基于人机工程的数控机床设计Word格式文档下载.docx

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theenvironmentisnotcomfortable,notconducivetothelong-termoperation.SoweusetherelatedknowledgeofMan-machineengineering,consideringtheknowledgeofbodysizeandpsychologyofcolor,designthemachinetoolbasedonpeople.Inthedesignprocess,firstlywemeasuretheexistingmachinetool,andthenuseUGsoftwaretoestablishtheinitialmodel,usingman-machineengineeringknowledge,designingthemachinecontrolpanel,operatingenvironmentandtheoverallshapeofCNC,makingMan-Machine-Environmentcoordinatewitheachother,lastlytheman-machinesystem’workefficiencywillimprove.

Keywords:

CNC，Man-machineengineering，Design

前言

随着国内制造行业的迅速发展，数控机床被使用的越来越多，机床的使用效率直接关系到了企业的效益，因此研究如何提高机床使用效率被越来越多的企业所重视。

而人作为机床的使用者，在机床的运行过程中起着主导作用，直接关系到机床的工作效率。

目前机床在使用过程中存在以下一些问题：

如机床面板过高，操作者的手臂需要抬高，不利于长久作业；

面板颜色呆板，字迹模糊，增加了使用者辨认的难度等等。

因此考虑人的因素对机床进行设计显得迫在眉睫。

人机工程学是一门研究人-机-环境三者之间相互关系的学科，是一门旨在提高系统运行效率的学科。

而且该学科在发展的过程中结合了生理学、工程心理学、人体测量学、劳动学、系统工程学等学科的知识和成果，形成自身的理论体系、研究方法、标准和规范，研究和应用范围广泛并具有综合性。

该学科的研究目的在于设计和改进人-机-环境系统，是系统获得较高的效率和效益，同时保证人的安全、健康和舒适。

在了解数控机床的基础上，使用人机工程学相关知识对机床进行改进设计，能够使得机床满足人的需求，提高操作者使用的舒适度，提高工作效率。

第一章绪论

1.1课题背景

数控机床是现代高科技机电产品的一种重要设备,正在被广泛地应用于加工制造业的各个领域，而随着微电子技术和计算机技术的发展,现代数控机床的应用领域也日益扩大，相应地对提高数控机床效率的研究也越来越被人们所重视。

数控机床的工作质量不但取决于机器本身的性能和质量,还取决于操作者,也就是取决于该系统中人机系统的功能质量，只有当操作者与机器的节奏相协调时才能发挥出最高的效率。

然而目前在设计数控机床的时候由于很少从人机工程方面进行考虑,对人机系统缺乏必要的实验和研究,造成直到机器生产出来投入使用时,才发现由于人机系统不合理,导致操作人员不能舒适地使用机床，使得机器的效率不能很好发挥出来,甚至危及操作者人身安全。

最后不得不付出很高的代价,拖延大量时间对机器进行改造,这种修补又难以使人机关系得到彻底改善【1】。

针对这种情况从人机工程的角度对机床外观造型进行设计改善。

1.2课题意义

通过运用人体测量学、色彩心理学的知识对数控机床各外观部件的结构、色彩效果进行分析改进，进而能够让用户在操作的时候处于舒适、准确和高效的工作状态。

同时运用人机工程学理论对机床的整体造型进行分析，使得机床造型与环境处于和谐状态，机床造型清新优美、人性化能够给人心理与生理一种安全感。

通过这一系列的改进能够使得机器具有“情感”，变得易学、易懂、易操作，拉近人与机器的距离，让用户在操作机床的时候能够更加的舒适方便【2】。

这样不但提高了人机效率，而且还减少了机床维修的成本，提高了国内数控机床在国际上的市场竞争力，更推动了数控机床的向前发展。

1.3国内外研究现状

科学技术的高度发展已经逐步渗透入机床设计领域,现代机床设计全过程的计算机化程度也越来越高,可以说机床设计已经逐渐步入了计算机辅助设计阶段,而属于机床设计一个重要组成部分的人机工程设计也应当利用计算机辅助的手段获得进一步的发展。

目前流行的设计方法是计算机辅助人机工程设计——CAED（ComputerAidedErgonomicDesign）,即在计算机及其相应的计算机辅助人机设计系统的支持下,进行工业设计领域内与人机工程相关的各类创造性活动【3】。

现在国际上计算机辅助人机工程设计领域的研究热点主要在于人机工程设计软件的开发方面。

国际上一些大的汽车公司在通用的商业CAD/CAM软件基础上开发自己的车身布置专用软件,例如基于CATIA的RAMSIS软件等。

最早致力于数控机床布置研究的英国某小组已经研究出了多个计算机辅助控制面板布置程序，如AUTOMAT、NULISP、CAPABLE等。

国外的数控机床已经开始实现了机电一体化。

机电一体化是在信息技术的迅速发展、向机械工业领域迅速渗透、机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合运用各种先进技术，从系统理论出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间信息处理、能量变换进行研究，使得整个系统有机结合于综合集成，并在有序信息流的控制下，形成物质与能量的有规则运动，在高功能、高质量、高性能等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统的工程技术。

近年来我国的一些大学和研究所作了研究与探索工作，一些新的机床设计研究方法也相继出现，例如昆明理工大学机电工程学院相关研究人员研究过基于人机工程学的数控机床控制面板设计和机床造型设计，但仅限于一般性设计理论的提出,并未将其应用化,且其研究内容并不包括人机检测部分。

湖南大学赵江洪教授所带领的科研团队开发了数控机床ICAID原型系统,该系统重点是针对网络环境下的数控机床设计而开发,在人机设计方面更为注重的是设计知识参考的提供和操作过程的研究,在人机检测和视域设计方面的研究尚未涉及到【3】。

我国对于数控机床首创了XNZD2415型数控龙门混联机床，该机床充分吸收并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点，通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门，在并联平台上附加两自由度串联机构的A、C轴摆角铣头，配以工作台的纵向移动，可完成五自由度的运动。

该构型为国际首创。

由上述国内外对数控机床的人机工程设计研究现状可以看出国内对机床的人机研究与国外存在着一定的差距。

国内在研究较多的软件UG上所开发的人机模块多是针对汽车行业的,专门针对机床产品的人机检测的软件模块非常少见，而且某些研究方法还不够完善，需要在人机研究方面给予更多的关注。

1.4课题内容

1．提出：

在整个人机系统中机床要由人操作使用来实现其功能，机床功能的实现很大程度上取决于人使用的好坏，而人机交互的过程影响着操作者使用机床的状态，因此使用人机工程学对机床造型进行改善，让机床以易懂、安全、舒适、亲切的方式呈现给使用者，为使用者创造良好的人机交互环境。

在对机床造型进行改善设计时，根据数控机床的工作功能与操作特点，对其进行人机工程学的系统研究，分别从数控机床外观造型人机分析、数控机床控制面板人机界面研究、机床色彩人性化设计研究、机床标牌人性化研究等方面进行研究，使机床设计在其功能性、操作性的基础上加入人的因素，将人作为设计的主题，做到以人为本。

2．解决方法：

UG软件建模，用一定的测量手段对数控机床的关键尺寸进行测量，然后运用UG软件根据测量得到的数据建立机床模型，根据模型分析机床关键尺寸是否满足人体尺寸要求，最后再根据分析结果提出改进。

3．设计内容：

数控机床通过机床门、控制面板、观察窗等外观部件以及机床的着色效果给人以直观的感受，能够直接影响到用户的生理心理状况。

在课题中针对这些影响因素，采用一定的测量技术测量其关键尺寸，通过UG软件建模分析机床是否满足人体的关键尺寸，根据分析结果提出改进方案。

为了让用户能够舒适轻松的使用机床，在人体测量学、色彩心理学的基础上对机床的操作面板、观察窗、把手等部件进行造型及尺寸的改进，使得机床各外观部件与机床整体造型相协调，机床整体造型与外部工作环境相协调。

除了机床的造型尺寸与人的感觉直接相关，机床的着色效果也对用户的心理产生直接的影响。

根据机床的外观部件的不同功能、对机床整体功能的影响程度，进行特殊的色彩处理，使得用户能够获得心理安全感，并且能够根据颜色迅速获取机床表达的信息，提高人机系统的效率。

第二章人机工程学与数控机床关系

2.1人机工程学概念

人机工程学就是按照人的特性设计和改进人-机-系统的科学。

为了实现人-机-环境之间的最佳匹配，人机工程学把人的工作优化问题作为追求的重要目标。

其标志是使处于不同条件下的人能够高效、安全、健康、舒适地工作和生活。

2.2人机工程学发展史

自从有人类文明开始，人类社会中就一直存在人机工程的影子。

最早时期的猿人使用石器，就是为了能够使自己的力量得到最大的发挥，从而增加自己的存活能力。

当时都是出于懵懂的需求，人机工程还没有形成规范。

直到进入了20世纪，人们开始了对工效的研究。

当时进行了著名的铁铲实验、时间研究实验，还进行了动作研究、作业疲劳研究、工作站设计等。

这个时候虽然已经孕育了人机工程学的思想萌芽，但人机关系总的特点是以机器为中心，通过选拔与培训使人去适应机器。

人机工程真正兴起的时间是一战到二战之间，这个时期开始了对工效的研究，而且还应用了心理学的知识。

自“霍桑实验”后，研究提高工作效率时开始重视情绪、动机等社会因素的作用。

从第二次世界大战到20世纪60年代，人机工程进入了成长时期，这个时期开始了人机关系的研究，从使人适应机器转入到使机器适应人的新阶段，为人机学的诞生奠定了基础【4】。

20世纪60年代以后，人机工程学进入了一个新的发展阶段，这个时期人因工程学的发展有三个基本趋向：

1、研究领域不断扩大。

2、应用的范围越来越广。

3、在高技术领域中发挥作用。

2.3人机工程学研究内容

人机工程学的研究包括理论研究和应用研究两个方面，但学科研究的总趋势侧重于应用。

人机工程的根本研究方向是通过揭示人-机-环境之间相互关系的规律，以确保系统总体的最优化。

其主要内容可概括为以下几个方面【4】：

研究人的生理与心理特征。

人的生理、心理特性和能力限度，是人-机-环境系统优化的基础。

研究人机系统总体设计。

人机系统的效能取决于它的总体设计。

系统设计的基本问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地进行信息交流等问题。

研究人机界面设计。

在人机系统中，人与机相互作用的过程，就是利用人机界面声的显示器与控制器，实现人机信息交换的过程。

显示器是向人传递信息的装置，控制器则接受人发出去的信息。

显示器研究包括视觉、听觉、触觉等各种类型显示器的设计，同时还要研究显示器的布置和组合问题，使其与人的感觉器官特性相适应。

控制器设计研究包括各种操纵装置的形状、大小、位置以及作用力等在人体解剖学、生物力学和心理学等方面的问题，使其与人的运动器官特性相适应。

保证人与机之间的信息交换迅速。

准确，从而实现系统优化

研究工作场所设计与改善。

工作场所设计的合理性，对人的工作效率有着直接影响。

该项研究的目的是使人的工作条件合理，工作范围适宜，工作姿势正确，达到工作时不易疲劳、方便舒适、安全可靠和提高效率的目的。

研究工作环境及其改善。

任何人机系统都处于一定的环境中，因此人机系统的功能不能不受环境因素影响，人与机相比，受影响的程度更大。

该研究的目的是为人创造安全、健康、舒适的作业环境，提高人的工作、生活质量，保证人-机-环境系统的高效率。

研究作业方法及其改善。

作业是人机关系的主要表现形式，也是人机系统的工作过程，只有通过作业才能产生系统的成果。

人机工程主要研究人从事体力作业、机能作业和脑力作业时的生理和心理反应、工作能力及信息处理特点，该研究目的是寻求经济、省力、安全、有效的作业方法，消除无效劳动，减轻疲劳，合理利用人力和设备，提高系统效率。

研究系统的安全性和可靠性。

人机系统已向高度精密、复杂和快速化发展，像这种系统的失效将可能产生重大损失和严重后果。

实践表明，系统的事故绝大多数是由人为失误造成的，因此研究人为失误的特征和规律，寻找导致人为失误的各种因素，变得很重要。

研究组织与管理的效率。

人-机-环境系统的研究应与组织、管理、文化和社会相适应。

2.4人机工程学的研究方法

研究方法在科学发展中具有重要作用，只有掌握科学的研究方法才会使研究工作取得预期的成果。

人机工程学是由多学科交叉形成的，应用领域非常广泛，因此其研究方法也很多。

其常用的研究方法有：

调查法、观测法、实验法、心理测量法、心理测验法和图示模型法，此外人机工程的研究方法还有很多，如工作研究、模拟法等相关学科的研究方法。

2.5数控机床的人机工程学设计

让人适应机器的时代已悄然而去，现在由于人机相互不够协调而工作效率低下的问题越来越被人们所重视，如何提高人机效率成为了一项重要的课题。

人机工程就是一门旨在以人为出发点进行人-机-环境改善，提高系统效率和效益，同时保证人的安全、健康和舒适的一门学科。

利用人机工程对数控机床进行设计，使得机床以适应人为出发点，提高使用者操作舒适度，提高效率。

在使用人机工程学相关知识对机床进行设计时，主要从生理上与心理上进行设计。

生理上主要是基于人体尺寸的机床尺寸设计、人机界面设计，心理上的设计则使用色彩心理学进行机床的着色处理、整体造型设计，机床外部的操作环境设计则与生理、心理均有关联。

大量查阅资料后以标准的规范对机床进行设计，使其满足人的生理、心理需求，则操作者在工作的时候会心情愉悦，提高人-机-环境系统的效率。

第三章模型的建立

3.1主要尺寸测定与分析

对南京迈顺数控机床用卷尺进行尺寸采集，测量误差控制在5mm之内，测量关键尺寸如下：

控制面板：

宽400mm,高405mm，中心高1525mm，分两块，上半部分高150mm,下半部分高250mm；

显示屏：

高112mm，宽150mm，中心高1635mm；

观察窗：

高575mm，宽450mm，中心高1245mm；

门把手：

直径23mm，长450mm，中心高1195mm；

查第四章节表4.2基本人体尺寸得到：

男性50百分位眼高为1568mm，肘高为1024mm；

女性50百分位眼高为1454mm，肘高为960mm。

结论：

显示屏中心高1635mm>

肘高1568mm，故显示屏偏高；

面板中心高1525mm>

>

肘高1024mm，故控制面板偏高；

肘高1024mm在门把手可调范围970mm~1410mm内，故门把手尺寸合理；

观察窗中心高1245mm,低于人眼高1454mm,符合人们的工作姿势要求。

3.2原始模型建立

使用UGNX8.0对数控机床建立原始模型，UG是一款功能强大的三维画图软件，能够详细的模拟出机床环境，用UG画出的模型如图3-1、图3-2所示：

图3-1原机床UG模型

图3-2原机床控制面板

3.3机床人机工程方面的不足

根据章节3.1对该机床关键尺寸的分析结果，结合图3-1与图3-2，发现其有以下不足之处：

1、机床控制面板过高，大多数操作者操作时手臂上举，这样会加快操作者的疲劳程度。

2、显示器过高，大多数使用者仰视着屏幕，长期如此操作，操作者会感到脖子酸疼，眼睛疲劳。

3、控制面板与机床平行，当操作者加工零件时，眼睛在面板与零件之间转动角度过大，会加快眼睛疲劳速度。

4、机床色彩过于单调，而且面板色彩对比不明显，易使人视觉疲劳。

5、面板按键磨损，有些按键上的符号不清晰，且按键使用时有点吃力。

6、面板布局存在不合理的地方，应将旋钮并排放在近视野范围内，降低辨认难度。

7、观察窗玻璃透明度偏低，增加了眼睛观察工件的难度。

第四章基本尺寸设计

数控机床是现代高科技机电产品的一种重要设备,正在被广泛地应用于加工制造业的各个领域，运用人机工程学的相关知识，以标准人体尺寸来设计机床尺寸，让机床符合人的需求，提高人机工作效率。

4.1基本操作姿势

操着者使用数控机床采用立姿工作体位，该体位具有以下特点：

可活动的空间较大；

需经常改变体位，立位比频繁起坐消耗能量少；

手的力量增大，即人体能输出较大的操作力；

减少作业空间，能够较好的使用有一定高度的显示器、控制器。

不易进行细致和精确的作业；

不易转换操作，立姿时肌肉要做出更大的功来支持体重，容易引起疲劳；

长期站立容易引起下肢静脉曲张等。

操作者操作机床时，身体站直与机床保持一定距离，右手操作面板，双眼在显示屏与工件之间来回关注；

更换工件时，需要移动身体，手与肘持平并握住门把手推拉机床门。

4.2数据使用方法

在对数控机床进行基于人机工程学设计的时候，使用标准人体尺寸数据时，采用以下使用准则：

使用最新人体数据准则。

合理选择百分位和适用度准则。

平均性准则。

可调性准则。

功能修正与最小心理空间相结合准则。

有关标准公布的人体数据是在裸体、不穿鞋的条件下测得的，而设计中所设涉及的人体尺度是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽条件下的人体尺寸。

因此，考虑有关人体尺寸时，必须给衣服、鞋、帽留下适当的余量，也就是应在人体尺寸上增加适当的着装修正量。

所有这些修正量总计为功能修正量。

于是，产品的最小功能尺寸可由下式确定

Xmin=Xa+⊿f（4-1）

式中，Xmin为最小功能尺寸（mm）；

Xa为第a百分位人体尺寸数据（mm）；

⊿f为功能修正量。

功能修正量随产品不同而异，通常为正值，但有时也可能为负值。

对于着装和穿鞋修正量可参照表4.1中的数据确定。

对姿势修正量的常用数据是：

立姿时的身高、眼高减10mm,坐姿时的坐高、眼高减44mm。

考虑操作功能修正量时，应以上肢前展长为依据，而上肢前展长是后背至中指尖点的距离，因而对操作不同功能的控制器应作不同的修正。

如按钮开关可减12mm;

推滑板推钮、搬动搬钮开关则减25mm。

【5】

表4.1正常人着装和穿鞋修正量

项目

尺寸修正量/mm

修正原因

站姿高

25~38

鞋高

坐姿高

3

裤厚

站姿眼高

36

坐姿眼高

肩宽

13

衣

胸宽

8

胸厚

18

腹厚

23

立姿臂宽

坐姿臂宽

肩高

10

衣（包括坐高3mm及肩7mm）

两肘间宽

20

肩-肘

手臂弯曲时，肩肘部衣物压紧

臂-手

5

结合上述人体尺寸使用准则，利用表4.2中的一些基本人体尺寸进行机床尺寸改进，得到更加合理的尺寸，使得操作者能够更加舒适的工作，提高效率。

表4.2基本人体尺寸

性别

项目

男

女

5%

50%

95%

身高

1583

1678

1775

1484

1570

1659

上臂长

289

313

338

262

284

302

前臂长

216

237

258

193

213

234

眼高

1474

1568

1664

1371

1454

1541

肘高

954

1024

1096

899

960

1023

1281

1367

1455

1195

1271

1350

手功能高

344

375

403

320

351

377

最大肩宽

398

431

469

363

397

438

手长

170

183

196

159

171

手宽

76

82

89

70

立姿双手上举高

1971

2108

2245

1845

1968

2089

立姿双手功能上举高

1869

2003

2138

1741

1860

1976

立姿双手左右平展宽

1579

1691

1802

1457

1559

立姿双臂功能平展宽

1374

1483

1593

1248

1344

1438

立姿双肘平展宽

816

875

934

756

811

869

注：

尺寸均为裸体测量结果，设计时应根据各地区不同的着衣量进行修正

4.3基本