人機工程學在機床夾具設計中的應用
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摘要： 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，人機工程學的應用越來越受到人們的重視。應用人機工程學的原理對機床夾具設計的工作效率、人的健康與安全、人機環(huán)境的最佳匹配等三個方面進行探討，使夾具設計能達到人、機、環(huán)境的協(xié)調統(tǒng)一。
關鍵詞： 人機工程學；夾具設計；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，人機工程學的應用越來越受到人們的重視。人機工程學是研究人、機及環(huán)境相互作用的學科[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)境三大要素的關系，探討人機環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學，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，在設計、生產(chǎn)中應用人機工程學是必要和有效的[2]。本文利用人機工程學的原理對機床夾具設計過程中的有關工作效率、人的健康、安全和人機環(huán)境匹配等幾方面進行探討。
1 基于人機工程學的設計內容
將人機工程學應用于機床夾具設計過程應當包含兩個方面：1）應用是全過程的；2）應用是全方位的。全過程、全方位地應用人機工程學進行夾具設計，不僅體現(xiàn)其功能的科學性、使用的合理性，還要考慮到舒適、安全、省力和高效等功能[3]。人機工程學在夾具設計中的應用要體現(xiàn)在夾具設計的每個階段，具體內容如下：
按照這個要求，機床夾具設計從工作效率、人體健康、安全和人機匹配幾個方面來進行。
1.1 工作效率
機床夾具設計的總體目標就是“優(yōu)質、高效、低成本”，在保證質量的前提下，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，這是對夾具設計提出的最根本要求之一。在夾具設計中，除了按照生產(chǎn)綱領合理配置夾具的定位裝置、夾緊裝置、對刀或導向裝置、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、夾動作應準確、迅速、操作方便，安全省力[5]；各個部分的操作手柄、杠桿、開關、顯示裝置或其它輔助工具應放在操作者的最大工作范圍之內，并且要盡可能靠近操作者，但應避免放在操作者的正前方且按動作順序進行排列與布置；應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的位置應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。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。在夾具設計中，要堅持“以人為本”的基本指導思想，夾具設計應安全可靠，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，一是在較輕的一側加平衡塊，平衡塊的位置最好可以調節(jié)。二是在較重的一側加減重孔[5]。設計夾緊裝置時，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，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。在設計和布置定位元件時，應盡量使主要支承面大些，定位元件的支承之間要盡量遠些；還要注意防止夾具上的元件與機床的回轉件相碰，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，必要時應加防護罩。
安全防護裝置的設計可以分為兩個部分：為保證安全設置在機床上的防護裝置設計和個人防護用品設計。防護裝置設計的結構和布局應設計合理，防止人體各部位均不能直接進入危險區(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蓋板；防止操作者誤入危險區(qū)而設置的安全防護裝置，比如設置防護網(wǎng)或防護擋板；為防止切屑、切削液飛濺而危害操作者的健康和安全，可設置防護罩或防護擋板。安全防護裝置與夾具的配套設計，防護裝置設計要保證操作者容易對加工區(qū)進行觀察。最好有通過對系統(tǒng)進行自動監(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。個人防護用品設計應符合人體工程學，包括防塵、防潮、隔聲用品的設計，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“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到最佳匹配，就要使人－機關系、人－環(huán)關系、人－機－環(huán)境關系的總體設計要合理。夾具的設計要符合人的生理、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、顯示裝置或其它輔助工具應與人體尺寸相適應（人體平均身高大約1700mm），絕大多數(shù)人習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)設計時應該予以考慮。夾具設計要能夠降低工人的勞動強度和對工人的技術水平要求，雙手和身體的動作應該盡量以減少不必要的體力消耗為準則，過度消耗體力容易引發(fā)安全事故；夾具的結構工藝性要好，便于制造、裝配、調整、檢測和維修。維護作業(yè)應滿足人的要求，維護時間要短、維護費用低，滿足與維護有關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)的維護點都要布局在便于接近的位置；顯示器應盡可能安排在視野中心范圍之內，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，在夾具設計時，就要考慮對噪聲、粉塵、切削液等污染物進行防治。
2 結束語
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原理設計的機床夾具，使人機環(huán)境的關系更加協(xié)調，對提高企業(yè)生產(chǎn)率、降低綜合成本，對構建和諧社會具有十分重要的意義。
參考文獻：
[1]丁玉蘭，人機工程學[M].北京理工大學出版社，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，基于人機工程學的設計實踐[J].機械設計與制造，2007（6）：45-47.
[4]馬江彬，人機工程學及其應用[M].機械工業(yè)出版社，1993.
[5]陳根琴，機械制造技術[M].北京理工大學出版社，2007.
關鍵詞： 人機工程學；夾具設計；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，人機工程學的應用越來越受到人們的重視。人機工程學是研究人、機及環(huán)境相互作用的學科[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)境三大要素的關系，探討人機環(huán)境系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門科學，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，在設計、生產(chǎn)中應用人機工程學是必要和有效的[2]。本文利用人機工程學的原理對機床夾具設計過程中的有關工作效率、人的健康、安全和人機環(huán)境匹配等幾方面進行探討。
1 基于人機工程學的設計內容
將人機工程學應用于機床夾具設計過程應當包含兩個方面：1）應用是全過程的；2）應用是全方位的。全過程、全方位地應用人機工程學進行夾具設計，不僅體現(xiàn)其功能的科學性、使用的合理性，還要考慮到舒適、安全、省力和高效等功能[3]。人機工程學在夾具設計中的應用要體現(xiàn)在夾具設計的每個階段，具體內容如下：
按照這個要求，機床夾具設計從工作效率、人體健康、安全和人機匹配幾個方面來進行。
1.1 工作效率
機床夾具設計的總體目標就是“優(yōu)質、高效、低成本”，在保證質量的前提下，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，這是對夾具設計提出的最根本要求之一。在夾具設計中，除了按照生產(chǎn)綱領合理配置夾具的定位裝置、夾緊裝置、對刀或導向裝置、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、夾動作應準確、迅速、操作方便，安全省力[5]；各個部分的操作手柄、杠桿、開關、顯示裝置或其它輔助工具應放在操作者的最大工作范圍之內，并且要盡可能靠近操作者，但應避免放在操作者的正前方且按動作順序進行排列與布置；應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的位置應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。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。在夾具設計中，要堅持“以人為本”的基本指導思想，夾具設計應安全可靠，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，一是在較輕的一側加平衡塊，平衡塊的位置最好可以調節(jié)。二是在較重的一側加減重孔[5]。設計夾緊裝置時，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，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。在設計和布置定位元件時，應盡量使主要支承面大些，定位元件的支承之間要盡量遠些；還要注意防止夾具上的元件與機床的回轉件相碰，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，必要時應加防護罩。
安全防護裝置的設計可以分為兩個部分：為保證安全設置在機床上的防護裝置設計和個人防護用品設計。防護裝置設計的結構和布局應設計合理，防止人體各部位均不能直接進入危險區(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蓋板；防止操作者誤入危險區(qū)而設置的安全防護裝置，比如設置防護網(wǎng)或防護擋板；為防止切屑、切削液飛濺而危害操作者的健康和安全，可設置防護罩或防護擋板。安全防護裝置與夾具的配套設計，防護裝置設計要保證操作者容易對加工區(qū)進行觀察。最好有通過對系統(tǒng)進行自動監(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。個人防護用品設計應符合人體工程學，包括防塵、防潮、隔聲用品的設計，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“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到最佳匹配，就要使人－機關系、人－環(huán)關系、人－機－環(huán)境關系的總體設計要合理。夾具的設計要符合人的生理、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、顯示裝置或其它輔助工具應與人體尺寸相適應（人體平均身高大約1700mm），絕大多數(shù)人習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)設計時應該予以考慮。夾具設計要能夠降低工人的勞動強度和對工人的技術水平要求，雙手和身體的動作應該盡量以減少不必要的體力消耗為準則，過度消耗體力容易引發(fā)安全事故；夾具的結構工藝性要好，便于制造、裝配、調整、檢測和維修。維護作業(yè)應滿足人的要求，維護時間要短、維護費用低，滿足與維護有關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)的維護點都要布局在便于接近的位置；顯示器應盡可能安排在視野中心范圍之內，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，在夾具設計時，就要考慮對噪聲、粉塵、切削液等污染物進行防治。
2 結束語
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原理設計的機床夾具，使人機環(huán)境的關系更加協(xié)調，對提高企業(yè)生產(chǎn)率、降低綜合成本，對構建和諧社會具有十分重要的意義。
參考文獻：
[1]丁玉蘭，人機工程學[M].北京理工大學出版社，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，基于人機工程學的設計實踐[J].機械設計與制造，2007（6）：45-47.
[4]馬江彬，人機工程學及其應用[M].機械工業(yè)出版社，1993.
[5]陳根琴，機械制造技術[M].北京理工大學出版社，2007.