人机工程学在数控机床设计中的应用.pdf

杌翻 研究 _与应用 2 0 1 2 年 第4 期 总 第1 2 0 期 应用与试验 人机工程学在数控机床设计 中的应 用 张高 美 肇庆科技职业技术学院， 广东 肇庆5 2 6 1 1 4 摘要 根据人机工程学中的相关原理及知识， 从数控面板、 把手、 观察窗、 安全防护及色彩五方面着手， 在人体 自然放 松状态下。 结合人体立姿眼高、 人体立姿肘高、 人体屈臂操纵力的特性、 色彩与人心理感受的关系等知识， 进行 数据、 形态及色彩的分析， 使数控机床、 操作者与环境相互和谐从而保障操作人员安全， 同时高效开展工作。 关键词 人机工程学； 数控机床； 和谐； 安全； 高效 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 4 1 4 2 0 1 2 0 4 0 1 3 1 0 2 Ap p l i c a t i o n o f e r g o n o m i c s i n NC m a c h i ne t o o l s de s i g n Zh a ng Ga o me i Z h a o q i n g s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y p o l y t e c h n i c ， Z h a o q i n g G u a n g d o n g 5 2 6 1 1 4， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n p ri n c i p l e s a n d k n o w l e d g e o f e r g o n o mi c s ， t h e f o l l o w i n g as p e c t s a r e ma i n l y d i s c u s s e d i n c l u d i n g n u me ri c a l l y c o n t r o l l ed p a n e l ，h a n d l e，o b s e r v a t i o n w i n d o w，s a f e t y p r o t e c t i o n a n d c o l o r i n t h i s p a p e r ．T h e s i z e， f o r ms a n d c o l o r o f NC ma - c h i n e t o o l s are a l s o a n a l y z ed ．Al l o f t h i s a c c o r d i n g t O t h e k n o w l e d g e o f e y e s h e i g h t a n d e l b o w S h e i g h t wh e n p e o p l e s t a n d i n g c o mf o r t a b l e，t h e f e a t u r e s o f p e o p l e b e n d i n g t h e i r a l ms ，a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o l o r an d p s y c h o l o g i c a l f e e l i n g ．Th u s t h a t c o u l d ma k e a h a r mo n i o u s r e l a t i o n s h i p a mo n g t h e o p e r a t o r s ，t h e wo r k e n v i r o n me n t a n d ma c h i n e C an e n s u r e t h e s e c u ri t y o f t h e o per a t o r s a n d i mp r o v e t h e wo r k i n g e ffic i e n c y ． Ke y wo r d s e r g o n o mi e ；NC ma c h i n e t o o l s ；h a r mo n i o u s ；s e c u ri t y；e ffic i e n c y 1 人机工程学概况 随着我国工业化程度的不断加深 ， 我国对数控机 床的需求量也明显增 加。2 0 1 0年， 数控机床全年产 量 2 3 9万 台， 同 比增 长 5 6 ％。2 0 0 52 0 1 0年 间数控 机床年均增长率为 3 0 ． 2 ％ ， 行业增长迅速⋯。人机 工程学是根据解剖学、 生理学 、 心理学等方面的因素 ， 研究人 、 机器 、 环境相互作用的一门学科 ， 目的是为了 人们能够健康、 安全、 舒适和高效的工作和生活。随 着我国对数控机床需求量的不断增加， 数控机床操作 员也将大幅增加。因此， 如何为操作员创造一个良好 的工作环境， 让他们能够与机器友好、 轻松、 高效的交 流显得十分重要 。 影响数控机床与人交流的主要因素有数控面板 、 门把手、 观察窗以及数控机床外罩的色彩、 安全防护 设计等因素。因此笔者针对 以上内容结合人机工学 进行分析 ， 使人一 机一 环境达到最佳匹配。 2 0 0 8年 8月 ， I E A 国际人机工程学学会 发布 了 新的人机工程学定义 人机工程学是研究系统中人与 其他组成部分的交互关系的学科， 运用其理论、 数据 和方法进行设计 ， 应达到系统工效优化及人的健康 、 舒适之 目的 J 。它为工业设计 中考虑“ 人的因素” 提 供人体尺度参数 ； 为工业设计 中“ 物” 的功 能合理性 提供科学依据 ； 为工业设计 中考虑“ 环境因素” 提供 设计准则； 为进行人一 机一 环境系统设计提供理论依 据； 为坚持以“ 人” 为核心的设计思想提供工作程 序 ] 。人机工程学作为一种参考性 的标准 ， 应用越 来越广泛 ， 用人机工程学来指导数控机床的设计能确 保人 、 机、 环境系统最优化。 2 数控机床设计中的人机工程学 在数控机床设计中， 涉及到安全的地方都应该使 用“ 单限值设计 ” ， 即只需要 1个人体尺寸百分位数 作为尺寸上限制或下限值的依据 ， 务必考虑适应全体 操作人员。出于经济原 因， 通常 只考虑适应 占总数 9 0 ％ 的人群 ， 同时希望剩下的 1 0 ％ 的人群也能适应 ， 或者对可能的操作人员通过选择加以限制 J 。 其余不涉及安全因素的地方以5 O百分位的人体 尺寸作为设计依据。通过调查分析得知操作数控机 床的人员大部分为男性 ， 因此笔者以成年男性的人体 尺寸作为设计依据 。 2 ． 1 数控面板人机分析 数控机床中的数控面板 主要是以人 眼看和手触 摸为主。因此数控面板最佳高度范围应低于立姿眼 高， 同时高于立姿肘高。在设计尺寸时应考虑人立姿 状态下的眼高、 立姿肘高、 人体穿鞋修正量以及全身 采取自然放松的姿势引起的尺寸变化等因素。此时 采用的数据是中国成年男性 5 0百分位的人体尺寸。 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 5 作者简介 张高美 1 9 8 5 一 ， 女 ， 江西定南人， 助教 ， 研究方向 工业设计。 1 3l 应用与试验 2 0 1 2 年 第4 期 总 第1 2 0 期 机械 研究 与应用 由此可知 立姿肘高≤数控面板高度≤立姿眼高。 将穿鞋修正量以及全身采取 自然放松 的姿势 引 起的尺寸变化因素考虑进去后 ， 得 出数控面板的最佳 高度范围为 1 0 9 41 5 8 3 m m 之间。显示装 置平 面 应与人的正常视线接近垂直 如图 1 ， 以方便认读 和 减少读数误差， 因此若数控面板为倾斜面时， 倾斜的 角度应在 1 5 。 一 3 0 。 之间最佳 ， 如图 2所示。 ’ ／ f 倾斜面 _卜1 5 ～ 3 0 f 1 5 8 3 rM 数控面板 ； 最佳高度 ．蔸固． 1 09 4 a t a a 高 ／ 图 1 显示装置平面与视图2 控面板最佳高度范围 线尽量垂直 构造方面 ， 数控面板可根据需要设计成与机体外 罩一体的贴合式、 悬挂式、 下伸式或分离式等多种形 式。如控制面板为可调 ， 应安装高度、 大小适宜的把 手， 方便操作者根据其所在位置自由调节空间位置。 在数控面板的按键区域 ， 可根据不同的功能划分 为 数字键 区域 、 字母键区域 、 方 向指示键 区域等 ， 不 同区域的按键采用不同的色彩方便操作者区分， 同时 在安排按键 时需要考 虑人们从左 向右的视觉 习惯 。 在按键的色彩方面， 可根据有关技术标准规定和已被 广泛接受认可的色彩表示 如停止、 断电用红色； 启动 用绿色 ； 起停两用 的用黑、 白、 灰这类无色彩的颜色， 忌用有色彩的颜色如红 、 绿等。 2 ． 2 数控机床把手人机分析 数控机床中配有把手的部位一般为机床门把手 以及可调节式的数控面板。对于把手来说 ， 操作员的 主要动作是 以抓握、 推拉为主 ， 因此主要考虑的就是 人手 的抓握范围以及推拉情况下人手腕关节状态。 国家标准的操纵器一般人类工效学要求手掌握 把手 的截面直径尺寸为 1 O一 2 0 ra m， 并且优先选用 l 2 1 8 m m直径 的把手 ， 把手过于粗大或者细小都不利 于人手抓握和施力 J 。传统的把手都是垂直形态， 但是推拉状态下人手施力时垂直的把手容易造成手 腕尺侧偏或桡侧偏 。因此把手的形状必须考虑人体 屈臂操纵力的特性 ， 即在不同操作情况下的把手应稍 微倾斜 ， 使腕关节顺直以便人体施力以及腕关节不受 压 如图 3 。把手 的安装高度应参考中国成年男子 5 0 百分位的立姿肘高 1 0 7 9 m m 的数据。 】 3 2 图3 数控机床把手形态 推 ◆ 2 ． 3 数控机床观察窗人机分析 观察窗的主要作用是操作者可通过其观察加工 工件和机床的运动 ， 这也是机床对操作者重要的信息 反馈 ， 在工作 中操作者对工件及机床的运动观察十分 频繁。因此观察窗的设计是数控机床 中的重点 ， 观察 窗的范围可设计在 中国成年男子 5 O百分位立姿眼高 1 5 6 8 mm 即视平线上偏 5 O 。 、 下偏 6 5 。 内 如图 4 。 - 6 5 。 图4 最佳的垂直观察视野 2 ． 4 数控机床安全防护设计 在安全防护方面主要涉及两方面 一是机床急停 功能的实现； 二是数控机床的外罩。 国际标准 E N ／ I S O 1 3 8 5 0定义 了急停装置的安全 要求和设计原则 。急停要应用于所有的机器 ， 无论该 机器由何种方式控制。当急停指令执行后， 机床运动 立即停止， 直至复位 【 6 】 。急停功能涉及到安全性 ， 按 钮可设计成红色起到警示作用。 数控机床的外罩除了能使整个机床的造型整体 性更强更美观外 ， 最重要的作用是防止人进入危险区 接触高速运动或传动的零件， 带电导体或防止飞溅出 的切屑、 工件 、 刀具等伤人。同时在机床 防护 门上必 须设有防护f - J Y t 关 ， 只有当防护门开关处于关闭锁住 的状态机器才能运转 。该开关 的色彩及形状也是设 计者在设计时要考虑的， 以起到警示的作用部分。 2 ． 5 数控机床外罩色彩人机分析与设计 色彩能唤起人们 的心理感受 ， 给人 以心理 暗示 。 当操作员长时间面对数控机床时， 大面积的机床外罩 色彩在大程度上会影响操作员的心情与工作效率 。 整体来说 ， 数控机床的色彩应上浅下深 ， 给人 以 下转 1 3 5页 机械研究与应用 2 0 1 2 年 第4 期 总 第1 2 0 期 设计与制造 其中安全系数 KI 1 ． 2xl x1 ． 2xl1 ． 4 4 式中 为基本安全 系数 ， 精加工取大值 1 ． 2 ； K 为 加工性质系数 ， 精 加工取 1 ； 为刀具钝化 系数 ， 取 1 ． 2 ； 为切削特点系数 ， 连续切削取 1 ． 0 。 5 夹紧力计算 ’查 表 得 出 M1 2单 个 螺 纹 的 夹 紧 力 为 F 。 。 4 2 0 0 N ， 根据杠杆原理分析可知压块实际受力大于 4 2 0 0 N， 则夹紧力按下式计算 Fw 42 00 x1 4 8 0 ． 1 5 1 2 6 0 N 厶2 ／ 叶 而螺旋压板可提供的夹 紧力经查表得单个 M1 2 的夹紧力为 F o 。 5 8 0 0 N， 则夹紧力按下式计算 F f 4 5 1 a 一 K p 式中 F 0 l 为单个螺旋夹紧力查表 M1 2为 4 2 0 0 N ； 为 压板悬伸部分长度 L 3 0 ram 为压板与工件表面摩 擦系数查表 0 ． 1 0 ． 2 5 ， 取 0 ． 1 5 ； L 为压板总长； L 为压板支撑点长度。经计算得 F满足加工条件。 4 ． 3 分度 该分度对定装置稳定可靠， 采用锥度楔角配合分 度， 这部分不存在分度转角误差， 影响转角误差的是 锥轴与座体 的配合间隙， 影响小 ， 计算如下 j 。由孑 L 的公差是 2 2 -0。2 ， 轴的公差是 咖2 2 0 。 可以计算 出 置 0 ． 0 3 7 。则转角误差按下式计算 丁 r “ r “ -Xm 1 一 等 0 ． 9 9 9 9 9C O S O／． 了 一 l 一 石 厶 l 厶 l 经计算得出 0 ． 0 2 5 6 。 1 3 2 ” 。在设计时转角 公差为 5 ， 满足加工要求。 5 结语 通过上述分析及计算 本套夹具定位准确可靠并 通过使用该夹具工件安装、 加工。以够用为原则， 夹 具零件的加工精度在满足定位夹紧的前提下， 适当降 低精度， 降低制造成本使用标准件和常用件。本夹具 拆卸工件方便 ， 加工质量稳定 ， 大大提高了生产效率 ， 降低了生产成本 ， 减轻了工人劳动强度。 参 考文献 【 1 ] 夏华生， 王梓森． 机械制图【 M ] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 张世昌． 机械制造工艺基础[ M ] ． 天津 天津大学出版社， 1 9 9 6 ． [ 3 ] 李庆寿． 机床夹具设计[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 5 ． [ 4 ] 韩步愈． 金属切削原理与刀具 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 o o 1 ． [ 5 ] 艾兴， 肖诗刚． 切削用量手册[ J ] ． 北京 机械工业出版社 ， l 9 8 5 ． [ 6 ] 吴拓． 现代机床夹具设计[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 9 ． 上接 1 3 2页 稳定安定 的感觉 ， 同时因机床加工容 易产生很多切 屑， 排屑装置再将各种切屑向下传送， 底部设计成深 色能使机床看起来更加干净整 洁。传统 的数控机床 上部通常采用 白色 ， 但操作员长时间面对大面积 白色 时易产生炫 目感 ， 因此不适合 。近年来数控机床的上 部多采用浅灰色 ， 这种颜色能平复人 的心绪使人感觉 平静 ， 但长时间面对会使人情绪低落降低工作效率。 暖色调给人以热情兴奋的感受， 不适宜长时间面 对。因此机床的上部可采用浅的冷色调， 给人 以安定 的情绪。同时在需要提醒操作员注意安全的部位， 如 门、 观察窗等地方局部设计成暖色调 ， 一方面提醒操 作人员注意， 另一方面调节操作人员的心情。 3 总 结 数控机床各部分 的尺寸、 形状及色彩能使人操作 方便、 舒适、 高效， 同时能与环境相适应是将人机工程 学应用到数控机床设计中的关键。其中包括数控面 板、 把手、 观察窗、 安全防护措施 以及色彩等方面。通 过分析人体尺寸、 环境、 心理等因素， 务必使人一 机一 环境相互匹配， 以求在不破坏环境的情况下保障操作 人员的健康、 提高操作人员工作效率。 参考文献 [ 1 ] 罗百辉．年均增长率为 3 0 ． 2 ％我国数控机床市场需求旺盛 [ E B ／ O L ] ． 【 2 0 1 1 1 2 2 8 ] ．h a p ／ ／ w w w ． j d o 1 ． c o r n ． e n ／ j d n e w s ／ 3 5 7 2 3 5 ． h t m1 ． [ 2 ] 阮宝相．工业设计人机工程 第 2 版 [ M ] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 丁玉兰．人机工程学 第三版 [ M] ． 北京 北京理工大学出版 社 。 2 0 o 5 ． [ 4 ] Ma r k S ． S a n d e 。 E rne s t J ． Me C o r mi e k ．Hu m a n f a c t o r s i n e n g i n e e r i n g a n d d e s i g n ． S e v e n t h E d i t i o n [ M] ． 北 京 清华 大 学 出版 社 ， 2 o o 2． [ 5 ] 韩卫国， 胡晓涛． 机床造型设计中的人机工程 [ J ] ． 机电产品开 发与创新 ， 2 0 0 7 2 1 5 5 1 5 7 ． [ 6 ] 陈国强． 浅谈数控机床的安全防护[ J 】 ． 机床电器 ， 2 0 1 I 5 7 9． 1 3 5