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 relationship among key elements from man- machine- environment system andthe influ? ence of man- machine engineering on machine design and manufacture. It puts forward a new idea of how to use it in machine design and points out that the design should be raised up to a humanization one in the future to make design being in conformity with the principle and characteristies of man- machine engineering. Keywords: man- machine engineering; 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 ?5? 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, 操作者的人体功能限制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?115 s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) ?6? 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 ac= dV dt = - D1 2 ?1sin?d? dt = - 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) ac= - D1 2 (m1+ m2)? 2 1sin? 链条的总拉力 FZ1= F1+ F2 =( m1+ m2) fv- D1 2 ( m1+ m2)? 2 1sin? 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 FZ2=( m1+ m2) fj+( m1+ m2)aq =( m1+ m2) (fj+ aq) 式中 ? fj? ? 链条与托板之间的静摩擦系数 ? ? aq? ? 启动时输送链的加速度 在设计时,根据 FZ1和 FZ2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, 1997 4? 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, 2