基于人机工程的数控机床设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于人机工程的数控机床设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 9 第 三 章 模型的建立 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 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。 原始模型建立 使用 UG 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图 32 所示： 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 10 图 31 原机床 UG 模型 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 11 图 32 原机床控制面板 机床 人机工程方面 的不足 根据 章节 对 该机床关键尺寸 的分析结果 ， 结合图 31 与图 32， 发现其有以 下不足之处： 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。 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。 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。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 12 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。 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。 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。 观察窗玻璃透明度偏低，增加了眼睛观察工件的难度。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 13 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。 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： ① 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。 ② 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。 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： ① 使用最新人体数据准则。 ② 合理选择百分位和适用度准则。 ③ 平均性准则。 ④ 可调性准则。 ⑤ 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。 所有这些南京工程学院毕业设计说明书（论文） 14 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 (41) 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 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 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 鞋高 坐姿眼高 3 裤厚 肩宽 13 衣 胸宽 8 衣 胸厚 18 衣 腹厚 23 衣 立姿臂宽 13 衣 坐姿臂宽 13 衣 肩高 10 衣（包括坐高 3mm 及肩 7mm） 两肘间宽 20 肩 肘 8 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 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。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 15 表 基本 人体尺寸 性别 项目 男 女 5% 50% 95% 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 肩高 1281 1367 1455 1195 1271 1350 手功能高 216 237 258 193 213 234 肩宽 344 375 403 320 351 377 最大肩宽 398 431 469 363 397 438 手长 170 183 196 159 171 183 手宽 76 82 89 70 76 82 立姿双手上举高 1971 2108 2245 1845 1968 2089 立姿双手功能上举高 1869 2020 2138 1741 1860 1976 立姿双手左右平展宽 1579 1691 1802 1457 1559 1659 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 基本 尺寸设计 控制面板 控制面板是 由 操作者站立在其面前一定距离进行操作 的 ，所以控制面板的尺寸可以由 表 基本人体尺寸 并结合图 41 的立姿作业范围来确定。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 16 图 41 立姿作业范围 距离设计：操作者工作时与面板的距离根据前臂 手前伸长来确定，考虑其属于可触及类距离设计，因而采用 5 百分位，女性 5 百分位尺寸是 383mm，男性 5 百分位尺寸是 416mm，得到人与面板的距离是（ 383 + 416） / 2 = ,考虑人工作时的姿势修正， 最终得到人与面板的工作距离是 400mm. 高度设计：由图 41 得立姿舒适的工作高度为 1100mm~1370mm,再 根据 立姿时的鞋厚 修正量 30mm、姿势修正量 10mm,由公式 Xmin = Xa + ⊿ f 求得修正高度 是 1300mm~1670mm，最终尺寸需要进行面板详细设计后确定。 宽度设计：由图 41 得知立姿时在 580mm范围内操作者都能够比较舒适的工作， 因最终尺寸需要进行面板详细设计后确定，故先将 控制面板的宽 保留为原始尺寸 400mm。 面板 显示 屏 以人为本的显示器设计，主要考虑眼高、人眼视野等。 人在观察目标的时候，如果 目标小于 380mm 会发生目眩，大于 760mm 时细节看不清，在 560mm处最为 适宜。 操作者在操作面板时，眼睛离 显示屏的距离在 400mm 左右，符合上述要求。 高度 设计 ： 人立姿时的视野在视平线以下 10176。 左右，显示屏的高度应该在这个范围南京工程学院毕业设计说明书（论文） 17 内，这样能够 让眼睛舒适的视物， 减少眼睛的 疲劳。 图 42 垂直视野尺寸 高度类设计使用平均性准则。 男性 50 百分位眼高是 1568mm,女性 50 百分位眼高是 1454mm， 平均 眼高为（ 1568 + 1454） / 2 = 1511mm，人站立时的穿鞋修正量是 36mm,姿势修正量是 10mm， 根据公式（ 41）求得最小 眼高 尺寸为Xmin = 1511mm + 36mm－ 10mm = 1537mm。 如图 42 所示， 显示屏 下限高为 1537mm－ = ， 所以最终将显示屏安放在 ~1537mm 高度范围内，能够让操作 者舒适的观察显示屏，考虑到心理修正量，最终将高度定为 1390mm~1510mm，高 120mm。 宽度设计： 当人的头部和眼球都固定不动时，视野在水平方向 176。 ~3176。 内辨认物体最清晰，为中心视力范围； 3176。 ~18176。 内视物暂短，比较清晰，为片刻视力范围；18176。 ~30176。 内必须集中注意力，才能看清目标，为有效视力范围。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 18 图 43 水平视野尺寸 如图 43 水平视野尺寸所示，当人离目标 400mm 时，中心视力范围在 以 内 ； 片 刻 视 力 范 围 在 ~ ； 有 效 视 力 范 围 在~。 操作时眼睛应该转动较少的角度、使用较少的时间来定位目标，故将显示屏的边缘设置在有效视力范围内靠近 的地方。 考虑视野余量最终确定宽度为 155mm。 门把手 门把手主要用于操作者推拉机床门。 在使用把手的时候， 操作者用手握住把手，前臂以肘关节为转轴转动，从而推拉把手。 故 根据 肘高 来 确定把手中心高度，根据 手掌尺寸确定 把手直径。 高度： 在章节 中已经 初步 分析过把手的 高度尺寸 970mm~1410mm 满足南京工程学院毕业设计说明书（论文） 19 人们的工作需求，现在作详细的分析 ： 由表 知男性的肘高为 1024mm,女性肘高为 960mm，平均肘高为（ 1024 + 960） / 2 = 992mm，查表 得到 人立姿穿鞋修正量是 36mm，得到最小功能肘高为 992mm + 36mm = 1028mm，在970mm~1410mm 范围内，所以门把手 高度 采用原始尺寸。 当手握住门把手时，若其直径过小，会 容易引起肌肉过度紧张；直径过大，则手难以 握牢。 因而查有关资料得到合理直径为 ~25mm,最大不超过75mm。 因而保留原把手直径尺寸 23mm。 设计好的门把手如图 44 所示： 图 44 把手设计效果图 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 20 第 五 章 人机 界面设计 人机界面概述 人机界面设计在数控机床设计中有着极其重要的地位，若人 机界面。