人机工程学在机械设计_制造中应用的必然性

黑龙江科技学院工程训练与基础实验中心 孟庆强

摘 要:通过对人机工程学与机械设计、制造的相互关系的解说,进一步对人 机 环境系统各要素间的关系和人机工程学对机械设计、制造学科的作用等方面作了阐释。提出人机工程学为机械设计开拓了新的思路;同时指出未来应把设计学科的内容提高到人性化设计的高度上来,真正使设计符合人机工程学的原理和特点。

关键词:人机工程学;机械设计;环境;安全;功能分配

Abstract:The paper expounds the relati onship among key elemen ts from man-machi ne-environ ment system and the influ ence of man-machine engineering on machine desi gn and manufacture.It p uts forward a new idea of how to use it in machine desi gn and points out that the design should be raised up to a humanization one in the future to make design being in conformity wi th the principle and characteristies of man-machine engineering.

Keywords:man-machi ne engineeri ng;machine design;environment;safety;functional assignment

人机工程学是运用生理学、心理学和其他有关学科知识,使机器和人相互适应,创造舒适和安全的环境条件,从而提高工效的一门学科。它把人和机器视为一个有机结合的系统,指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜的代价后可获得整个系统的最佳效益。人机工程学不仅涉及到工程技术理论,还涉及到人体解剖学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。将人机工程学应用在机械设计、制造中可以创造出最佳设计和最适宜的条件,使人、机、环境实现高度协调统一,形成高效、经济、安全的有机系统。

1 生产生活对机械设计、制造的要求

机械设计、制造是一项极其复杂的工程,在设计过程中不仅需要设计人员考虑机械的材料、力学、温度、工作环境、工作强度和频率等因素外,还要求充分考虑人 机 环境之间的关系,也就是我们常说的人机工程学。机械简单地说仅是为减轻人的劳动强度而设计的一种机械装置,无论其自动化、智能化程度发展到什么程度,它始终是一种为人类服务的工具。通过人 机器、人 人、环境 组织、组织 技术的接口技术,以技术为中心的设计系统逐渐转变为以人为中心的、人和计算机集成的系统。人在现代设计系统中的作用越来越重要。

现代化生产要求在设计机械产品时,要充分考虑机器如何适合人的要求,以创造一种合理的、适合人的功能特点的机械和劳动条件,要求在设计中综合考虑人的能力,技术水平和外界环境的特点,使技术更适合于人;并考虑到机械产品在不同环境条件下,对环境的控制和安全维护措施的要求,保护操作者的健康和能力,充分发挥人的潜力,使人机系统整体效率达到最大值。

2 人 机 环境协调的重要性

随着科学技术的高度发展,现在向企业提供那种只注重机器本身效率的机械产品已不合时宜。企业工人希望向他们提供的机械产品能综合考虑人的情绪、能力、习惯和所处的环境等因素,希望他们所操作的机械不要付出过强的体力劳动,并能使操作者始终保持精神饱满。

(1)便于操作、观察、调整与维护。在工厂里,人机关系倘若处理不好,对工作效率影响很大。如机具太低工人必须弯腰工作,这不仅易疲劳,而且常年如此会使工人驼背;如照明不好,就会影响操作的准确度。因此机器各部件的相对位置的安排,应考虑到便于操作观察和调整、维护。设计原则是操作要简单,操作位置、修理位置和信息源的数量尽量减少,操作部件的位置、大小、加力方向要和一般人的身材特征相适应。不同类型的操作部件要有明显区别,信号显示方式也要有所不同

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起重运输机械! 2007(10)等。例如普通车床的床头箱在左边,而镗床的镗头在右边,都是为了适应右手的操作习惯。普通车床的车刀与刀架较小,为便于操作,刀架一般布置在工件前面。外圆磨床的砂轮架较大,为便于操作者接近工件,一般布置在工件的后边。

驾驶员与汽车的关系是典型的人机关系。汽车驾驶室内部布置应以驾驶员视野良好、乘坐舒适、安全为出发点,方向盘与座椅的相对位置、座垫至脚踏板以及顶棚的距离均应符合标准人体尺寸,方向盘与脚踏板的设计要力求操作轻便。对于操作部件的安排(如开关、键盘、仪表、按钮、手柄、踏板等),除了人站立和坐下时的基本尺寸外,还要照顾到四肢活动范围,尽量使操作控制系统处于最佳工作区域。常用的操作部件最好集中在便于操作的一个区域内,如按钮站、监控台等。显示系统则应处于视觉或听觉的最佳区域。

(2)创造舒适的工作环境。若在优美、整洁的环境里工作,身体就不易疲劳,精神也会保持愉快,产品的数量和质量就会提高。因此,人机工程学十分重视具体的环境对人的工作效率、身体健康的影响。比如噪声问题。在生产和生活中,人们经常因为噪声而苦恼。有些噪声即使声音不大,也会使人烦躁不安。温度、湿度对人的操作也有影响。高温使人的注意力涣散,动作准确性下降,协调能力减弱。据研究,夏季时18∀~24∀,冬季时17∀~22∀,在这种条件下工作,人们的效率高、质量好。人类工程学称它为温度的#快感带∃。美化工作环境包括照明、色彩、音响以及劳动服装设计、劳动机具的造型等多方面内容。国外的研究表明,在其他条件不变的情况下,有的工厂仅对门窗做些改进,使自然光线比较合适,并加以美化,涂上合适的色彩,就能提高劳动生产率5%~15%;改进机器上的照明设备使之亮度适当,造型美观,可提高劳动生产率的10%~30%;在机器、工具上涂上适当色彩,可提高劳动生产率2%~4%。

(3)提供安全防护。安全防护有2方面内容:一方面是采取措施避免操作错误,对机器进行防护。操作错误可能来自于外界或内部的某些干扰而产生的误动作,也可能是由于操作者本身的错误行为而引起的操作错误。采取的措施有:防止超载的安全装置、自动锁紧装置、控制开关的闭锁装置等。另一方面是对操作者人身安全的保护。如行走车辆为了保护驾驶员的安全,已出现防翻滚驾驶台、防震座椅等。人身防护涉及的安全技术很多,如构件可靠性原理,有限损坏原理,冗余配件原理等。另外,报警系统、防护罩、挡板、绝缘外壳、噪声隔缘装置的采用,也都是切实可行的。

3 机械操作中的人机功能分配

人与机器的结合形式依复杂程度不同可分为劳动者 工具、操作者 机器、监控者 自动机器和监督者 智能机器等几种。机器的自动化和智能化使其操纵复杂程度提高,对操作者提出了严格要求,操作者的人体功能也对机器设计提出了特殊要求。人机结合的原则改变了传统的只考虑机械性能的设计思想,提出了同时考虑人与机器2方面因素、以获取最佳技术经济效果的设计思想。人体的功能动作具有对称性及协调性,操作动作的设计应使操作简便、连贯、协调和省力。在人机系统中,岗位设计要同人机界面设计结合起来。岗位设计主要考虑工作空间、工作姿势、座椅形式、工作台面、照明及工具安放位置等合理性;人机界面设计主要考虑控制装置集中方便、仪器显示明显、人机信息交换迅速及时等。通过人机结合的合理设计,可有效地提高人机系统效率。

通过对人体特性和机器特性的权衡分析,将人机系统的不同功能恰当地分配给人或机器称为功能分配。功能分配是提高人机系统效率的关键,例如设计时应考虑人的姿势不同,所能付出的力量也不同;拉力大于提力,提力大于握力,膝部屈曲160%时蹬力最大。此外还应考虑人体无条件反应时间为0 11~0 115s等。

造成产品与人体能力之间不甚协调的基本原因有2个:一是在作产品设计时,对人机协调性不够重视,没有认真对待,而是强调人体如何去适应产品。由于人的能力是有限的,对产品的适应性也是有限的,所以就不可能达到期望的人机协调性;二是人类对自身生理特点的认识在逐步深化,认识肤浅时则不能提出作为产品设计的约束条件。

4 结束语

综上所述,现在的机械设计中,不仅是机 电的结合,更应该是机 电 人的结合。只有在现代

(下转第9页)

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起重运输机械! 2007(10)与链条及托板材料有关也与运行线速

度有关

第2部分是在运行过程中链条作变速运动引起的动载荷,链条前进加速度

a c=d V

d t=-

D1

2

1sin d

d t=-

D1

2

21sin

式中 =&180%/Z1

D1 主动链轮的节圆直径

Z1 主动链轮的齿数

1 主动链轮的角速度

可以得到由动载荷引起的链条的拉力

F2=(m1+m2)a c=-D1

2

(m1+m2) 21sin

链条的总拉力F Z1=F1+F2

=(m1+m2)f v-D1

2

(m1+m2) 21sin

由于 =&180%

Z1

,D1有时是负值,所以最大值

应该是2项绝对值的叠加。

3 4 输送机启动时链条拉力的计算

启动时由于输送链的加速度较大,这时链条的总拉力

F Z2=(m1+m2)f j+(m1+m2)a q

=(m1+m2)(f j+a q)

式中 f j 链条与托板之间的静摩擦系数 a q 启动时输送链的加速度

在设计时,根据F Z1和F Z2的大小选择滚子链条的节距,并进行强度校核。

4 结束语

本文以纤维缠绕机在缠绕过程中芯模的自动装卸问题作为研究对象,对芯模自动搬运和传输的有关结构进行了分析研究,对纤维缠绕机装卸芯模提出了新的工业解决方法。该机构减轻了工人的劳动强度,提高了生产自动化水平和劳动生产率,保证了产品质量和生产安全,值得在机床、运输等机械上推广运用。

参 考 文 献

1 裘为章 物料搬运自动化.北京:机械工业出版社,

1991

2 成大先 机械设计手册 北京:化学工业出版社,2004

3 马纲,王之栋 工业机器人常用手部典型结构分析 机

器人技术与应用,2001(2)

4 工业机械手设计基础编写组 工业机械手设计基础 天

津:天津科学技术出版社,1980

5 王义行 链条输送机 北京:机械工业出版社,1996

作 者:田会方

地 址:武汉理工大学马房山校区西院74信箱

邮 编:430070

(上接6页)

工业的设计阶段充分考虑人机工程人的因素,符合人机工程学原理的人性化设计,才能达到对操作者身心健康和人性的尊重,发挥和实现机械设计的全部效能。

参 考 文 献

1 严杨 人机工程学设计应用 北京:国轻工业出版社,

1993

2 丁玉兰,郭钢,赵江洪 人机工程学 北京:京理工大

学出版社,2000

3 吴宗泽 机械设计禁忌500例 北京:机械工业出版社,

19974 丁玉兰 人机工程学 北京:北京理工大学出版社,

2000

5 周美兰 工业设计应用人机工程学 北京:中国轻工业

出版社,2001

6 裘建新 现代工业制造中的人机工程学 机械制造,

2002

7 刘春荣 现代制造系统中的人因工程 机械设计与制造

工程,2002

8 徐灏 机械设计手册(第2版)1、2分册 北京:机械

工业出版社,2000

作者地址:北京市海淀区魏公村街1号韦伯豪4 202室

邮 编:100081

收稿日期:2007-03-20

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