把手有竖式安装和横式安装两种安装方式。横式安装把手的设计有三个关键尺寸:把手直径、把手截面形状和把手安装位置。手握直径应控制在10-20 mm，优先选用12一18 mm。直径过粗或过细，都不利于抓握和施力。把手的截面形状一般为圆形，因为圆形握起来更舒适。把手应在立姿肘高的位置安装。为满足不同操作者的需要，大型机床的把手可以设计得长一些。

在设计把手时，应先确定把手的高度(图4)，以第50百分位身高操作者作为标准。在确定好高度之后，再依据把手的操作范围(图5)进行设计，只有这样，设计出来的把手才能保证操作时的精度和舒适度，使操作者舒适方便地作业。

1.3 机床观察窗的造型设计

在机床中，观察窗是操作者观察加工工件和机床运动的部件[ia}。作为机床正立面视觉中心的观察窗，其造型对整体的风格有画龙点睛的作用。现有的机床的观察窗造型较多，多以圆角方形为主。小圆角方形观察窗常以直线平面为主，与边角较直硬的外防护造型相匹配。而大圆角观察窗造型常以曲面为主，或是与较为圆滑的外防护造型相匹配。

观察窗的设计与操作者的姿势密切相关，要从人机工程学角度出发，对观察窗进行设计。根据王云德等人研究，观察窗的设计以操作者的高度和视高为主要依据。一般来讲，为保证机床适合不同身高的作业者，观察窗的设计主要选取第50百分位的人体视高为依据。从人机工程学来说，人的最佳视线在水平方向1J度和竖直方向2J度效果最佳。

冯光勇等人研究发现，不同类型的机床观察窗尺寸差异较大。一般来说，主轴运动范围较大的机床，其观察窗较大；而需要观察加工范围较小的机床，其观察窗较小。

1.4 机床门的造型设计

对机床而言，机床门是机床造型中比较重要的一部分，如果机床门设计的不合理，将影响机床的操作性能及精度。机床门的尺寸，首先要满足作业者装夹工件的功能要求。根据王云德等人的研究，为方便操作，机床门的尺寸要略大于工作台的宽度。

机床门的外廓线要与机床外防护正立面的轮廓线相匹配。现有的机床门按造型分为曲门、直门和折门三种，其造型的变化要符合外防护造型的变化。在设计机床时，机床门的宽高度设计不仅影响机床的整体造型，更影响操作精度和机能，所以在设计机床时要对机床门的设计加以重视。由于机床的类型较多，机床的工作台宽度不一，所以机床门的尺寸也略不相同。机床门分为单开门和双开门结构。双开门是大型机床或工作台较宽的机床的最佳选择，必要时可借助气缸来控制拉门开关，而单开门结构更适合小型机床。

1.5 机床整体造型设计

目前，机床的造型设计是从人性化、人机工程学、美学原则等方面入手，实用、经济、美观是造型设计的准则。

机床的整体造型对机床的合理使用、操作者的方便操作起了至关重要的作用。研究表明，各部件间的比例是外观造型设计的主要部分之一。现有机床中使用的比例较多，常用的有:黄金分割比(1:0.618)、平方根比例(1:万)等[161。除了比例，还要注意机床的轮廓线设计，重视线型变化，以使机床美观。目前，我国的机床尺寸主要有以下几种:长2250 mm , 2500 mm，3000 mm，3500 mm；宽1370 mm；高1690 mm。

机床的造型主要有两种:第一种是轮廓线以直线为主，另一种是轮廓线以曲线为主。直线有冷静、严肃的特点，曲线给人自由、活跃的感觉。在造型中，合理搭配运用直线和曲线，能让机床的造型简约中又富含感情，避免刻板。在设计时，应注意遵循“形式服从功能”和“形式表现功能”的原则。

机床的外罩造型是影响整体风格的关键，是数控机床主体上主要的部件之一，从其正立面上可以分为曲面造型、直面造型和斜面造型三种类型。曲线造型给人圆润、流畅的感觉；直面造型给人庄重、规整之感；斜面造型给人活力、轻巧的感觉。在机床的设计过程中，各种造型要灵活运用，使其美观、整体、和谐。积极赋予机床造型友好的情感因子，是设计师不懈追求的目标之一。

2 机床颜色设计与人机工程

在机床设计中上，使用颜色可以更好地传达提示信息，还可以缓解操作者的视觉疲劳。但是色彩的使用一般不能超过3-5种，否则会给人杂乱的感觉，影响作业。为避免出现操作失误，通常采用灰色系。通常来说，报警按钮为红色，表示危险；启动按钮为绿色，表示安全，正常运转。

在控制面板设计中，还加入了图形的元素。图形具有直观、形象、信息量大的特点，广泛出现在界面中，增加了设备的易学易用性。除此之外，界面中的字体设计也有要求，字体形式应保持一致，选用简洁、清晰、识别性强的文字，避免视觉疲劳。面板上的数字至少应停留0.2 s才能被看清，所以，数字的变换速度不宜超过0.2、0.2 s。并且，版面风格、布局、人机交互方式和信息显示格式应一致，有助于作业者学习、熟悉、使用设备，并减少出错率。

人眼在不同光照条件下的色彩感知力是不同的。在光线较暗的环境下，最好使用蓝绿色对控制面板的信息进行显示，反之选用橙色显示信息。采用背光技术的面板键盘，不仅可改善操作环境，更可增强敲击键盘的准确性，提高工作效率。需在暗中观察的操纵面板最好呈蓝绿色并配以红光照明；反之，需在昼光下观察的面板最好呈橙色且配以黄或黄绿光照明。

色彩的传递比形体的传递更迅速、强烈，其对人们的心理影响非常微妙。明快的色彩使人心情愉悦，厚重的色彩使人心情压抑并影响生产效率。因此，可通过色彩来提高工作效率。一般来说，机床的颜色下深上浅，给人安定、沉稳的感觉。此外，在加工过程中容易产生切屑，下部的深色调可以减轻机床的脏乱感。因为灰色不容易分散作业人员的注意力，所以人们在工业设备中经常使用灰色系。机床的底座、立柱等一般采用稳重且不笨重的颜色，如银灰色。为了提高机床的安全性能，对一些警示标志也会采用醒目的色调加以提醒。

在设计机床时，设计者可根据信息的重要程度来选用色彩。最重要的信息选用红色，依次可选择黄色、橙色、绿色。但是也要注意底色的选择，使底色与提示色在纯度和明度上有明显的对比。特殊情况，还可以用闪烁的方式加以提醒。

有关实验表明，不宜应用过于刺激和兴奋的色彩，也不能使用过于沉闷的色彩，一般可以使用纯度低明度高的颜色，如银灰色、淡蓝色。而红、黄等刺激性色彩只能小面积使用。在设计机床外部时，为提高操作者的工作兴致，会用不同的色调来进行装饰。在色彩搭配上，机床要给操作者整体、协调、稳定、安全的感觉，保持操作者工作时心情愉悦、精力集中，满足其心理和生理需求。

3 总结与展望

众多实验与研究表明，人机因素在机床设计中占有举足轻重的地位。从机床造型来说，控制面板与把手的安装有了合适的位置区间，观察窗和机床门的设计有了科学的尺寸依据，而在机床整体造型设计中，选择合适的直线型与曲线型也会为机床增色；对于机床颜色设计而言，既要使用纯度低明度高的颜色来保持操作者的注意力，又要使用色调进行装饰以提高操作者的工作兴趣。

人机工程学在机床设计中广泛应用，将“适用”与“美观”、“技术”与“艺术”结合与统一，并取得了一些成绩，设计出了更加人性化的机床。但是现有市面上的机床还是存在不足，需要进一步研究:

1）造型方面:机床体型巨大，线型生硬；造型大同小异，刻板、冰冷；机械感过强是机床共同的特点，操作不人性化。

2)色彩方面:色彩单调，甚至搭配不当；色调深沉、冷漠，没有安全感。