基于人机工程学的车铣复合加工机床的设计与研究.pdf

2 0 1 6年 2月 第 4 5卷 第 2期 机械设计与制造工程 M a c h i n e D e s i g n a n d M anu f a c t u ri n gE I l g i n e e r i n g F e b ． 2 Ol 6 Vo l 。 4 5 N o ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 55 0 9 X． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 5 基 于人机工程学 的车铣复合加工机床 的设计与研究 刘桂芝 ， 冯虎 ， 李小笠 南京工程学 院， 江苏 南京2 1 1 1 6 7 摘要 针对数控机床的整机 宜人化设计方法进行概述 ， 并分别从数 控机床 的各个单元部件 、 整机 外形、 移动安全 门、 观察窗口与安全 门把手、 机床操作 台等几方面提 出了人机工程 学的设计要 点， 通过车铣复合加工机床设计实例 ， 论述 了人机工程 学原理在其 中的应用， 其分析与设计方法对机 床设计者具有一定参考与指导价值。 关键词 人机工程 学； 数控机床 ； 人机环境 ； 车铣复合机床外型设计 中图分类号 T H 1 6 5 ； T G 6 5 9 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 6 0 2 0 0 7 3 0 4 1 人机工程学的内涵 机器性能的好坏不仅表现在其有效性、 生产效 率、 加工能力以及可靠性等方面， 而且与操作者能 够操作的难易程度 、 准确性有关 ， 这 取决 于机器 的 结构配置 、 机器信息 的输 出、 操作机构的布置、 操作 者 在 操作 过程 中 的难 易程 度 及 动 作 的准 确 度 等 。由此可见 ， 对人机工程学来说 ， 是不能将机 器与人 的研究孤立进行 ， 而应将机器与操作者置于 人一机器一环境这样一个系统 中进行综合研究 ， 人 作为这个系统中的基本组成部分之一， 与机器、 环 境构成 一个 有机 的整体。也就是说 ， 在机器 的设 计 、 制造与使用过 程 中要特别强 调关注机器操 作 者。因此， 在研究、 设计机床时也要对机床进行充 分的人性化考虑 ， 只有这样 ， 设计 的机床才能发挥 最大的效能， 最大限度地发挥人的能力 ， 使环境对 人的影响降到最小。 2 数控机床的人机工程学分析 2 ． 1 数控机床整机的人机工程 学分析 一 般加工设备仅从功能角度进行设计 、 制造 ， 而数控机床由于加工过程中的自动化与无人化， 因 此需区别于传统设备 ， 除了满足功能要求外 ， 还要 充分考虑设备的安全防护、 整体外形对操作者的重 要影响。因此机床外形的设计直接反映了数 控机 床的舒适性、 安全性， 操作的方便性以及整体的宜 人性 。 产品的设计工作就是完善产品的外形与产品 的功能。数控机床外形宜人性 与操作 的方便性是 操作者最直接接触的外在 因素。数控机床的外形 整体设计随着人们审美水平的不断提高而不断发 生变化 ， 但结构形状 的构成原理与基本规律 ， 即组 成 的基本要素及 比例关系是不会发生变化的， 除常 用 的黄金分割 比例 1 0 ． 6 1 8 、 平方根 比例 1 外 J ， 数控机床的整体外形在实际设计 中， 经 常用到对称与非对称关系 J 。在数控机床实际设 计时， 由于机床规格问题， 决定了机床外形比例关 系 ， 因此就要突破常规采用非对称配置方式设计 ， 为获得数控机床操作的舒适性 、 安全性 、 方便性 以 及整体的宜人性 ， 在设计 中可 以通过颜 色、 数控机 床附属机构配置或操作安全标牌的设置， 使机床在 整体配置上视觉得以平衡。 总之 ， 数控机床整机外形的宜人性 、 安全性 、 易 于维修性及便于操作性 ， 是这台数控机床在外形设 计时最好的人机工程学标准。 2 ． 2 数控机床移动安全门的人机 工程 学分析 车铣复合加工中心其规格 加工直径 长度 直接决定 了外形的基本情况 ， 移动安全 门是分割其 机床外形的重要机构。其与机床的整体防护的相 对关系 是 内置于机床 固定罩壳 的下面 ， 还是外置 于机床固定罩壳的外面， 这取决于整机外形不对称 设计时的考虑。在设计时车铣复合加工中心的安 全移动门可以是单门， 也可是双门， 但其宽度要综 收稿 日期 2 0 1 50 9 2 5 基金项目 江苏省第十批“ 六大人才高峰” 资助项目 Z B Z Z 一 0 4 4 作者简介 刘桂芝 1 9 6 4 一 ， 女， 江苏g C h t A ． ， 南京工程学院教授级高工， 主要从事机械工程专业教学及数控机床的设计与研究工作。 7 3 2 0 1 6年第 2期 刘桂芝 基于人机工程学的车铣复合加工机床的设计与研究 定 ， 同时更应综合考虑最佳视觉区域的应用及人体 的操作要求。对于小规格的数控车床或车铣复合 加工 中心， 操作台相对于机床整体防护上 的设置 ， 一 方面是便于机床的调整与操作 ， 另一方面可使机 床的整体更趋于一体性、 宜人性 ， 使机床具有最小 的占地面积 ， 如图 3中整体式操作 台。 a 坐姿操作 面板 角度参考尺寸 b 站姿操作 面板 角度参考 尺寸 图 3 工作 时控制面板的布置与视野 机床的操作台有整体式、 下伸式、 悬臂式与独 立式等几种方式 【 2 J 。对大规格 的数控车床或车铣 复合加工中心来说， 为便于机床的调整， 机床操作 台在设计时可置于机床外部 ， 其 中的下伸式 、 悬臂 式及独立式 3 种方式都可以设计为沿机床纵向可 移动的方式 ， 以更方便操作者对机床进行调整 。 无论是对小规格机床还是大规格机床 ， 是站姿 操作机床还是坐姿操作机床， 机床操作面板的设置 都要符合人机工程学原理， 即符合人体力学、 人体 生理学的结构特征 ， 使人在操作机床时灵活 、 方便 与舒适 。 数控车床操作基本为站姿操作， 在设计面板 时， 基本以图3 b 中推荐的视野范围参数来设置 操作面板及按钮的位置 J 。但对数控机床来讲， 由于机床控制量很大， 因此在设计时会对操作 台上 的操作功能键、 显示区、 机床总控制按钮进行分区 设置， 这时控制面板的设置要符合操作者心理、 生 理学特点 ， 操作按钮的布置应与操作者在典型情况 下的动作逻辑相一致 ， 特别是对机床重要操作按钮 的设置要达到近似条件反射 的程度 ， 如机床安全急 停按钮的设置 ， 这样才可使操作者的动作准确有把 握。 同时， 操作 台的尺寸还要符合 人体 的生理尺 寸 ， 即视区范围及操作区域范围要符合人机工程学 原理 。具体参考表 1 、 图 4推荐 的参数 视 区的确 定是在头部保持静 止、 眼睛正常工作 的状态下 ， 根 据人视觉 的辨认程度与速度来划分 。 表 1 视觉划分 区域 图4 操作 面板 的作业范围 总之 ， 操作 台操作面板设计 总原则是 简捷紧 凑、 通用化及统一化 、 区分控制元件与操作元件的 主次 、 独立化 、 构型合理 、 控制元件与操作元件的空 间布局合理。只有综合考虑各种因素 ， 才能使数控 机床操作台的设计符合人机工程学原理。 3 数控车铣复合加工机床人机工程学设计 图 5所示数控车铣复合加工机床的外形结构 就是基于人机工程学原理， 在满足机床加工功能基 础上 ， 最大程度上考虑操作者在操作机床时的舒适 性 、 安全性以及观察的方便性而设计的。机床采用 1 O 。 小角度倾斜 ， 大平面的机床防护外形 ， 整机长度 采用等分对称 的结 构形式 ， 整体给人 以简捷流畅 感 ； 机床操作面板设置为左配置 ， 嵌在机床 的左 固 ． 75 ． 2 0 1 6年第 4 5卷 机械设计与制造工程 定防护板上为整体式， 由于固定防护板 1 O 。 倾斜， 使操作面板处在视线的最佳观察角度， 便于操作者 进行机床的操作调试 ； 将机床的厂铭牌 、 机床 型号 标牌设置在机床右侧防护的固定罩板上， 使之与左 固定防护板上的操作面板和其下部的机床液压压 力表相呼应 ， 这样机床在整体外形结构上达到了平 衡。由于机床规格较小， 安全门设置为内置式单开 门， 其上设置观察窗时 ， 充分考虑 了操作者在高度 与宽度内视野范围， 以便于操作者对机床加工区域 的观察与掌握 。在机床颜色的选择上， 由于机床为 6 4 0 5 7 5 6 4 0 数控机床型号标牌 小倾斜角 ／ ／大 平 面 防 护 ／ ＼ ／ I器 会 『加 工 程 序 l C K H 3 2 ／ 4 0 0 l 舒 I I 安全门 ＼ 观 察 窗 机床操作面板 ／ 机床控制原件 _ 布 置 区 、 f l l 五面 耀 蘑 碍 舆 原 点 蒜 } 诿 P ／ 量 ／互 D r __ 一 机 床 液 压 E o 压 力 指 示 标 牌 l蠡 蛳 黼 有 曩 锎 7 ＼ ／ - 设备主机厂铭牌 ／ 4 2 5 图5 依据人机工程学原理设计数控车铣复合机床产品 小规格卧式数控车床， 因此整机选择为浅灰色， 安 全 门为淡蓝色 ， 这样 的色彩配置简单 、 轻松 、 明快 ， 并在安全门上设置有黄 白色相间的安全警示标牌 ， 在轻松 的机床操作 中隐含安全警视 ， 更彰显着在机 床设计中对操作者 的人机工程学 的考虑。 4 结束语 随着国家机床工业的快速发展， 机床整机功能 已能满足用户 的加工需求 ， 因此机 床的整机协 调 性 、 操作方便性 、 宜人性往往是用户选择机床的重 要条件。采用人机工程学原理设计 出的机床不但 可以为机床操作者创造出舒适宜人的操作环境， 更 可以提高机床操作者的工作积极性， 使其工作时更 加心情愉快， 从而进一步提高整机的工作效率。 参考文献 [ 1 ] 霍兰兹． 工程心理学与人的作业[ M] ． 上海 华东师范大学出 版社 ， 2 0 0 3 5 6 9 5 7 2 ． [ 2] 浦 叶． 数控机 床外观造 型设计研究及其在 I C A I D系统中 的实 践[ D ] ． 长沙 湖南大学， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 彦声远． 人机工程与产品设计[ M] ．哈尔滨 哈尔滨工程大 学 出版社 ， 2 0 o 5 ． [ 4 ] 吴晓莉， 薛廷． 基于人机工程学的数控机床设计与分析[ J ] ． 中国制造业信息化 ， 2 0 1 2 ， 4 1 9 ； 4 7 5 0 ． [ 5 ] 巴格达诺维奇． 机器制造中的艺术设计[ M] ． 姜忱， 柏大荣， 陈祖燕 ， 译． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 3 ． [ 6 ] 机床设计手册编写组． 机床设计手册 第三册部件机构及 总体设计[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 2 ． S t u d y o n t u r n i n g a n d mi l li n g ma c h i n e t o o l b a s e d o n h u ma n f a c t o r s e r g o n o mi c s L I U Gu i z h i ，FENG Hu，LI Xi a o l i N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， J i a n g s u N a n j i n g ， 2 1 1 1 6 7， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t h u ma n f a c t o m e r g o n o mi c s ，i t t a k e s e a c h u n i t o f CNC ma c h i n e s s u c h a s p r o fi l e o f ma c h i n e s ， m o b i l e s a f e t y d o o r ， o b s e r v a t i o n w i n d o w s ， k n o b o f s afe t y d oor a n d m a c h i n e s c o n t r o l t a b l e a s t h e o b j e c t s ， a n a l y z e s the a p p l i c a t i o n o f the p r i n c i p l e of h u ma nc t o rs e r g o n o mi c s ，d i s c u s s e s the d e s i g n o f t u r n i n g an d mi l l i n g ma c h i n e t o o 1 ．T h e r e s u l t o f an aly s i s a n d d e s i gn p r o v i d e s s o me ref e ren c e a n d g u i d a n c e wo r t h f o r the d e s i gn e r ． Ke y wo r d s h u ma n f a c t o r s e r g o n o mi c s ；CNC ma c h i n e s ；c o n d i t i o n o f h u man and ma c h i n e ；mo d e d e s i g n o f t u rn- i n g an d mi l l i n g c o mp o s i t e ma c h i n e t o o l 76