木工宽带砂光机人机界面优化与评价研究
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摘要
人机工程学(Ergonomics)的核心问题是设计一个良好的人机界面。合理的人机界面设计对系统的安全性、工作效率、操作人员的舒适性以及保障操作人员的身心健康都具有十分重要的作用。
随着我国加入WTO的形势，对木工机械的安全性、舒适性等方面的人机工程学提出了越来越高的要求，在人机界面方面的研究已开始受到关注，并将成为木工机械研究方面的主要内容之一。长期以来，国内在设计砂光机的人机界面时大都是以经验方式或者仿造国外产品设计，缺乏充足的理论支持，也不符合我国人体尺寸参数，而在这方面的研究基本属于空白，特别是其与人机工程学相结合的研究尚无前例。
本研究运用人机工程学理论和设计原则，首次在国内对BSG2713QA四砂架双面宽带砂光机的显示／控制、操作调节和噪声三个界面进行了深入的实验与理论研究，指出了木工宽带砂光机人机界面设计中存在的问题；通过实验研究和理论分析，确定出砂光机人机界面的优化参数和设计方案；提出了评价设计方案优劣的指标—人机界面优度的概念，并应用模糊数学理论，创建了一种分层次人机界面模糊综合评判系统模型(FCES)和人机界面优度计算公式，用于对人机界面进行评价和促进人机界面的优化设计。
研究中依据调节旋钮直径尺寸、形状要适合人的手形，使人能用最大力并达到最大扭矩的功效的基本要求，自行设计测试系统，测试、研究了定厚调节旋钮的操作人机界面参数对最大操作扭矩的影响，实验表明：旋钮形状对最大扭矩有较明显的影响，特别是直径越大，其差别比较明显；最大扭矩随着直径的增加而增大，但不是直线增加，当直径超过75mm时，最大操作扭矩反而下降。
运用人机界面设计的具体原则，对木工宽带砂光机的显示／控制界面进行的分析和优化设计，从显示元件的布局、控制元件的布局、控制台的几何尺度，显示和控制界面的匹配编排等几方面进行了优化，提出了具体的设计方案。
在我国从生理和心理指标研究木工机械噪声问题尚未见报道的情况下，首次对砂光机的噪声性质和频谱构成进行分析可知，砂光机噪声属于中低频噪声，其噪声对人心率的影响测试表明：尽管个人差和时间变化的影响都很显著，但随着噪声暴露时间
摘 要
的增长，噪声的影响很明显。而这种心率的增加，属于紧张引起的心理负荷，容易导
致判断能力下降和误操作，其危害不可忽视。
首次提出用设定一个虚拟噪声源的方法，预测噪声测试点周围的噪声，并依此绘
制砂光机噪声传播的声压等值线图，为选择控制台的安装位置提供了依据。在！〕前，
对降低或隔离砂光机的噪声尚无有效方法和技术措施的情况下，提出合理选择砂光机
控制台的安装位置和佩带噪声个体防护用具是防噪声的有效途径。
关于人机界面的优化评判问题研究很少，特别是木工机械的人机工程优化评判的
研究国内外还未见报告。本研究运用模糊数学理论与基本原理，用分值集合取代模糊
集合的方法，避开了建立隶属函数的难题，创建了一种分层次模糊综合评判系统模型。
该系统包括评判模型、模型的结构层次、指标体系、评价标准、权重系数、评价指标、
计算公式、程序计算软件等内容。该评判系统不仅能对人机界面的几何尺度因素进行
评价，而且对非几何尺度因素也能评价，有效地解决了对人机界面复杂因素定量化评
价的问题。
围绕所研究的问题，首次建立了评价人机界面的指标体系，该指标体系将大量人
机工程实验数据、人体生物力学数据、人体解剖学数据、人体测量学统计数据与己有
的研究结论统一起来；应用层次分析法（AHP）的特性，通过求算比较矩阵的最大特
征值所对应的特征向量，确定出每一层次的全部评价因素相对重要性次序的权值，用
数学的方法将定性分析进行定量化处理；提出人机界面优度的概念和计算方法，作为
人机界面的评价指标，人机界面优度是0～l之间的一个数值，数值越接近1，说明
人与机械之间的匹配合理程度越好。
结合人机界面多层次模糊综合评判实际，开发了《砂光机人机界面多层次模糊综
合评判系统》软件。该系统是在WINDOWS 2000下应用Delphi高级程序语言开发的、
基于数据库的多层次模糊评价系统，具有界面友好、操作简便、层次分明、功能较完
善、算法科学、实时存取、体现开放性和可扩展性等特点，系统可在 W i ndows
98／ME／ZK／XP下运行。
最后，用新开发的人机界面分层次模糊综合评判系统软件，对优化前后的砂光机
人机界面进行了评价，并获得评价结果。
本研究结合国内木工宽带砂光机人机界面的实际问题，进行了一系列的实际调
3
摘 要
查、测试实验分析和理论研究，获得解决这些问题的方案和有理论价值的结论，对其
它木工机械人机界面的优化设计有一定的参考作用。为进一步研究、儿发、建立木【＿
机械人机界面专家评价数据库和家具人机界面专家评价数据库提供一利。可鉴沿的理
论方法。
The core research of ergonomics should emphasize on good human-machine interface. A reasonable human-machine interface design is important for the safety of the whole system, ensuring the working efficiency and the worker' s comfortability and healthy.
After China entered the WTO, the study on the human-machine interface of woodworking machinery has caught attention of the ergonomics research, and will be one of the most important research project of woodworking machinery. For a long time, the design of the human-machine interface of sander in China is in an experience way or in a modeling way. Those research methods neither based on efficient theory nor conformed to Chinese . But nothing has been done in this area, especially on ergonomics of the sander.
Based on ergonomics theory and its design principles, after doing much experimental test and theoretical analysis, this paper mainly studied on three human-machine interfaces of sander BSG2713QA(the display/control, operation adjusting and noise). Meantime, by experiments and theoretical analysis, this paper pointed out the problems in the old design, obtained the optimum parameters and the design scheme, put forward the goodness-of-fit of human-machine interface as an assessment index, established a stratification fuzzy comprehensive evaluation system(FCES) and the calculating expression of the goodness-of梖it for evaluating and optimum design of human-machine interface.
The principle of the research is that the diameter and shape of the operating knob must be fit for the worker' s hand to make sure the worker can
use the maximum strength to attain the maximum torque. How does the dimension of the knob effect the operation human-machine interface was tested by the designed testing system. The result is that the shape of the knob, especially when the knob has a large diameter, has the distinct effect on the maximum torque, and the maximum torque is increasing when the diameter of the knob is increased. But the increasing of the maximum torque is nonlinear. When the diameter of the knob is over 75cm, the maximum torque is decreased.
In the display/control interface design of sander, the layout of the display and control component, the geometric size of control platform, the matching and arranging of display and control interface of belt Sander for the woodworking industry was considered. The specific optimum design scheme was put forward.
In the noise interface design of sander, the characteristics and spectrum structure of the noise was analyzed. The result is that the sander noise has low and middle frequency. With the increasing of the exposure time, the effect of the noise is more distinct. And the increase of rate of the workers will lead to the decrease of the operation ability and judgment. This can not be ignored.
For the first time this paper used a virtual noise source, after forecasting the mesh densification and increasing the sound pressure level in certain point, the isoline map of propagation of the sander Noise level was drew. This can provide bases for choosing the position of the control platform. Up to now, there is not an efficient method to decrease or isolate the sander sound. So the reasonable position and wearing preventing appliance is an efficient way to prevent the sound.
The study on optimality evaluating of human-machine interface, especially of the woodworker' s human-machine interface is not reported. Based on fuzzy mathematics theory, this research established a multi-layer fuzzy
comprehensive evaluation system. This system includes evaluation model, the structure of the model, index system, evaluation criterion, weight coefficient, evaluation index, calculating expression and calculating software. Not only can the evaluation system evaluate the geometric dimension element of human-machine interface, but can evaluate the non-geometric dimension element. This is an efficient way to solve the rational evaluation of the complex element of human-machine interface.
For the research project we first estab
随着我国加入WTO的形势，对木工机械的安全性、舒适性等方面的人机工程学提出了越来越高的要求，在人机界面方面的研究已开始受到关注，并将成为木工机械研究方面的主要内容之一。长期以来，国内在设计砂光机的人机界面时大都是以经验方式或者仿造国外产品设计，缺乏充足的理论支持，也不符合我国人体尺寸参数，而在这方面的研究基本属于空白，特别是其与人机工程学相结合的研究尚无前例。
本研究运用人机工程学理论和设计原则，首次在国内对BSG2713QA四砂架双面宽带砂光机的显示／控制、操作调节和噪声三个界面进行了深入的实验与理论研究，指出了木工宽带砂光机人机界面设计中存在的问题；通过实验研究和理论分析，确定出砂光机人机界面的优化参数和设计方案；提出了评价设计方案优劣的指标—人机界面优度的概念，并应用模糊数学理论，创建了一种分层次人机界面模糊综合评判系统模型(FCES)和人机界面优度计算公式，用于对人机界面进行评价和促进人机界面的优化设计。
研究中依据调节旋钮直径尺寸、形状要适合人的手形，使人能用最大力并达到最大扭矩的功效的基本要求，自行设计测试系统，测试、研究了定厚调节旋钮的操作人机界面参数对最大操作扭矩的影响，实验表明：旋钮形状对最大扭矩有较明显的影响，特别是直径越大，其差别比较明显；最大扭矩随着直径的增加而增大，但不是直线增加，当直径超过75mm时，最大操作扭矩反而下降。
运用人机界面设计的具体原则，对木工宽带砂光机的显示／控制界面进行的分析和优化设计，从显示元件的布局、控制元件的布局、控制台的几何尺度，显示和控制界面的匹配编排等几方面进行了优化，提出了具体的设计方案。
在我国从生理和心理指标研究木工机械噪声问题尚未见报道的情况下，首次对砂光机的噪声性质和频谱构成进行分析可知，砂光机噪声属于中低频噪声，其噪声对人心率的影响测试表明：尽管个人差和时间变化的影响都很显著，但随着噪声暴露时间
摘 要
的增长，噪声的影响很明显。而这种心率的增加，属于紧张引起的心理负荷，容易导
致判断能力下降和误操作，其危害不可忽视。
首次提出用设定一个虚拟噪声源的方法，预测噪声测试点周围的噪声，并依此绘
制砂光机噪声传播的声压等值线图，为选择控制台的安装位置提供了依据。在！〕前，
对降低或隔离砂光机的噪声尚无有效方法和技术措施的情况下，提出合理选择砂光机
控制台的安装位置和佩带噪声个体防护用具是防噪声的有效途径。
关于人机界面的优化评判问题研究很少，特别是木工机械的人机工程优化评判的
研究国内外还未见报告。本研究运用模糊数学理论与基本原理，用分值集合取代模糊
集合的方法，避开了建立隶属函数的难题，创建了一种分层次模糊综合评判系统模型。
该系统包括评判模型、模型的结构层次、指标体系、评价标准、权重系数、评价指标、
计算公式、程序计算软件等内容。该评判系统不仅能对人机界面的几何尺度因素进行
评价，而且对非几何尺度因素也能评价，有效地解决了对人机界面复杂因素定量化评
价的问题。
围绕所研究的问题，首次建立了评价人机界面的指标体系，该指标体系将大量人
机工程实验数据、人体生物力学数据、人体解剖学数据、人体测量学统计数据与己有
的研究结论统一起来；应用层次分析法（AHP）的特性，通过求算比较矩阵的最大特
征值所对应的特征向量，确定出每一层次的全部评价因素相对重要性次序的权值，用
数学的方法将定性分析进行定量化处理；提出人机界面优度的概念和计算方法，作为
人机界面的评价指标，人机界面优度是0～l之间的一个数值，数值越接近1，说明
人与机械之间的匹配合理程度越好。
结合人机界面多层次模糊综合评判实际，开发了《砂光机人机界面多层次模糊综
合评判系统》软件。该系统是在WINDOWS 2000下应用Delphi高级程序语言开发的、
基于数据库的多层次模糊评价系统，具有界面友好、操作简便、层次分明、功能较完
善、算法科学、实时存取、体现开放性和可扩展性等特点，系统可在 W i ndows
98／ME／ZK／XP下运行。
最后，用新开发的人机界面分层次模糊综合评判系统软件，对优化前后的砂光机
人机界面进行了评价，并获得评价结果。
本研究结合国内木工宽带砂光机人机界面的实际问题，进行了一系列的实际调
3
摘 要
查、测试实验分析和理论研究，获得解决这些问题的方案和有理论价值的结论，对其
它木工机械人机界面的优化设计有一定的参考作用。为进一步研究、儿发、建立木【＿
机械人机界面专家评价数据库和家具人机界面专家评价数据库提供一利。可鉴沿的理
论方法。
The core research of ergonomics should emphasize on good human-machine interface. A reasonable human-machine interface design is important for the safety of the whole system, ensuring the working efficiency and the worker' s comfortability and healthy.
After China entered the WTO, the study on the human-machine interface of woodworking machinery has caught attention of the ergonomics research, and will be one of the most important research project of woodworking machinery. For a long time, the design of the human-machine interface of sander in China is in an experience way or in a modeling way. Those research methods neither based on efficient theory nor conformed to Chinese . But nothing has been done in this area, especially on ergonomics of the sander.
Based on ergonomics theory and its design principles, after doing much experimental test and theoretical analysis, this paper mainly studied on three human-machine interfaces of sander BSG2713QA(the display/control, operation adjusting and noise). Meantime, by experiments and theoretical analysis, this paper pointed out the problems in the old design, obtained the optimum parameters and the design scheme, put forward the goodness-of-fit of human-machine interface as an assessment index, established a stratification fuzzy comprehensive evaluation system(FCES) and the calculating expression of the goodness-of梖it for evaluating and optimum design of human-machine interface.
The principle of the research is that the diameter and shape of the operating knob must be fit for the worker' s hand to make sure the worker can
use the maximum strength to attain the maximum torque. How does the dimension of the knob effect the operation human-machine interface was tested by the designed testing system. The result is that the shape of the knob, especially when the knob has a large diameter, has the distinct effect on the maximum torque, and the maximum torque is increasing when the diameter of the knob is increased. But the increasing of the maximum torque is nonlinear. When the diameter of the knob is over 75cm, the maximum torque is decreased.
In the display/control interface design of sander, the layout of the display and control component, the geometric size of control platform, the matching and arranging of display and control interface of belt Sander for the woodworking industry was considered. The specific optimum design scheme was put forward.
In the noise interface design of sander, the characteristics and spectrum structure of the noise was analyzed. The result is that the sander noise has low and middle frequency. With the increasing of the exposure time, the effect of the noise is more distinct. And the increase of rate of the workers will lead to the decrease of the operation ability and judgment. This can not be ignored.
For the first time this paper used a virtual noise source, after forecasting the mesh densification and increasing the sound pressure level in certain point, the isoline map of propagation of the sander Noise level was drew. This can provide bases for choosing the position of the control platform. Up to now, there is not an efficient method to decrease or isolate the sander sound. So the reasonable position and wearing preventing appliance is an efficient way to prevent the sound.
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引文
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