基于现代设计方法的电气控制台设计
摘要：本论文使用人机工效学设计、可视化设计等现代设计方法，对电气控制台的产品结构、尺寸等进行优化设计，以人的生理、心理需求为出发点，改善了电气控制台上控制面板的人机交互关系，对于设计高质量的电气控制台具有重要的参考价值。
关键词：现代设计方法、人机工效学、可视化、电气控制台
1.概论
随着市场竞争的日益激烈以及消费者对产品宜人性要求的提高，电气控制台的设计已成为影响相关企业竞争力的重要因素，以人机工效学为基础的一些现代设计方法在设计电气控制台过程中的应用受到越来越多的重视。
1.1 相关设计方法简介
1.1.1 人机工效学简介
人机工效学简称人机学，是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人、机器及环境的相互作用、研究工作中、家庭生活中与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效率等问题的学科。若不考虑环境的影响，就简单的人机系统，人与机的关系如图1所示。
大脑眼耳人人机界面机显示器手脚控制器机器 图1 人机系统 图 1 人机系统比较人与机器的能力，机器适合于承担笨重、快速、单调、精细、规律性强，大量或复杂的运算和恶劣环境下的工作。人更适合承担程序编制、监护、故障排除、
意外情况处理等工作。
人机工效学设计是研究人、对象与环境间的相互关系的设计方法。其侧重在对工具、设备及工作场所进行设计，对作业条件进行优化，使得作业更能够与人相适应，大大提高工作效率。
1.1.2可视化设计
可视化设计是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的一种设计方法。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。
1.2传统电气控制台与现代电气控制台比较
控制台由于其独有的优点，被广泛应用在机械、电子、医学、通信、化工等各个领域。尤其是电气控制台，更为典型。相比早期的控制台而言，现在流行的电气控制台的设计由于引入了人机工效学等现代设计方法，使得其更加人性化、合理化。传统的电气控制台的问题主要是其控制面板上按钮和开关设置不合理，体现在三个方面：一方面，没有充分考虑普遍操作者的身高和工作习惯等实际问题，另一方面，按钮和开关的设置只考虑了面板后的排线的布置，导致按钮和开关间隙要么太小，或者太大。再就是控制面板和按钮不能适应厂房、工作间的环境，容易发生打皱、皲裂、磨损严重、字符不清楚等问题。
而当今市面上流行的电气控制台无论在设计还是材料等方面有很大的改善：首先，其控制面板设置了防差错，把位置相近的按钮或开关以及外观相同而作用相反的按钮或者开关，采用贴警示牌或者符号区别警示，方便操作者在任何时候都能清醒看到防差错；其次，当前电气控制台用图形液晶显示器件来显示有关的信息,良好的人机交流界面（例如采用触摸屏），使整个硬件结构紧凑，显示方式直观明了；再次，其控制面板的按钮和开关位置设置更合理，更符合操作者的工作习惯；最后，设置多个紧急按钮，发生异常时可及时停机，使得安全性大大提高。
2.电气控制台的整体设计
2.1控制台的形式的确定
常见的控制台形式有以下几种：
桌式控制台：其结构简单，台面小巧，视野开阔，光线充足，操作方便。适用于显示、控制器件数数量较少的控制。
直柜式控制台：其构成简单，台面较大，视野效果较好。适用于显示、控制期间数量较多的控制，一般多用于无需长时间连续监控的控制系统。
组合式控制台：其组合方式千变万化，有台和台、台和箱、柜和柜等组合方式，具体视其功能要求而定。与桌式控制台相比，虽然其结构较复杂，但它除了布置显示、控制器件外，还可以将有关的电器元器件配置在箱柜中，是一种风格独特的控制台。
弯折式控制台：它与弧形控制台属于一种形式，其结构复杂，适用于显示、控制器件数量很多的控制，一般多用于需长时间连续监控的控制系统。与直柜式控制台相比，具有监视观察视野佳、控制操作舒适方便等特点。
由于我们设计的控制台较简单，工作台上只需放置有控制面板和显示器，故使
用最简单的桌式控制台的形式即可满足要求。
2.2控制台设计的要点
控制台的设计，最关键的是控制面板与显示器的布置必须位于操作人员正常的作业空间范围内。保证操作人员能良好地观察必要的显示器，操作所有的控制器，以及为长时间工作提供舒适的作业姿势。控制台有时在操作人员前侧上方也有作业区，当然所有这些区域都必须在可视可及区内。因此，控制台设计的主要工作是客观地掌握人体尺度。
2.2.1控制台作业面
图2为较方便舒适的显示控制作业面。该图是基于普通人人体测量学数据作出的。根据图中阴影区的形状来设计控制台，可使得操作者具有良好的手-眼配合协调性。
图2 普通人显示控制作业面
我们设计的控制台是坐姿台式控制台，其可以完全按照此作业面的布置区域来布置我们所设计的控制台。
2.2.2显示器面板型式
控制台显示器面板大多为平坦的矩形。但对于大型控制室内，常将控制台设
计成显示-控制分体式，即显示器面板与控制台分开配置。此种类型的控制台，其面板形状应具有灵活性。对分体式控制台应采用展开U型或半圆形等型式，选型时应充分考虑到操作人员的立体操作范围。
我们设计的控制台比较简单，只需要使用较简单的矩形显示器面板就可以满足设计要求。
2.3控制台的设计
常用的控制台设计有以下几种：
坐姿低台式控制台：当操作者坐着监视其前方固定的或移动的目标对象，而又必须根据对象物的变化观察显示器和操作控制器时，则需按坐姿低台式控制台来设计。
坐姿高台式控制台：当操作者以坐姿进行操作，而显示器数量又较多时，则设计成高台式控制台。与低台式控制台相比，其最大特点是显示器、控制器分区
域配置。
坐立姿两用控制台：操作者按照规定操作内容，有时需要坐着、有时又需要立着进行操作时，则设计成坐立两用控制台。这一类型的控制台除了能满足规定操作内容的要求外，还可以调节操作者单调的操作姿势，有助于延缓人体疲劳和提高工作效率。
我们设计的控制台是让操作者坐着，一边监视显示器，一边操作控制器，故我们设计控制台的时候应按照坐姿低台式控制台来设计。
根据标准控制台所给的参考尺寸，我们确定了整个控制台的设计方案，并绘出三维图3如下：
控制台最大高度：144cm 控制台深度：100cm 台面至顶部高度：66cm 面板倾角：38° 最小容膝空间：45cm 最小大腿空间：16.5cm 控制台表面高度：78cm 座高：55cm 控制面板宽度：91cm 最小容脚空间：10cm
图3 电气控制台三维图像
3.电气控制台控制面板设计
基于人机工效学的控制面板设计的基本思路是：根据操作人物、功能要求和工效学准则，在显示和控制单元之间建立约束条件，进行优化，得出满足优化条件的布置方案。由于得出的布置方案不一定唯一，还可能需要进行进一步的交互处理。
3.1控制面板设计的工效学准则
满足工效学准则的控制面板能够提升人的工作效率，因此，是否应用工效学准则成为评判控制面板设计好坏的一个标准。常用语控制面板设计的工效学准则有：
（1） 操作空间相容性准则； （2） 功能单元使用频率准则； （3） 功能单元重要性准则； （4） 功能单元按功能分组准则； （5） 功能单元使用序列准则。
由于这些工效学准则之间在一些具体问题上的权重不同，因此不同的控制面板设计中，可能采用了不同的或部分准则。
3.2控制面板设计
该电气控制台的安放形式、按钮颜色等都已经确定，接下来主要讨论控制面板上的按钮的布置方案。控制面板总体布置方案如图4所示。操作区布置方案如图5所示。
图4 控制面板总体布置方案
图5 操作区布置方案
3.2.1操作要求
人坐姿操作时，应有舒适的操作状态，在躯干处于不动的前提下，考虑手的活动范围。图6所示为人在坐姿时，躯干不动，手臂在正前的活动范围，大圆弧为手臂的最大能及范围，小圆弧表示前臂的正常活动范围，而阴影区表示最有利的活动范围。这一点是利用工效学设计的一个约束条件，人应该坐在触摸屏前方进行操作。
图6人坐姿时手臂在正前方向的活动范围
3.2.2面板功能性的表现形式
面板造型设计应特别注意具有内在联系的按钮和开关的布置，使之能符合操作者的逻辑，这就是功能单元按功能分组准则。操作指示内容以线包围区分。其主要
被分为四个区域：电源/主机，指示，操作开关，功能切换。
3.2.3操作区按键分布规律的表现形式
操作区按键分布应特别注意按键的使用频率、重要性以及使用序列，使之能符合操作者的操作习惯以及设备的工作顺序。依据功能单元使用频率准则，将电源/主机以及操作开关两个区设在靠近触摸屏的一侧，以方便操作人员的操作；依据功能开关重要性准则，将紧急停止按钮放在左上角，以利于操作人员在出现故障时迅速反应；依据功能开关使用顺序准则，将操作开关区中的手动开关置于近触摸屏一侧，方便操作人员对操作过程进行监控。
4.结论
通过以上现代设计方法在电气控制台设计中的应用，我们对该电气控制台及控制面板进行了优化设计，不仅可以提高操作人员作业时的舒适性和耐久性，而且控制面板的布置遵循操作人员使用习惯以及人机协调关系，提升了使用者的工作效率。
参考文献
[1]王坤茜.基于人机工程学的数控机床控制面板设计[J].中国制造业信息化,2003,32(3)
[2]陈萌.基于人机工效学的人体建模和运动仿真[J].机械科学与技术,2001,20(4) [3]龚俊,柯胜男,鲍曙明.顾及高效可视化的CAD模型数据重组织方法[J].计算机应用研究,2008,25(10)
[4]陈玉婷,叶繁,郭勇.人体工程学在桌台类家具设计中的应用[J].西北林学院学报,2008,23(4)
[5]朱彦.电气控制台的工业设计要素分析及改进设计[J].机械制造,2008,46(8)
