机床外防护设计中的人机工程仿真.pdf

l 匐 似 机床外防护设计中的人机工程仿真 Er gonom i cs si m ul at i on i n shi el ds desi gn of m achi ne t ool 张铁成 ZHANG T i e ． c h e n g 大连大学 机械工程学院，大连 1 1 6 6 2 2 摘 要针对机床外防护设计过程中人机仿真方法落后的问题，在分析机床外防护中的人机学因素的基 础上，将三维数字人体模型引入到机床外防护的人机仿真中。从外防护操作姿势仿真 、工作 台高度仿真、观察窗的视觉仿真、操作面板 、机床门及把手的空间仿真及可达性仿真等方面 详细介绍在设计过程中就进行人机检验的方法。 关键词 机床；人机工程；外防护设计；数字人体模型 中图分类号 T G5 0 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 o 9 上 一 0 0 9 5 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 l ／ J ． 1 8 8 n ． 1 0 0 9 - 0 1 8 4 ． 2 0 1 4 ． o 9 E ． 2 5 0 引言 机床 的外防护设计主要 目的是保护机 床内部 的机构 如 防水 、防尘 等，保护操作者 的操作 安 全 。随 着在 生产 过程 中对操 作 安全 、操 作 效 率 的关注 ，对机床设计 中的人机工程 学提 出了更 高的要求 。外 防护作为机床 与人最直接接 触的部 分 ，其人机工程 的设计显得非常重要 ，如何在现 有外防护设计 的基础上 ，通过人机工程学来提高 机床的操作性已成为当前的一个研究热点。 在人机工程设计研 究中 ，将最新的三维数字 人体模型引入到人机仿真 中。 目前 ，在大型工程 软件 中提供了三维数字人体模型的功能 ， ／ I I C r e o 中的Ma n i k i n 人体模型模块，NX Un i g r a p h i c s 中的 j a c k 模 块 ，CAT I A中的人 机模块等 。这些数字人 体模型基于各 国人体尺寸数据库建立 ，在汽车设 计等领域具有广泛 的应用 。 目前在机床设计过 程 中 ，对人机 问题考虑较少 ，非常不重视人机工程 的设 计 ，且 人机检验方法落后 。即使按照现有相 关 标准进行人机的检验 ，检验过程复杂 、缺乏直 观性 ，如常见的在实物模型阶段进行人机检验 ， 造成产品开发周期长，成本高 。 针对 人 机仿 真 方 法落 后 的 问题 ，提 出了在 C r e o 中进行机床外 防护设计人机仿真的方法 。该 方法使用三维数字人体模型进行直观的仿真 ，能 对机 床外防护的大部分人机设计 因素进行仿真 ， 在三维设计 阶段就检验人机设计的可行性 ，提前 改进不合理的人机工程设计。 1 机床防护中的人机学要素分析 人机工程 学是研究人在某种工作环境 中的解 剖学、生理学和心理学等方面的因素；研究人和机 器及环境的相互作用；研究在工作 中、家庭生活中 与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效 率的学科【 l 】 。机床设计 中的人机工程学主要是将人 体测量数据及人的生理和心理特性 ，与机床和环境 进行最佳的匹配，在显示、操纵、工作空间、热环 境、声环境等方面对机床在使用过程 中和维修过程 中进行的系统性设计，目的是在保证操作安全、高 效的前提下，提高机床操作的舒适性。 人机工程学在外防护中的设计主要体现在拉门、 观察窗和把手的设计上，主要涉及到操作姿势、显示 窗口及操作面板的设计和操作空间的设计圆 。 1 操作姿势的设计 操作 者一般站在机床外进行操作 ，为典 型的 站姿操作。操作者躯干需要向前倾斜以接近工件 ， 双手需要够到工作台，工作台的高度和外防护的形 态直接影响操作者的工作姿势，合理的操作姿势将 降低操作者的疲劳程度，提高工作的效率。 2 观察窗及操作面板的设计 在机床 的外 防护中，显示窗的设计具有重要 的作用 ，主要是保证操作人 员在机床运转过程 中 对工件的观察 。操作面板上是机器 的输入输 出接 口，可设置机床的工作状态 ，在操作面板 的视窗 中显示加工的过程信息 。显示窗直接影 响着外 防 护的设计 。 收稿日期2 0 1 4 -0 6 - 0 6 作者简介张铁成 1 9 7 5一，男，辽宁人，讲师，硕士，主要从事计算机辅助工业设计的研究。 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 0 O 上 [ 0 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 化 3 操作空间的设计 机床外防护 的操作 空间包括机 床与周围环境 的空间设计 ，人与机 床的空 间设计等 。在工具的 搬 运、装卸 、固定过程 中，操作者应可随时靠近 机床 的观察窗、工件固定台 ，这样就要求人与机 床尽量接近 ，将工作台布置在人双手最佳操作区 域内，以减少操作过程中的转身、前倾等多余动 作 。工作台的高度设 计是操作空间的一个重要因 素，工作台高度直接影响着工作效率及工作的舒 适性 。 外 防护的操作空间设计还涉及到打开外 防护 进行 的维修 空间问题 ，合理预 留维修 空间，对 安 全维修 、高效维修具有重要的作用。 2 三维数字人体模型简介 三 维数字人体模型是根据特定群体 的人体数 据库建立 的三维计算机 模型，在常用的大型软件 中C e r o 、C AT I A、N X中具有该功能或模 块，可用 来开展人机工程仿真。常见软件中三维数字人体模 型根据各国典型群体的人体数据建立，部分软件可 自定义人体数据库 ，提供 了手的最大包络空间分析 和视觉分析功能，并能完成常见的提举 、搬运、推 或拉、R U L A、舒适角度分析等标准人机分析 。 目前C e r o 中的人机 工程模块 中，根据 中国、 美国、意大利、 日本、韩国 、荷兰等国家的人体 数 据库 ，提供 了 男性 和女性 的P 9 5 、P 5 0 、P 5 的 三维数 字人体模型 ，设有宏观姿势库和微观姿势 库，并 可以 自定义 姿势 ，使用 “ 到达包络 ”功能 可模拟 出手的最大可触及范围 ，使用 “ 视野 ”功 能可模拟 双眼的视 野，使用 “ 视 觉窗 口”可模拟 通过眼睛观察的区域 。 3 机床防护设计的仿真验证 机床外 防护 的人机 工程仿 真方法根据机床外 防护的组成及C r e o 人机模块 的功能 ，具体仿真主 要集中在姿势仿真、视觉仿真和可达性仿真等。 1 外防护整体操作姿势仿真 外防护 的整体设计 对操作的舒适性 、塑造产 品形象具有重要 的作用 ，外 防护 的形态直接决定 了人与机床间的接近程度、操作方便性。通过数 字人体 可快速检验外防护人机设计的合理性 。在 Cr e o 中插入数字人体模型 ，并调节姿势 ，模拟立 姿操作工件 的效果 ，检查躯干 的倾斜程度 、双 手 的操作姿势 ，或者使用 “ 舒适度分析 ”来 检查操 [ 9 6 1 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 0 9 上 作姿势 的舒适度 。通过对不 同身高人群 的操 作姿 势进行模拟 ，直观 检查操 作姿势 是否合理 ，以提 高 操作 的舒适 性 。如 图 1 所 示 ，为 中等身材 P 5 0 的中国男性数 字人体模型操作机床姿势 的模拟效 果 ，从 图中可直观看到在 与人接触 的脚部 ，预留 了空间，便 于人 靠近机床 ，保证手部 与工作台的 接 触 。 图1 中国男性 中等身材数字人体操作机床姿势仿真 2 工作台高度仿真 在GB ／ T1 4 7 7 6 1 9 9 3 人类工效学工作岗位尺 寸设计原 则及其数值 [ 5 1 中，按 照作业类型将 工 作 岗位尺寸分 类方法 ，搬运工件 的工作 类型应属 于 Ⅲ类 ，按照标准给 出的工作 岗位尺寸 ，工作对 象位置即工作面 的高度宜低于肘高 1 0 c m左右 。在 机床 的工作 台高度确定过程 中，可直接使 用三维 数字人体模型进行仿真 ，调 整数字人体模 型的姿 势 ，模拟搬运工件 的效果 ，根据肘 的高度 ，以直 观的方式检测机床工作 台高度设置是否合理 ，并 使用C r e o 中的 “ 提举或放下分析 ”根据搬运起始 姿势和最终姿势 、按照搬运 的频率 、抓握 质量 、 持续时 间及对象 的重量等条件进行搬运分析 ，模 拟搬运的疲劳程度 ，并根据分析结果来改进工作 台的高度。如图2 所示 ，为使用P 5 0 的中国男性数 字人体模型检验工作 台高度的效果。 图2 工作台高度仿真 3 观察窗的人机仿真 在数控机床／ J n T ． T_ 作 中，操作者通过观察 窗 对加工工件和机床 的运动进行观察 。观察窗 的位 置 直接 影 响 了操 作 者 的观察 姿势 ，在保 证 机床 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 地 图6 使用最小数字人体检查把手的位置 4 结束语 使用三维数字人体模型在机床 的外防护设计 过程 中进行人机 仿真的方法 ，可在一定程 度上加 速 产品开发流程 ，在设 计阶段 就进行人机 方面的 仿真 ，提 高操作 的宜人性 ，降低使用实物进 行人 机仿真 的成本 。并且 可直观确 定机床外 防护 的关 键人机尺寸 ，在设计 的早期阶段就可 以解决设计 中必 须考虑 的人机 问题 ，从操作姿势 、工作 台的 高度设计 、观察窗 的设计 、把手 、控制面板和机 床门等重要外防护部件进行人机工程仿真 ，为设计 的人性化奠定基础 。因人机工程包含范围比较广， 需要考虑的设计因素多，使用数字人体模型中仅能 解决部分人机工程问题 ，其他方面还要综合现有的 人机理论和标准来进行深入设计与分析 。 参考文献 [ 1 】阮 宝湘， 等 ． 工 业设 计人机 工程 【 M】 ． 北京 机 械 工业 出版 社， 2 0 1 0 ． [ 2 】刘莉． VD L 一 1 0 0 0 立 式加工中心外 防护及造型 的设 计研究 【 D】 ． 大连理工大学， 2 0 1 3 ． 【 3 】王雪 ． “ E T C3 6 5 0 ”经济型数 控车床 防护 结构设 计【 D】 ． 大连理工大 学， 2 0 1 3 ． [ 4 】张铁成． 基于三维数字人体模型的多媒体讲台人机工程 设计[ J 】 ． 制造业 自动 化， 2 0 1 3 ， 0 2 1 0 3 1 0 5 ． [ 5 ]G B ／ T1 4 7 7 6 1 9 9 3 ， 人类工效学工作岗位尺寸设计原则及 其数值【 S 】 ． [ 6 】刘 阳， 朱 春霞， 黄亚力， 蔡光起 ． S S C K 4 0 的数 控机床防护罩 设计【 J ] _ 东北大学学报 自然科学 版 ， 2 0 0 7 ， 0 3 3 9 7 4 0 0 ． 【 7 】李世 葳． 基 于人 机工程 的数 控机床 外 防护 设计研 究[ D】 ． 东北林业大学， 2 0 0 8 ． j‘● 矗‘ 矗‘ ■I 蠡● ‘ ‘ 蠡I 盘‘ 出‘ 蠡● j蠡‘ 血血血 矗‘ 童‘ 童‘ 童‘ 【 上接第9 1 页】 在镶件的长度L 较小时，增大直径D对降低应力效 果 不 明显 。 2 在镶件直径D较小时，增大L 会导致应力较 快 的提高，而 当直径D较大时适 当增大L 对镶件的 应力影 响不大 。因此可 以得 出结论 增大镶件 的 直径D以及减小长度L 都有利于降 低镶件应力、提 高镶件强度 。 3 简支 式镶件的应力和形变量 与斜度 e基本 上呈线性关 系，可 以发现0从1 。增大到5 。，相应 的最大等效应力提高 了大约1 2 0 MP a ，最大形变量 也从0 ． 1 5 9 mm增大到0 ． 2 2 8 mm。此结果与上述材料 力学计算公式 9 计算得出的结果较为一致，并 且 与实际应用过程 中反馈的结果一致 。因此模具 镶件设计 中可以适当减小镶 件斜度从而提高镶件 的强度和刚度 ，有效防止偏载受损 。 4 为了减小高压 高温熔融 塑胶对镶件 的冲击 偏载面积，可以考虑将射胶入口对准镶件的窄面， 或者从多个方向上布置射胶入 口以降低偏载工况。 4 结束语 分别从 材料力学理论和有限 元分析 两种方法 对模具 中使用极为广泛 的镶件 结构进行了静强度 [ O 8 l 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 0 O 上 分析 ，首先研究了装配方式为悬臂形式和简支形 式镶 件的应力及变形状况 ，通过实验数据对 比分 析了两者的强度与刚度性能，得出装配方式为简 支形 式的镶件从减 小镶件 变形 而降低制品异样率 或从 降低镶件应 力而提 高镶件 强度方面，都 要明 显优 于悬臂形式 的镶件 的结论 。其次 以简支式镶 件的长度L、直径D与斜度 0为变量建立了有限元 分析的参数化模型 ，研究 了各个几何参数与其结 构强度的关系，得 出增大直径D、减小长度L 或者 减小斜度 0都有利于 降低镶 件应 力、提 高镶 件强 度、有效防止偏载受损的结论 ，为模具 中镶件结 构的设计生产提供 了可靠的理论 支撑与指导。 参考文献 【 1 】李小敏， 刘卫东- 注塑模具镶件的设计【 J ] ． 装备制造技术， 2 0 0 9 4 1 6 8 - 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