哈工大機械系統(tǒng)設(shè)計第7、8章

1、12定義：把人和機械聯(lián)系起來，使機械按照人的指令工作的裝置和定義：把人和機械聯(lián)系起來，使機械按照人的指令工作的裝置和 元件所構(gòu)成的總體。元件所構(gòu)成的總體。1、操縱系統(tǒng)的功能、操縱系統(tǒng)的功能 實現(xiàn)信號實現(xiàn)信號、即把操作者施加于機械的信號轉(zhuǎn)換，、即把操作者施加于機械的信號轉(zhuǎn)換， 傳遞到執(zhí)行系統(tǒng)，以實現(xiàn)機械的起動、停止、制動、換向、傳遞到執(zhí)行系統(tǒng)，以實現(xiàn)機械的起動、停止、制動、換向、 變速和變力等目的。變速和變力等目的。32、操縱系統(tǒng)的組成、操縱系統(tǒng)的組成：操縱件操縱件、變送環(huán)節(jié)變送環(huán)節(jié)和和執(zhí)行件執(zhí)行件。（1）操縱件操縱件：機械：拉桿、手柄、手輪和腳踏板；機械：拉桿、手柄、手輪和腳踏板； 電氣：按鈕

2、、按鍵、開關(guān)；電氣：按鈕、按鍵、開關(guān)； 液壓、氣動：調(diào)節(jié)閥、手柄等。液壓、氣動：調(diào)節(jié)閥、手柄等。 （2）變送環(huán)節(jié)）變送環(huán)節(jié)：將操縱件的信號、運動或作用力通過適當?shù)膶⒉倏v件的信號、運動或作用力通過適當?shù)?信號、能量等的變換和傳遞，以實現(xiàn)控制執(zhí)行信號、能量等的變換和傳遞，以實現(xiàn)控制執(zhí)行 件目的的件目的的。 常用的有杠桿、凸輪、齒輪齒條、絲杠螺母及搖桿等機構(gòu)。常用的有杠桿、凸輪、齒輪齒條、絲杠螺母及搖桿等機構(gòu)。 （3）執(zhí)行件）執(zhí)行件：是與被操縱部分直接接觸的元件。是與被操縱部分直接接觸的元件。 常用的有撥叉、滑塊、氣（液）缸、電磁鐵等。常用的有撥叉、滑塊、氣（液）缸、電磁鐵等。 （4）輔助元件）輔助

3、元件：如定位元件、鎖定和互鎖元件及回拉元件：如定位元件、鎖定和互鎖元件及回拉元件 3、操縱系統(tǒng)的分類、操縱系統(tǒng)的分類：u按操縱力的來源：人力、電動、液壓、氣壓和混合操縱系統(tǒng)。按操縱力的來源：人力、電動、液壓、氣壓和混合操縱系統(tǒng)。u按一個操縱件控制的執(zhí)行件數(shù)：按一個操縱件控制的執(zhí)行件數(shù)：單獨操縱單獨操縱系統(tǒng)和系統(tǒng)和集中操縱集中操縱系統(tǒng)。系統(tǒng)。44、操縱系統(tǒng)的要求、操縱系統(tǒng)的要求：5防防止止意意外外的的應應急急措措施施止止誤誤操操作作，以以保保證證操操縱縱有有效效，防防相相互互關(guān)關(guān)聯(lián)聯(lián)的的操操縱縱應應互互鎖鎖操操縱縱件件應應有有可可靠靠的的定定位位安安全全可可靠靠狀狀況況和和動動作作習習慣慣操操作

4、作順順序序等等要要符符合合人人體體各各操操縱縱件件的的標標記記、布布置置位位置置、運運動動方方向向、操操縱縱件件的的形形狀狀、尺尺寸寸、到到的的舒舒適適操操縱縱范范圍圍內(nèi)內(nèi)操操縱縱行行程程應應在在人人體體能能達達方方便便和和舒舒適適工工程程學學有有關(guān)關(guān)規(guī)規(guī)定定操操縱縱力力大大小小應應符符合合人人機機盡盡量量減減小小操操縱縱力力操操縱縱靈靈活活省省力力 操縱件定位可靠。操縱件定位可靠。操縱件應能長時間可靠地保持在某操作狀態(tài)的位置，操縱件應能長時間可靠地保持在某操作狀態(tài)的位置，不因其他非操縱力的作用而改變其操作狀態(tài)。而且，操縱件一旦因某種原因不因其他非操縱力的作用而改變其操作狀態(tài)。而且，操縱件一旦

5、因某種原因而偏離操作位置時，應有自動回位功能。而偏離操作位置時，應有自動回位功能。 操縱系統(tǒng)應有可調(diào)性。操縱系統(tǒng)應有可調(diào)性。操縱系統(tǒng)應能進行必要的調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的元操縱系統(tǒng)應能進行必要的調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的元件磨損后，經(jīng)過調(diào)節(jié)仍能實現(xiàn)所期望的操縱效果。件磨損后，經(jīng)過調(diào)節(jié)仍能實現(xiàn)所期望的操縱效果。 操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學人機工程學知識回顧人機工程學知識回顧人機工程學：人機工程學：研究機械系統(tǒng)與人和周圍環(huán)境關(guān)系的科學。研究機械系統(tǒng)與人和周圍環(huán)境關(guān)系的科學。 設(shè)計思想設(shè)計思想：1 1）以機器為中心；）以機器為中心；2 2）以）以人人為中心為中心 以機器為中心以機器為中心通常是設(shè)

6、計者考慮問題的出發(fā)點通常是設(shè)計者考慮問題的出發(fā)點如何以最佳的原如何以最佳的原理及結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。理及結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 以人為中心以人為中心通常是用戶或使用者通常是用戶或使用者/操作者考慮問題的出發(fā)點操作者考慮問題的出發(fā)點如何如何以最舒適、最人性化的方式使用機器。以最舒適、最人性化的方式使用機器。操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學 操縱系統(tǒng)是人和設(shè)備直接聯(lián)系的系統(tǒng)操縱系統(tǒng)是人和設(shè)備直接聯(lián)系的系統(tǒng)，它具有閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它具有閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特征。在這個系統(tǒng)中，的特征。在這個系統(tǒng)中，人是指令的發(fā)出者人是指令的發(fā)出者，從觀察周圍環(huán)境，從觀察周圍環(huán)境或從儀表指示中得到信息，經(jīng)過大腦作出判

7、斷后產(chǎn)生相應的動或從儀表指示中得到信息，經(jīng)過大腦作出判斷后產(chǎn)生相應的動作，即作，即操作操作。操作的結(jié)果。操作的結(jié)果使設(shè)備進入新的狀態(tài)使設(shè)備進入新的狀態(tài)，這種新狀態(tài)又，這種新狀態(tài)又從環(huán)境中或顯示儀表中反映出新的信號，又可能使操作者做出從環(huán)境中或顯示儀表中反映出新的信號，又可能使操作者做出新的操作。新的操作。明確人在這個人機系統(tǒng)中的工作能力和方法是合理明確人在這個人機系統(tǒng)中的工作能力和方法是合理設(shè)計操縱系統(tǒng)的重要前提設(shè)計操縱系統(tǒng)的重要前提。 人與設(shè)備相比，人是萬能的，是在人機系統(tǒng)中起決定性作用人與設(shè)備相比，人是萬能的，是在人機系統(tǒng)中起決定性作用的。但是，的。但是，人存在著體力（功率）不足、反應速度

8、慢、準確性人存在著體力（功率）不足、反應速度慢、準確性差、記憶力有限和易疲勞等弱點。因此，只有依據(jù)人的心理、差、記憶力有限和易疲勞等弱點。因此，只有依據(jù)人的心理、生理特征和規(guī)律設(shè)計操縱系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮人在人機系統(tǒng)中生理特征和規(guī)律設(shè)計操縱系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮人在人機系統(tǒng)中的主導作用。的主導作用。操縱系統(tǒng)設(shè)計中的人機工程學操縱系統(tǒng)設(shè)計中的人機工程學簡介簡介一、操縱件的布置一、操縱件的布置 一切設(shè)備的操縱件都應布置在人的肢體活動最有利的區(qū)域內(nèi)，一切設(shè)備的操縱件都應布置在人的肢體活動最有利的區(qū)域內(nèi)，應有利于發(fā)揮人的體能和靈敏反應，并使人感覺舒適。應有利于發(fā)揮人的體能和靈敏反應，并使人感覺舒適。 通常，

9、人都是用手和腳操縱設(shè)備，操縱姿勢分立勢和坐勢兩種。通常，人都是用手和腳操縱設(shè)備，操縱姿勢分立勢和坐勢兩種。在極特殊情況下也可用異常姿勢。在極特殊情況下也可用異常姿勢。操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學1 站立時人肢體的能力范圍和用力范圍站立時人肢體的能力范圍和用力范圍 站立操作的工作范圍分為站立操作的工作范圍分為最有利工作范圍最有利工作范圍、正常工作范圍正常工作范圍和和最大可及工作范圍最大可及工作范圍。 經(jīng)常操縱的操縱件的中立位置和移動范圍應布置在最有利的經(jīng)常操縱的操縱件的中立位置和移動范圍應布置在最有利的工作范圍內(nèi)。工作范圍內(nèi)。人肢體雖然可以移動，但是為了舒適性好和操作人肢體雖然可

10、以移動，但是為了舒適性好和操作靈敏，靈敏， 一般都以人的軀體不動來考慮操縱件的布置。一般都以人的軀體不動來考慮操縱件的布置。 手臂正前方鉛垂平面的活動范圍手臂正前方鉛垂平面的活動范圍 陰影區(qū)表示陰影區(qū)表示最有利最有利的活動范圍，小的活動范圍，小圓弧表示手臂的圓弧表示手臂的正常正常活動范圍，大圓活動范圍，大圓弧為手的弧為手的最大可及最大可及范圍。范圍。 1）站立時人手臂的活動范圍）站立時人手臂的活動范圍 水平面的活動范圍水平面的活動范圍 粗實線表示粗實線表示正常正?；顒臃痘顒臃秶?，虛線為圍，虛線為最大可及最大可及范圍，范圍，點劃線為點劃線為最有利最有利活動范圍?；顒臃秶?。操縱系統(tǒng)中的人機工程學操

11、縱系統(tǒng)中的人機工程學 2）站立時人上肢的活動角度）站立時人上肢的活動角度a在各方向上肢活動的最大角度；在各方向上肢活動的最大角度；b在水平方向上肢活動輕松自如的角度在水平方向上肢活動輕松自如的角度操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學 3）坐姿時人上肢的活動范圍）坐姿時人上肢的活動范圍a-垂直面內(nèi)上肢活動范圍垂直面內(nèi)上肢活動范圍b-水平面內(nèi)上肢活動范圍水平面內(nèi)上肢活動范圍c-不同身材人的上肢水平活動范圍不同身材人的上肢水平活動范圍B表示男子統(tǒng)計中數(shù)表示男子統(tǒng)計中數(shù)C表示女子統(tǒng)計中數(shù)表示女子統(tǒng)計中數(shù)操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學 4）坐姿時人下肢的活動范圍）坐姿時人下肢的活動

12、范圍設(shè)計腳操縱件時注意：設(shè)計腳操縱件時注意： 由于腳操縱不如手操縱靈活，為防止腳操縱失誤或碰移操縱件，由于腳操縱不如手操縱靈活，為防止腳操縱失誤或碰移操縱件，應使腳操縱件具有一定的啟動阻力，此力應大于腳自由放在踏板應使腳操縱件具有一定的啟動阻力，此力應大于腳自由放在踏板上的壓力。上的壓力。操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學 站立時人肢體的用力范圍保證操作者操作時用力適度和不易疲勞，站立時人肢體的用力范圍保證操作者操作時用力適度和不易疲勞，是合理設(shè)計操縱系統(tǒng)的前提之一。是合理設(shè)計操縱系統(tǒng)的前提之一。 人手臂作用的力有人手臂作用的力有握力、推力、拉力、提力、扭力和舉力握力、推力、拉力、提

13、力、扭力和舉力等，這些等，這些作用力的發(fā)揮與人體站立姿勢以及操縱件相對人體的位置有關(guān)，尤其作用力的發(fā)揮與人體站立姿勢以及操縱件相對人體的位置有關(guān)，尤其是十字把手和手輪的用力受位置影響最大。是十字把手和手輪的用力受位置影響最大。 a 要求轉(zhuǎn)動快的手輪或搖把，應使其轉(zhuǎn)軸中心線與人體站立的垂直要求轉(zhuǎn)動快的手輪或搖把，應使其轉(zhuǎn)軸中心線與人體站立的垂直面成面成60-900角角; b 要求操縱力較大時，轉(zhuǎn)軸中心線應水平放置；要求操縱力較大時，轉(zhuǎn)軸中心線應水平放置； c 操縱力很大的手柄應位于齊肩高度，以推力操作為好。操縱力很大的手柄應位于齊肩高度，以推力操作為好。 5）站立時用力范圍）站立時用力范圍操縱系

14、統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學二、適應人的生理特征的操縱件結(jié)構(gòu)造型二、適應人的生理特征的操縱件結(jié)構(gòu)造型 1 手操縱件的結(jié)構(gòu)造型手操縱件的結(jié)構(gòu)造型 機械的操縱件以手操縱的為多。目前機械的操縱件以手操縱的為多。目前常用的手操縱件常用的手操縱件有有手柄、手柄、手輪、旋鈕和按鍵手輪、旋鈕和按鍵。設(shè)計手操縱件時，應注意以下各點：。設(shè)計手操縱件時，應注意以下各點： 1）設(shè)計手柄式操縱件時，要重視柄部的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。由于）設(shè)計手柄式操縱件時，要重視柄部的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。由于手掌心肌肉最少，為避免掌心用力過大而產(chǎn)生痙攣，設(shè)計的柄部手掌心肌肉最少，為避免掌心用力過大而產(chǎn)生痙攣，設(shè)計的柄部結(jié)構(gòu)應避免手掌

15、與柄部完全貼合。結(jié)構(gòu)應避免手掌與柄部完全貼合。 2）為了便于識別和記憶，各操縱件最好）為了便于識別和記憶，各操縱件最好采用不同形狀的柄采用不同形狀的柄部或部或者者不同顏色的按鈕不同顏色的按鈕。 3）采用旋鈕式操縱件時，最好將旋鈕上的手捏部分設(shè)計成一頭）采用旋鈕式操縱件時，最好將旋鈕上的手捏部分設(shè)計成一頭尖的形狀，或做上醒目的標記，用它來指明旋轉(zhuǎn)的刻度位置。尖的形狀，或做上醒目的標記，用它來指明旋轉(zhuǎn)的刻度位置。 4）采用復合多功能操縱件，可以在操作時手不離開操縱件而完）采用復合多功能操縱件，可以在操作時手不離開操縱件而完成多種操縱任務，且可節(jié)約操作空間。成多種操縱任務，且可節(jié)約操作空間。操縱系統(tǒng)

16、中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學還包括：操縱系統(tǒng)中的人機工程學還包括：人的視力范圍人的視力范圍 視力是指人眼看清物體的能力，包括對物體的視力是指人眼看清物體的能力，包括對物體的辨清能力辨清能力、辨辨色能力色能力、視野視野和和視距視距。設(shè)計操縱系統(tǒng)時，必須考慮操作者的視。設(shè)計操縱系統(tǒng)時，必須考慮操作者的視力范圍。力范圍。操縱系統(tǒng)中的人機工程學操縱系統(tǒng)中的人機工程學）力力才才能能看看清清物物體體有有效效視視力力范范圍圍（集集中中精精短短時時間間不不疲疲勞勞看看清清物物體體片片刻刻視視力力范范圍圍以以內(nèi)內(nèi)）體體最最清清楚楚中中心心視視力力范范圍圍（觀觀察察物物視視力力范范圍

17、圍按按辨辨清清能能力力3018()183(3( 視野視野是指頭部和眼球固定不動地觀看正前方所能看見的空間是指頭部和眼球固定不動地觀看正前方所能看見的空間范圍。正常人的視野在垂直方向約為范圍。正常人的視野在垂直方向約為130度，在水平方向約為度，在水平方向約為120度。度。 因此，因此，設(shè)計操縱系統(tǒng)時設(shè)計操縱系統(tǒng)時，應把操縱件和顯示儀表布置在中心，應把操縱件和顯示儀表布置在中心視力范圍和正常視野之內(nèi)，并利用色彩來改善視覺。盡量減少視力范圍和正常視野之內(nèi)，并利用色彩來改善視覺。盡量減少頭部和身體轉(zhuǎn)動，以減輕疲勞。頭部和身體轉(zhuǎn)動，以減輕疲勞。常用操縱機構(gòu)簡圖常用操縱機構(gòu)簡圖16 1、操縱系統(tǒng)的主要參

18、數(shù)確定、操縱系統(tǒng)的主要參數(shù)確定 操縱系統(tǒng)是人體四肢的延伸，一般是以變力、變行程和完成較操縱系統(tǒng)是人體四肢的延伸，一般是以變力、變行程和完成較復雜動作為目的。復雜動作為目的。設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)：操縱力操縱力、 操縱行程和傳動比操縱行程和傳動比。 操縱力操縱力Fc、執(zhí)行件的工作阻力執(zhí)行件的工作阻力Fz與與操縱系統(tǒng)的傳動比操縱系統(tǒng)的傳動比ic關(guān)系：關(guān)系： 其中：其中： 為操縱系統(tǒng)的傳動效率為操縱系統(tǒng)的傳動效率 操縱行程操縱行程Sc、執(zhí)行件的行程執(zhí)行件的行程Sz與與操縱系統(tǒng)的傳動比操縱系統(tǒng)的傳動比ic的關(guān)系：的關(guān)系： 人機工程學或者經(jīng)驗值確定的允許用操縱力，一般手操縱力建人機工程學或者經(jīng)驗值確定的允許用

19、操縱力，一般手操縱力建議不大于議不大于，腳操縱力不大于腳操縱力不大于。操縱行程的大小應使人體操縱行程的大小應使人體在不移動位置的情況下能方便自如地達到。機床手柄的轉(zhuǎn)角不宜大在不移動位置的情況下能方便自如地達到。機床手柄的轉(zhuǎn)角不宜大于于 。 傳動比傳動比確定時要結(jié)合操縱力、操縱行程和總體方案全面考慮。確定時要結(jié)合操縱力、操縱行程和總體方案全面考慮。czciFF zccSiS 090二、操縱系統(tǒng)的設(shè)計二、操縱系統(tǒng)的設(shè)計17 2、原理方案設(shè)計、原理方案設(shè)計 初步確定傳動比后，結(jié)合設(shè)計任務要求，如執(zhí)行件初步確定傳動比后，結(jié)合設(shè)計任務要求，如執(zhí)行件的運動軌跡、行程、速度和被操縱件的數(shù)目以及各執(zhí)行的運動軌

20、跡、行程、速度和被操縱件的數(shù)目以及各執(zhí)行件之間的關(guān)系等，進行原理方案設(shè)計。件之間的關(guān)系等，進行原理方案設(shè)計。 原理方案確定要與整個機械系統(tǒng)的復雜程度、控制原理方案確定要與整個機械系統(tǒng)的復雜程度、控制系統(tǒng)的自動化程度相一致，同時要考慮動力的來源和所系統(tǒng)的自動化程度相一致，同時要考慮動力的來源和所占空間的限制。占空間的限制。 設(shè)計過程設(shè)計過程：選擇傳動機構(gòu)：選擇傳動機構(gòu)確定傳動比確定傳動比結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計。二、操縱系統(tǒng)的設(shè)計二、操縱系統(tǒng)的設(shè)計18三、操縱系統(tǒng)的設(shè)計實例：擺動式變速操縱機構(gòu)三、操縱系統(tǒng)的設(shè)計實例：擺動式變速操縱機構(gòu)這是一種結(jié)構(gòu)簡單的單獨操縱機構(gòu)。這是一種結(jié)構(gòu)簡單的單獨操縱機構(gòu)。在設(shè)計擺桿長度在設(shè)計擺桿長度R R時除了要考慮行程時除了要考慮行程