人機工程學(xué)在機床夾具設(shè)計中的應(yīng)用
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摘要： 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，人機工程學(xué)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。應(yīng)用人機工程學(xué)的原理對機床夾具設(shè)計的工作效率、人的健康與安全、人機環(huán)境的最佳匹配等三個方面進(jìn)行探討，使夾具設(shè)計能達(dá)到人、機、環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
關(guān)鍵詞： 人機工程學(xué)；夾具設(shè)計；人機環(huán)境；以人為本
0 引言
隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，人機工程學(xué)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。人機工程學(xué)是研究人、機及環(huán)境相互作用的學(xué)科[1]，研究人和機器以及環(huán)境的相互作用，研究人在工作、生活中怎樣才能夠統(tǒng)一考慮工作效率、人體健康、安全和舒適等問題，是把人－機－環(huán)境系統(tǒng)工程運用系統(tǒng)科學(xué)思想和系統(tǒng)工程方法，正確處理人、機、環(huán)境三大要素的關(guān)系，探討人機環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學(xué)，如何實現(xiàn)人－機－環(huán)境系統(tǒng)的最優(yōu)組合是我們研究的核心問題。已有研究表明，在設(shè)計、生產(chǎn)中應(yīng)用人機工程學(xué)是必要和有效的[2]。本文利用人機工程學(xué)的原理對機床夾具設(shè)計過程中的有關(guān)工作效率、人的健康、安全和人機環(huán)境匹配等幾方面進(jìn)行探討。
1 基于人機工程學(xué)的設(shè)計內(nèi)容
將人機工程學(xué)應(yīng)用于機床夾具設(shè)計過程應(yīng)當(dāng)包含兩個方面：1）應(yīng)用是全過程的；2）應(yīng)用是全方位的。全過程、全方位地應(yīng)用人機工程學(xué)進(jìn)行夾具設(shè)計，不僅體現(xiàn)其功能的科學(xué)性、使用的合理性，還要考慮到舒適、安全、省力和高效等功能[3]。人機工程學(xué)在夾具設(shè)計中的應(yīng)用要體現(xiàn)在夾具設(shè)計的每個階段，具體內(nèi)容如下：
按照這個要求，機床夾具設(shè)計從工作效率、人體健康、安全和人機匹配幾個方面來進(jìn)行。
1.1 工作效率
機床夾具設(shè)計的總體目標(biāo)就是“優(yōu)質(zhì)、高效、低成本”，在保證質(zhì)量的前提下，高效率是我們追求的一直追求的重要方面，所謂“高效”是指夾具的工作效率最高，使用價值最大，這是對夾具設(shè)計提出的最根本要求之一。在夾具設(shè)計中，除了按照生產(chǎn)綱領(lǐng)合理配置夾具的定位裝置、夾緊裝置、對刀或?qū)蜓b置、分度裝置等夾具各個組成部分的自動化程度，提高生產(chǎn)效率外，裝、夾動作應(yīng)準(zhǔn)確、迅速、操作方便，安全省力[5]；各個部分的操作手柄、杠桿、開關(guān)、顯示裝置或其它輔助工具應(yīng)放在操作者的最大工作范圍之內(nèi)，并且要盡可能靠近操作者，但應(yīng)避免放在操作者的正前方且按動作順序進(jìn)行排列與布置；應(yīng)使操作者手移動的距離和移動次數(shù)越少越好；夾具上的各種操作機構(gòu)的位置應(yīng)盡量使操作者在使用時不改變或極少改變身體位置；盡可能采用聯(lián)動夾緊機構(gòu)。從而縮短輔助時間，提高人的工作效率。
1.2 人體健康、安全
所謂“安全”是指在系統(tǒng)中不出現(xiàn)人體的生理危害或傷害。在夾具設(shè)計中，要堅持“以人為本”的基本指導(dǎo)思想，夾具設(shè)計應(yīng)安全可靠，確保操作者的人身安全。對于存在離心力的夾具，需采取的平衡措施，方法有兩種，一是在較輕的一側(cè)加平衡塊，平衡塊的位置最好可以調(diào)節(jié)。二是在較重的一側(cè)加減重孔[5]。設(shè)計夾緊裝置時，為防止工件在加工過程中因振動而松動，夾緊裝置要有足夠的夾緊力和自鎖性能；夾緊裝置的自鎖裝置性能應(yīng)可靠，以防止產(chǎn)生松動，致使工件有飛出的危險；對于存在沖擊載荷的夾具設(shè)計時，夾緊力大小要求保證工件夾緊可靠，施力方向和作用點要恰當(dāng)，必要時可采用輔助支承和浮動夾緊裝置，以提高夾緊剛度，因此夾具各元件要具有足夠的強度和剛度。在設(shè)計和布置定位元件時，應(yīng)盡量使主要支承面大些，定位元件的支承之間要盡量遠(yuǎn)些；還要注意防止夾具上的元件與機床的回轉(zhuǎn)件相碰，引發(fā)安全事故。夾具上盡可能避免有尖角或突出夾具體（或機床）輪廓之外的元件，必要時應(yīng)加防護(hù)罩。
安全防護(hù)裝置的設(shè)計可以分為兩個部分：為保證安全設(shè)置在機床上的防護(hù)裝置設(shè)計和個人防護(hù)用品設(shè)計。防護(hù)裝置設(shè)計的結(jié)構(gòu)和布局應(yīng)設(shè)計合理，防止人體各部位均不能直接進(jìn)入危險區(qū)，主要包括防止人的誤操作而引發(fā)的事故，要有防誤撞裝置，比如可以增大操作阻力或按鈕保護(hù)蓋板；防止操作者誤入危險區(qū)而設(shè)置的安全防護(hù)裝置，比如設(shè)置防護(hù)網(wǎng)或防護(hù)擋板；為防止切屑、切削液飛濺而危害操作者的健康和安全，可設(shè)置防護(hù)罩或防護(hù)擋板。安全防護(hù)裝置與夾具的配套設(shè)計，防護(hù)裝置設(shè)計要保證操作者容易對加工區(qū)進(jìn)行觀察。最好有通過對系統(tǒng)進(jìn)行自動監(jiān)測與診斷的方式去避免或排除故障、避免事故發(fā)生的裝置。個人防護(hù)用品設(shè)計應(yīng)符合人體工程學(xué)，包括防塵、防潮、隔聲用品的設(shè)計，為操作者提供良好的工作條件，減少不必要的危害。
1.3 人機環(huán)境之間的最佳匹配
人－機－環(huán)境系統(tǒng)強調(diào)“機宜人”、“人宜機”，將人、機、環(huán)境這三個要素看成一個相互作用、相互依賴的系統(tǒng)，并用系統(tǒng)工程的方法使系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。要使人、機、環(huán)境三大要素相互之間達(dá)到最佳匹配，就要使人－機關(guān)系、人－環(huán)關(guān)系、人－機－環(huán)境關(guān)系的總體設(shè)計要合理。夾具的設(shè)計要符合人的生理、心理特點；工作環(huán)境要符合人的特性。
在機的總體布局時，夾具的高度應(yīng)使操作者可以變換操作姿勢，可以坐、站交替，具有舒適感；夾具的操作手柄、杠桿、開關(guān)、顯示裝置或其它輔助工具應(yīng)與人體尺寸相適應(yīng)（人體平均身高大約1700mm），絕大多數(shù)人習(xí)慣用右手操作工具和做各種用力的動作，這一事實在人機系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該予以考慮。夾具設(shè)計要能夠降低工人的勞動強度和對工人的技術(shù)水平要求，雙手和身體的動作應(yīng)該盡量以減少不必要的體力消耗為準(zhǔn)則，過度消耗體力容易引發(fā)安全事故；夾具的結(jié)構(gòu)工藝性要好，便于制造、裝配、調(diào)整、檢測和維修。維護(hù)作業(yè)應(yīng)滿足人的要求，維護(hù)時間要短、維護(hù)費用低，滿足與維護(hù)有關(guān)的可靠性與安全性的要求；夾具的檢查點、潤滑點以及液壓氣壓系統(tǒng)的維護(hù)點都要布局在便于接近的位置；顯示器應(yīng)盡可能安排在視野中心范圍之內(nèi)，使人的視覺效果最優(yōu)，避免產(chǎn)生視覺疲勞。
夾具使用過程中的噪聲、粉塵、切削液對人體、環(huán)境的污染也是不容忽視的，切削過程中的噪聲、粉塵、切削液往往會對操作者造成身體傷害、會對環(huán)境造成污染，在夾具設(shè)計時，就要考慮對噪聲、粉塵、切削液等污染物進(jìn)行防治。
2 結(jié)束語
隨著我國社會和科技的發(fā)展，人們對工作條件、生活品質(zhì)的要求會越來越高，對產(chǎn)品的人機工程特性也越來越重視。提高采用人機工程學(xué)原理設(shè)計的機床夾具，使人機環(huán)境的關(guān)系更加協(xié)調(diào)，對提高企業(yè)生產(chǎn)率、降低綜合成本，對構(gòu)建和諧社會具有十分重要的意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]丁玉蘭，人機工程學(xué)[M].北京理工大學(xué)出版社，2005.
[2]Abrahamson L.Production economics analysis of investment initiated to improve working environment[J].Appl.Ergon.2000，31（1）：1-7.
[3]吳強等，基于人機工程學(xué)的設(shè)計實踐[J].機械設(shè)計與制造，2007（6）：45-47.
[4]馬江彬，人機工程學(xué)及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，1993.
[5]陳根琴，機械制造技術(shù)[M].北京理工大學(xué)出版社，2007.
關(guān)鍵詞： 人機工程學(xué)；夾具設(shè)計；人機環(huán)境；以人為本
0 引言
隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，人機工程學(xué)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。人機工程學(xué)是研究人、機及環(huán)境相互作用的學(xué)科[1]，研究人和機器以及環(huán)境的相互作用，研究人在工作、生活中怎樣才能夠統(tǒng)一考慮工作效率、人體健康、安全和舒適等問題，是把人－機－環(huán)境系統(tǒng)工程運用系統(tǒng)科學(xué)思想和系統(tǒng)工程方法，正確處理人、機、環(huán)境三大要素的關(guān)系，探討人機環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學(xué)，如何實現(xiàn)人－機－環(huán)境系統(tǒng)的最優(yōu)組合是我們研究的核心問題。已有研究表明，在設(shè)計、生產(chǎn)中應(yīng)用人機工程學(xué)是必要和有效的[2]。本文利用人機工程學(xué)的原理對機床夾具設(shè)計過程中的有關(guān)工作效率、人的健康、安全和人機環(huán)境匹配等幾方面進(jìn)行探討。
1 基于人機工程學(xué)的設(shè)計內(nèi)容
將人機工程學(xué)應(yīng)用于機床夾具設(shè)計過程應(yīng)當(dāng)包含兩個方面：1）應(yīng)用是全過程的；2）應(yīng)用是全方位的。全過程、全方位地應(yīng)用人機工程學(xué)進(jìn)行夾具設(shè)計，不僅體現(xiàn)其功能的科學(xué)性、使用的合理性，還要考慮到舒適、安全、省力和高效等功能[3]。人機工程學(xué)在夾具設(shè)計中的應(yīng)用要體現(xiàn)在夾具設(shè)計的每個階段，具體內(nèi)容如下：
按照這個要求，機床夾具設(shè)計從工作效率、人體健康、安全和人機匹配幾個方面來進(jìn)行。
1.1 工作效率
機床夾具設(shè)計的總體目標(biāo)就是“優(yōu)質(zhì)、高效、低成本”，在保證質(zhì)量的前提下，高效率是我們追求的一直追求的重要方面，所謂“高效”是指夾具的工作效率最高，使用價值最大，這是對夾具設(shè)計提出的最根本要求之一。在夾具設(shè)計中，除了按照生產(chǎn)綱領(lǐng)合理配置夾具的定位裝置、夾緊裝置、對刀或?qū)蜓b置、分度裝置等夾具各個組成部分的自動化程度，提高生產(chǎn)效率外，裝、夾動作應(yīng)準(zhǔn)確、迅速、操作方便，安全省力[5]；各個部分的操作手柄、杠桿、開關(guān)、顯示裝置或其它輔助工具應(yīng)放在操作者的最大工作范圍之內(nèi)，并且要盡可能靠近操作者，但應(yīng)避免放在操作者的正前方且按動作順序進(jìn)行排列與布置；應(yīng)使操作者手移動的距離和移動次數(shù)越少越好；夾具上的各種操作機構(gòu)的位置應(yīng)盡量使操作者在使用時不改變或極少改變身體位置；盡可能采用聯(lián)動夾緊機構(gòu)。從而縮短輔助時間，提高人的工作效率。
1.2 人體健康、安全
所謂“安全”是指在系統(tǒng)中不出現(xiàn)人體的生理危害或傷害。在夾具設(shè)計中，要堅持“以人為本”的基本指導(dǎo)思想，夾具設(shè)計應(yīng)安全可靠，確保操作者的人身安全。對于存在離心力的夾具，需采取的平衡措施，方法有兩種，一是在較輕的一側(cè)加平衡塊，平衡塊的位置最好可以調(diào)節(jié)。二是在較重的一側(cè)加減重孔[5]。設(shè)計夾緊裝置時，為防止工件在加工過程中因振動而松動，夾緊裝置要有足夠的夾緊力和自鎖性能；夾緊裝置的自鎖裝置性能應(yīng)可靠，以防止產(chǎn)生松動，致使工件有飛出的危險；對于存在沖擊載荷的夾具設(shè)計時，夾緊力大小要求保證工件夾緊可靠，施力方向和作用點要恰當(dāng)，必要時可采用輔助支承和浮動夾緊裝置，以提高夾緊剛度，因此夾具各元件要具有足夠的強度和剛度。在設(shè)計和布置定位元件時，應(yīng)盡量使主要支承面大些，定位元件的支承之間要盡量遠(yuǎn)些；還要注意防止夾具上的元件與機床的回轉(zhuǎn)件相碰，引發(fā)安全事故。夾具上盡可能避免有尖角或突出夾具體（或機床）輪廓之外的元件，必要時應(yīng)加防護(hù)罩。
安全防護(hù)裝置的設(shè)計可以分為兩個部分：為保證安全設(shè)置在機床上的防護(hù)裝置設(shè)計和個人防護(hù)用品設(shè)計。防護(hù)裝置設(shè)計的結(jié)構(gòu)和布局應(yīng)設(shè)計合理，防止人體各部位均不能直接進(jìn)入危險區(qū)，主要包括防止人的誤操作而引發(fā)的事故，要有防誤撞裝置，比如可以增大操作阻力或按鈕保護(hù)蓋板；防止操作者誤入危險區(qū)而設(shè)置的安全防護(hù)裝置，比如設(shè)置防護(hù)網(wǎng)或防護(hù)擋板；為防止切屑、切削液飛濺而危害操作者的健康和安全，可設(shè)置防護(hù)罩或防護(hù)擋板。安全防護(hù)裝置與夾具的配套設(shè)計，防護(hù)裝置設(shè)計要保證操作者容易對加工區(qū)進(jìn)行觀察。最好有通過對系統(tǒng)進(jìn)行自動監(jiān)測與診斷的方式去避免或排除故障、避免事故發(fā)生的裝置。個人防護(hù)用品設(shè)計應(yīng)符合人體工程學(xué)，包括防塵、防潮、隔聲用品的設(shè)計，為操作者提供良好的工作條件，減少不必要的危害。
1.3 人機環(huán)境之間的最佳匹配
人－機－環(huán)境系統(tǒng)強調(diào)“機宜人”、“人宜機”，將人、機、環(huán)境這三個要素看成一個相互作用、相互依賴的系統(tǒng)，并用系統(tǒng)工程的方法使系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)。要使人、機、環(huán)境三大要素相互之間達(dá)到最佳匹配，就要使人－機關(guān)系、人－環(huán)關(guān)系、人－機－環(huán)境關(guān)系的總體設(shè)計要合理。夾具的設(shè)計要符合人的生理、心理特點；工作環(huán)境要符合人的特性。
在機的總體布局時，夾具的高度應(yīng)使操作者可以變換操作姿勢，可以坐、站交替，具有舒適感；夾具的操作手柄、杠桿、開關(guān)、顯示裝置或其它輔助工具應(yīng)與人體尺寸相適應(yīng)（人體平均身高大約1700mm），絕大多數(shù)人習(xí)慣用右手操作工具和做各種用力的動作，這一事實在人機系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該予以考慮。夾具設(shè)計要能夠降低工人的勞動強度和對工人的技術(shù)水平要求，雙手和身體的動作應(yīng)該盡量以減少不必要的體力消耗為準(zhǔn)則，過度消耗體力容易引發(fā)安全事故；夾具的結(jié)構(gòu)工藝性要好，便于制造、裝配、調(diào)整、檢測和維修。維護(hù)作業(yè)應(yīng)滿足人的要求，維護(hù)時間要短、維護(hù)費用低，滿足與維護(hù)有關(guān)的可靠性與安全性的要求；夾具的檢查點、潤滑點以及液壓氣壓系統(tǒng)的維護(hù)點都要布局在便于接近的位置；顯示器應(yīng)盡可能安排在視野中心范圍之內(nèi)，使人的視覺效果最優(yōu)，避免產(chǎn)生視覺疲勞。
夾具使用過程中的噪聲、粉塵、切削液對人體、環(huán)境的污染也是不容忽視的，切削過程中的噪聲、粉塵、切削液往往會對操作者造成身體傷害、會對環(huán)境造成污染，在夾具設(shè)計時，就要考慮對噪聲、粉塵、切削液等污染物進(jìn)行防治。
2 結(jié)束語
隨著我國社會和科技的發(fā)展，人們對工作條件、生活品質(zhì)的要求會越來越高，對產(chǎn)品的人機工程特性也越來越重視。提高采用人機工程學(xué)原理設(shè)計的機床夾具，使人機環(huán)境的關(guān)系更加協(xié)調(diào)，對提高企業(yè)生產(chǎn)率、降低綜合成本，對構(gòu)建和諧社會具有十分重要的意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]丁玉蘭，人機工程學(xué)[M].北京理工大學(xué)出版社，2005.
[2]Abrahamson L.Production economics analysis of investment initiated to improve working environment[J].Appl.Ergon.2000，31（1）：1-7.
[3]吳強等，基于人機工程學(xué)的設(shè)計實踐[J].機械設(shè)計與制造，2007（6）：45-47.
[4]馬江彬，人機工程學(xué)及其應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，1993.
[5]陳根琴，機械制造技術(shù)[M].北京理工大學(xué)出版社，2007.