数控系统人机接口和用户体验设计

一、前言

交互设计（Interaction Design）是指人们在设计产品的过程中，遵循一定的方法，以用户最终良好的使用体验为目标，定义产品在特定场景下的反应方式的一种设计行为。交互设计起源于信息科技中的网站设计和图形设计，现在已经成长为一个独立的领域，在信息科技、人工智能、工业互联网等各类产品中得到运用。

二、数控系统的构成

数控系统一般包含多种硬件装置和控制软件，控制软件运行于数控硬件装置之上，构成整套数控系统。硬件装置由控制单元、伺服驱动放大器、PLC单元、UPS电源等部分构成。控制单元是机床数控系统的主要部分，由微处理器、存储器、输入/输出（I/O）接口与通信模块、人机显示界面、操动按钮（按键）等硬件电路和特定的数控软件所构成。

数控装置的硬件人机接口主要包括数控面板、各种线缆接口、PLC I/O单元和专用外设接口以及用户手持单元等，操作者在长年累月使用数控机床的过程中均是与这些接口部件打交道。

三、数控装置接口设计

数控机床的交互对象是操作工人，在数控面板的设计过程中需要紧紧围绕操作员的使用这一个环节来进行设计。下表是数控系统面板设计中需要重点考虑的因素：

3.1 数控显示屏

显示屏用于实时显示数控机床的运行状态和加工数据，是数控系统硬件人机接口中最重要的部件之一。可以将数控机床的显示界面分为这样两个大的功能区：状态显示区和功能菜单区，每个大区下面再根据具体的内容细分为多个小的区域模块。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站立时候的眼高。操作者目视水平线以上10°至 以下 30°的范围为人体站姿最佳视野，所以数控面板的主要显示内容需要设置在本区域范围内。操作者视线以上 10°至视线以上25°的范围为人体站姿次要显示区域，各种警示灯、告警提示性内容要设计在这个区间范围之内， 操作人员在正常操作数控面板的过程中，通过余光就可以及时、准确读取警示灯所传递的信息。

图形具有直观、形象、信息量大的特点，在显示界面合理使用，可增加数控系统的易学易用性。除此之外，数控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。数控系统内部多个功能版面的风格、布局、人机交互方式和信息显示格式应保持一致，有助于操作者在使用设备的过程中快速建立操作习惯，固化操作流程，可大幅度提高操作实效性并减少出错率。

3.2 数控面板

数控面板上有大量的物理按键和操作钮，通常来说，按键的物理尺寸需要略大于人的手指端的面积。根据实验数据显示，按键最小尺寸长度为10 mm，较适宜尺寸长度为 18 mm，最大尺寸长度为25 mm。

按键的分布应按照功能板块进行区域排布，各功能区域间要在颜色上具有明显的界限，用户在操作面板的过程中，可以根据功能板块快速地搜索到目标按键。还应按照按键的常用程度，将最频繁使用的按键设置在板块区域的边缘，以方便操作员快速定位到该按键。

3.3 数控辅件

按照模块化对数控系统的辅件进行设计，是当下流行的技术趋势。这种设计方法的好处是，在设备出现故障时可以快速通过故障诊断确定故障源，以较低的成本代价更换或者维修损坏件，即可恢复机床的正常加工。对于经常插拔的总线类接口，需要按照人机工程学，对插拔力、卡紧力度以及卡座与机械结构之间的空间予以设计。在接口设计上还要考虑防呆设计，使工人在光线不良的车间或机床钣金罩内都能方便的进行使用。

对于手持单元类设备，在设计过程中就需要重点考虑人体手掌的握持姿势以及各个功能开关按钮的使用便利情况。为了便于握持和操控，手持单元上的按钮开关不宜设计的过大，相反，要略小于数控面板上的同类按键开关。这样操作员在使用时，会在潜意识中使用更小的力量去操作，避免暴力使用，可以大幅度提高手持单元产品的使用寿命。该产品通常通过挂钩和磁铁悬挂于机床床身钣金上，磁铁的吸力需要设计在合理水平，磁吸力既不能过大造成手持单元吸附时对外壳的撞击力太大，磁吸力也不能过小，容易造成产品跌落损坏。

四、结束语

基于用户体验的人机交互设计理念在工业产品中的应用，将会赋予产品更高的附加价值，为用户提供不仅仅是功能上的需求，更能满足用户使用上的心理需求。其设计理论与方法的研究与应用突出“以人为本”的理念和以用户为中心的设计原则，有利于促进建立用户对机电产品的良好印象，提高产品的用户体验，对提升我国先进制造装备的高品质设计不仅具有现实的经济意义，从提升产品的国际竞争力上来说更具有长远的战略意义。