机械设计中的人机工
程
学
1 引言
机械设计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[ 1 ] ,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- 机器和人- 组织和组织- 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。
现代化生产要求工作人员在适应生理、心理的环境下工作,才能发挥最大的效能和减少差错,为了使工作人员减少差错,需要根据人的生理、心理特点设计机械,这就是人机工程。
在实现现代机械设计的技术和社会目标的过程中,人机工程学发挥着重要的作用,并参与塑造未来设计模式。
2 人机工程学的应用技术
人机工程学是一门新兴的边缘学科。
它是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学及工程学等学科的研究方法和手段,综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科[ 2 ]。
它和我们的生活密
切相关,因为在任何设计和制造过程中,都必须把“人”的因素作为一个重要条件来考虑,才能体现和贯彻人性化设计理念。
通过人机工程学的研究与应用[ 3 ] ,可为机械设计中考虑“人”的因素提供人体尺寸参数;为机械设计中考虑“物”的功能合理性提供科学依据;为机械设计中考虑“环境”因素提供设计准则;为进行人- 机-环境系统设计提供理论依据。
2.1 人机工程学发展过程
人机工程学发展大致经历以下阶段:第1阶段,机器发展初期,机器设计只考虑物理原理,而忽视操作者的因素,造成许多差错和事故,因此,对机器改进和重新设计成为工程技术专家、生理学家和心理学者共同研究的课题。
其特点是选择人和训练人,使它适应于机器。
第2阶段,随着工业技术不断发展的需要,机器发展的品种越来越多,加工要求愈来愈高也越复杂,机械系
统的性能不断提高,操作上相应复杂起来,人往往难以掌握,迫使工程技术人员和科技人员,重视科技领域基础研究的同时,认真考虑人的生理、心理特性与机器的关系,使机械系统适应人的操作,形成人机工程学,并渗入各领域发展,使机器适应人。
第3阶段,近20多年来,工业技术特别是电子计算机的出现和发展,各种高科技领域的突破,各种自动装置的使用,促进工业生产的一系列变革。
人与机器、环境之间的关系愈来愈复杂。
所以,系统研究和广泛的应用研究,把人- 机器- 环境作为一个统一的整体来研究,以创造最适应人工作的条件和环境,使人机系统综合效能最高。
2.2人机工程学的应用
通过多年的研究和应用,人机工程已发展出独特的应用技术,即“人- 系统接口技术”,以增强安全性、健康性和舒适性,提高工作效率,改善工作质量。
“人- 系统
接口技术”已逐渐形成以下4个分支: ①人- 机器接口技术,研究人的生理和知觉特性,并将其相关成果应用到操作、显示与工作空间布局的分析、设计和评价等过程中。
②人- 环境接口技术,研究处于各种环境状态(光、热、噪声和振动等)下人的能力及其极限,同时加强人的能力建模方面的生态学研究。
③人- 软件接口技术,研究人们获取和加工信息的方式,该技术应用于设计或完善系统软件,从而提高可使用性。
④人- 组织接口技术,前述3种接口技术的研究重心在于单个的操作者和操作小组(子系统) ,可以说是处在“微观”人机工程层次上,与此相反,人- 系统接口中的人- 组织接口技术更显“宏观”,它在与系统中的人和技术相互作用时,解决工作系统的整个结构问题。
从概念上讲,它是一种自上而下的社会- 技术系统方法,着重研究组织系统和工作系统的设计及与此相关的人- 机器和人- 环境和
人- 软件等多个接口的设计。
3 人机工程在机械设计中的应用
在机械设计中经常要考虑的环境因素很多,如温度、湿度、照明、噪声、振动、粉尘、风力及有毒物质等;随着人类生产活动领域的扩大,影响因素还有失重、超重、异常气压、加速度及电离辐射等;还考虑到人的心理和生理条件,如人体尺度、人体力学、人对各种信息的反应敏感程度、对环境条件的承受能力、对形状和色彩要求等[ 4 ]。
设计者必须全面考虑各种条件和要求,进行综合分析和决策,求得正确的解决方案。
3.1便于信息交互与处理[ 5, 6 ]
人机系统中人与机器的关系,实质是信息交互与处理过程的关系。
人机关系倘若处理不好,对工作效率的影响是显而易见的。
如机具太低,工人必须弯腰工作,这不仅容易疲劳,损害操作者健康,而且也直接影响生
产效率和产品质量。
因此机器各部分的相对位置的安排,应首先考虑便于操作、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、加力方向要与操作者的身材特征相适应。
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。
例如普通车床的床头箱在左边,而镗床的镗头在右边,都是为了适应右手操作的习惯。
车床的车刀与刀架较小,以便于操作,刀架一般布置在工件前面;外圆磨床的砂轮架较大,以便于操作者接近工件,一般布置在工件的后边。
对于机器操作部件的布置(如开关、键盘、按钮、手柄、踏
脚等) ,除了考虑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。
如加工中心及数控机床把分散的操作按钮集中于可使操作者在任何工作位置操纵的按钮盒或监控
台。
显示系统则应处于视觉或听觉的最佳区域。
信息流显示通常有2种途径: ①通过人的视觉传递信息,如屏幕、仪表、信号、图表、标记等。
②通过人的听觉传递信息,如蜂鸣器、报警器等。
这些设施都要保证信息传递正确迅速,适合人的使用,并考虑到操作者的最大视野(或收听距离)和反应敏锐的视野区(或听觉区)等。
如机床工作用量的显示过去用刻度表示,现在则多采用数显装置。
3. 2绿色设计[ 7 ]
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。
温度、湿度对人的操作有影响,高温使人的注意力涣散,动作标准性下降,协调能力减弱。
据研究,
夏季时18～24℃,冬季时17～32℃,在这种条件下,人们的工作效率高、质量好。
人机工程学称它为温度的“快感带”。
还有噪声问题,在生产和生活中,人们经常由于噪声而苦恼,现在许多国家规定工业噪声安全标准为85～90分贝。
美化工作环境包括照明、色彩、音响以及劳动服装设计、工作机具造型等方面内容。
如在其它条件不变的情况下,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;改进机器上的照明设备使之亮度适当,造型美观,也可提高生产效率。
同时要求生产过程不污染环境,不对生态带来不利影响,也是人机工程学关注的重要问题。
3. 3安全防护
人机工程还要考虑安全防护。
安全防护有两方面
内容:①采取措施,避免操作错误,对机器进行防护。
操作错误可能来自外界或内部的某些干扰而产生的错误动作,也可能由于操作者本身的错误行为而引起操作错误。
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。
目前,大型机电一体化设备一般具备自诊断功能,发生故障,能快捷检测故障,判断原因,准确定位故障点。
②对操作者人身安全的保护,如行走车辆为保护驾驶员,除了三点式安全带、安全气囊、ABS防抱制动系统外,还出现防翻滚驾驶台等。
人身防护的安全技术很多,如构件可靠性原理、有限损伤原理、冗余配制原理等,另外,报警系统、防护罩、挡板、绝缘外壳、噪声隔绝装置的采用也都是切实可行的。
在具体的机械设计中,对以上问题的考虑应该从实际出发,针对不同情况具体对待,才能科学合理地在
设计中发挥出人机工程学在机械设计中的作用,并处理好机械设计中的人机工程学问题,这也就是在现今机械设计中常提到的人性化设计问题。
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,这才是我们的主题。
只有在现代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,才能发挥和实现机械设计的全部效能。
参考文献:
[ 1 ] 吴宗泽. 机械设计禁忌500 例[M ]. 北京: 机械工业出版社, 1997.
[ 2 ] 丁玉兰. 人机工程学[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 2000. [ 3 ] 严杨. 人机工程学设计应用[M ]. 北京:中国轻工业出版社, 1993.
[ 4 ] 周美兰. 工业设计应用人机工程学[M ]. 北京:中国轻工业出版社, 2001.
[ 5 ] 裘建新. 现代工业制造中的人机工程学[ J ]. 机械制造, 2002 [ 6 ] 刘春荣. 现代制造系统中的人因工程[ J ]. 机械设计与制造工程, 2002 (1) : 45 - 47.
[ 7 ] 徐灏. 机械设计手册(第二版) 1、2分册[M ]. 北京:机械工业出版社, 2000.。