金工实习机器人机分析

金工实习设备的人机分析
摘要：主要根据安全人机工程学这门学科所学的知识，提高对于产品的开发、使用时能够按照人机学的原理进行分析的能力，并且提出合理化建议。

本文以我们金工实习时所使用的设备为例，根据人机学原理和一些标准规定对设备进行人机分析，找出设备的不合理之处，并且提出合理的改造建议，保障实习学生的安全、身体健康和作业的环境，提高学生的作业效率。

关键词：安全人机工程学、金工实习、车床、铣床
一、评价对象
（一）车床
车床主要是车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。

在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。

主要组成部件有：主轴箱（主要是将主电机传来的运动经过一系列变速机构使主轴得到正反两种不同的转速，同时分出部分动力传给进给箱）、交换齿轮箱、进给箱（箱中装有进给变速的机构，调整它，可以得到所需的进给量或螺距）、溜板箱（车床进给运动的操作箱）、刀架（安装车刀）、尾架（安装钻头、铰刀等进行孔加工）、光杠丝杠（连接进给箱和溜板箱，把进给箱的动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。

丝杠是用来车削各种螺纹的，光杠用来车削其他表面）、床身（支撑和连接车床的各个部件）、夹具、床脚和冷却装置（降低车削温度，冲走切削，润滑加工表面）。

（如图1）
图1 C6136A车床
上图所示的车床属于普通车床，加工对象广，主轴转速和进给量的调整范围大，能加工工件的内外表面、端面和内外螺纹。

这种车床主要有工人手工操作，生产效率低，适用于单件、小批量生产和配修车间。

车刀是车床加工必不可少的部分，由刀头和刀杆两部分组成。

常用的刀头有：尖形车刀、圆弧形车刀、切槽刀、成形刀等。

（二）铣床
铣床指主要用铣刀在工件上加工各种表面的机床。

通常铣刀旋转运动为主运动，工件和铣刀的移动为进给运动。

它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。

铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。

铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。

铣床主要分为卧式铣床和立式铣床，我们实习时所用的是立式铣床（见图2）。

立式铣床是一种通用金属切削机床。

本机床的主轴锥孔可直接或通过附件安装各种圆柱铣刀、成型铣刀、端面铣刀、角度铣刀等刀具，立式铣床铣头可在垂直平面内顺、逆时针调整±45°；立式铣床X、Y、Z三方向机动进给；立式铣床主轴采用能耗制动，制动转矩大，停止迅速，可靠。

底座、机身、工作台、中滑座、升降滑座、主轴箱等主要构件均采用高强度材料铸造而成，并经人工时效处理，保证机床长期使用的稳定性。

立铣头可在垂直平面内顺、逆回转调整±45°，拓展机床的加工范围；主轴轴承为圆锥滚子轴承，承载能力强，且主轴采用能耗制动，制动转矩大，停止迅速、可靠。

工作台X、Y、Z向有手动进给、机动进给和机动快进三种，进给速度能满足不同的加工要求；快速进给可使工件迅速到达加工位置，加工方便、快捷，缩短非加工时间。

X、Y、Z三方向导轨副经超音频淬火、精密磨削及刮研处理，配合强制润滑，提高精度，延长机床的使用寿命。

润滑装置可对纵、横、垂向的丝杠及导轨进行强制润滑，减小机床的磨损，保证机床的高效运转；同时，冷却系统通过调整喷嘴改变冷却液流量的大小，满足不同的加工需求。

机床设计符合人体工程学原理，操作方便；操作面板均使用形象化符号设计，简单直观。

图2 立式铣床
二、评价依据
（一）操纵器一般人类工效学要求（GB/T 14775-93）
1、手控操纵器的选用原则（适用于精细、快速调节，也可用于分级和连续调节）。

（1）手轮适用于细微调节和平稳调节，当手轮一次连续转动角度大于120°时应选用带柄手轮。

（2）扳钮开关适用于两种或三种状态的调节。

（3）旋钮适用于用力较小且变化细微的连续调节或三种状态以上的分级调节。

2、设计要求
（1）需用手握紧的操纵器，在与手接触的部位应为球形、圆柱形、环形或其他便于持握的形状，需与手指接触的部分应有适合指形的波纹，其横截面应为椭圆形或圆形，表面不得有尖角毛刺、缺口棱边等。

以保证操纵舒适，用力方便，
持握牢靠。

（2）为使观测目标时视野良好，便于双手掌握，控制方向用的手轮可以制成半圆形或弧形的转向把型式（见图3）。

图3
图4
（3）用手指操纵的扳钮开关，转换开关的柄部应为圆柱形、圆锥形或棱柱形。

圆锥形柄部应大径朝外，且柄的外端呈球形。

双位转换开关从一个位置扳转到另一位置的角度一般应不超过40°～90°范围，三位转换开关为30°～50°。

3、操纵器的尺寸要求
（1）手轮(包括带柄手轮)和曲柄的基本尺寸应符合图5和表1、表2的规定。

图5
表1 mm
操纵方式
手轮直径D 轮缘直径d
尺寸范围优先选用
尺寸范
围
优先选用
双手扶轮缘单手扶轮缘手握手柄手指捏握手
柄
140～630
50～125
125～400
50～125
320～400
70～80
200～320
75～100
15～40
10～25
25～30
15～20 表2 mm
操纵方式
手柄直径d 手柄长度
L
尺寸范围优先选用尺寸范
围
优先选用
手掌握手柄15～35 25～30 75～150 100～120
手指捏握手
柄10～20 12～18
30～75 45～50
（2）扳钮开关柄部基本尺寸应适合图6和表3规定。

图6
表3 mm 开关型式扳钮顶端直径d 长度l 扳动频率，次/min 通用开关3～8 12～25 <10
专用开关8～25 25～50 <1
4、操纵器的配置要求
（1）用双手操纵的操纵器应配置在操作者(或座位)的正中矢状面左右方向偏离不超过40mm的范围内。

坐姿操作时，双手操纵的手轮或转向把，其转动平面应与水平成40°～90°角并和座椅对称面垂直，立姿操作时，其转动平面应与水平成0°～90°角。

当分别用左、右手同时操纵两个带柄手轮时，应使两个轮的旋转方向相反。

（2）无手柄手轮的转动平面应与前臂成10°～60°角(见图7a)。

图7
（3）带柄手轮应使其转动平面与前臂成10°～90°角，若仅用手部转动，其转动平面应与前臂成10°～45°角(图7b)。

（4）对设备的“开、关”进行控制的扳钮开关，配置时应沿垂直方向定位，向上下扳动。

为满足设备控制与功能协调的需要，允许沿水平方向定位，向左、右扳动。

（二）机床控制装置的操作方向（GB/T 17167-1997）
1、手柄控制装置
（1）对于直线运动的控制装置，手柄在中间位置两边的极限位置的连线应近似地平行于被控制部件的运动方向。

（2）对于圆周运动的控制装置，手柄杆转动所在平面应平行于被控制部件的回转平面。

2、手轮控制装置
手轮顺时针方向旋转(从操作者面对着安装该手轮的轴端看)，被控制部件应产生。

（三）信息显示装置人机工程一般要求(JB/T 5062-91)
1、选用信息显示装置要求
（1）需要操作者接受的信息型式。

（2）传递信息的合理方法、数量和经济性。

（3）接受一定类型的信息，感觉器官要选择合理。

（4）保证迅速显示量值或判辨信息，以便操作者及时采取措施。

2、视觉显示器的一般要求
（1）显示装置的排列应按其代表部件的功能和使用顺序关系从左至右或从上至下的视觉流程顺序进行（如图8）。

图8
（2）显示装置应有良好的照明。

当要求暗适应度不很大时，应采用混合照明；当要求暗适应度很大时，应采用低亮度红光照明；当几个(几组)装置安装在一起时，应有均匀的亮度。

（3）显示器度盘采用的字符和标度线，应保证操作者易于认读。

3、灯光显示器的一般规定
（1）显示系统状态的警告、注意和综合灯，应和表示系统元件状况的灯分开设置，警告灯应和操纵器构成整体或紧密相连。

（2）灯光显示器应采用下列颜色进行编码：
a.“红色”的含义是禁止和停止，危险警报和要求立即处理的情况
b.“红色闪光”仅用于指示应急状况，警告操作者迅速采取行动
c.“黄色”的含义是注意和警告
d.“绿色”的含义是工作准备、安全动作、正常工作状态
e.“蓝色”的含义是指令或必须遵守的规定，但应避免优先采用蓝色
f.“白色”表明系统状态，但没有“对”或“错”的含义，也不表示操作的成功或失败。

（四）人类工效学工作岗位尺寸设计原则及其数值（GB/T 14776-93）
立姿工作岗位的工作高度（如图9）
图9
三、分析评价
（一）车床的分析评价
普通车床在使用过程中常常会出现一些故障和问题，如不及时排除，不但会影响工件加工精度，而且会使车床的精度迅速下降，直接影响车床的使用寿命。

最为严重的是，会致使作业人员受伤。

1、车床夹具的改进
在我们实习车工的时候，是七个人一组每人一台机器，独自操作，这就会有一个问题，每次夹工件的时候女生都夹不紧，在车床运转的时候会出现工件飞出伤人，或在加工的时候工件晃得厉害影响加工质量和精度；而男生又会控制不好
力度夹的特别紧，致使工件表面出现小的变形，影响工件的美观，增大了表面的粗糙度。

因此需要对车床的夹具做出改进，使得夹紧变形小，定位精度高，制造简单。

不难发现，主要症结在夹爪上。

原夹爪采用的是圆弧三爪自动定心加盘，如图10所示。

将原夹具改进为心轴式六点浮动式夹爪，如图11所示。

1 夹座
2 夹座盘
3 螺钉
4 套圈
5 T形块
图10 原夹具示意图
1 夹座
2 心轴
3 爪块
图11 改进后的夹具示意图
由此之后，夹紧就不会担心工件是否变形了。

而女生也可以请男生帮忙夹紧工件，这样就两全其美了。

2、车床手动方式的改进
在进行工件加工的时，很多时候就要用手来操控刀架的进给等，可能会出现车刀磨损、让刀、震动、积屑瘤、工件变形、表面凹凸不平等，这些都是由于人手操作速度控制不均匀导致的。

这些因素对于对加工精度的影响程度是不可预知的，如果是熟练的老工人，可以根据操作者的经验，适时测量来随机处理，而我们初学者就很难做到这一点。

C6136A式车床的自动控制开关具有制约性，也就是说，当打开横向自动控制开关时，纵向的开关就不能动。

需要改进成同时能使两个开关工作。

这样减少人操作的误差，大大提高了精度。

3、车床开关的改进
车床的开关控制着车床的主轴正转、反转以及停止转动（如图12），从实用的角度讲，一个杆控制三个不同的功能是很合理的，可是在设计的时候有一点没有考虑到，就是在操作的时候，很难控制操作的力度而出现错误。

如原本在正转
的工件，你想让它停下来，可是稍不注意，你可能会扳到反转的位置，使工件反转而没有停下来。

这样不仅会损坏工件，而且很可能是作业人员受伤。

图12 车床的开关
需要改进的是，在每个制动点设计一个小凹圆，手柄与机器相抵的部位凸出一个与凹圆吻合的小柱体。

这样每次转动的时候就会感觉到它已经到位，不会超出所需的位置，其原理和离合手柄有异曲同工之处。

4、车床电源总开关的改进
车床的电源总开关位于车床的右下方，需要弯腰蹲下才能操作，这样实际不方便的，而且下边光效较暗，很有可能因为看不清而操作错误，会导致很严重的后果。

应该把电源开关设置在易于操作又便于认清的位置，如离合手柄的旁边。

5、车床漏油的改进
我们进行车工实习的两天，每次运行车床之前都要进行一项工作——加油。

而我们可以很明显的看到溜板箱外表面敷着厚厚的一层油，这是由于漏油造成，主要是因为隔油套与齿轮之间过渡配合连接特别短，由于套没有轴向定位，在光杠长时间运转下隔油套极易沿光杠轴被甩向一边，失去了套的隔油作用。

这样溜板箱内的润滑油大量飞溅到传动光杠上，造成溜板箱失油。

要改变隔油套的连接固定方式，增设轴向定位零件，使套不被甩出而发挥隔油作用，这样可以有效治理溜板箱光杠传动处漏油问题。

6、车床工具台的位置改进
车床的工具台位于车床的左后边（见图13），这样放置很不合理，绝大多数人习惯用右手，这样不符合“以人为本”的设计理念。

但是如果将工具台放置在右边，这样对于习惯用左手的人又是不合理的。

所以，应该把工具台设计成可以推动的，在原来工具台的基础上，把脚改成轮的，这样可以随时移动它的位置，方便又轻松。

图13 车床的工具台
（二）铣床的分析评价
1、铣床手轮的分析
铣床是半自动的铣磨设备，半自动就意味着需要人手来操作，控制工作台高度的手轮位于机器的中间靠下方位，这样的话，在用手操作的时候，一方面要看用眼睛时刻观察着工作台是否到达合适位置，一方面又要弯腰摇动手轮，这个动作既费时又费力，而且如果观察不当，可能会是铣刀碰在工件上损坏铣刀或者破坏工件。

长时间工作，会严重影响作业人员的身体健康。

这样就需要对铣床的手轮进行改进，调整手轮的位置，让它处在一个合理的高度，既方便工作，又不影响其它手轮的工作。

2、铣床切削物飞溅
在进行铣磨实习时，我们都是两个人一组，一个站在机床正前方操作，一个站在侧面操作，这样就有一种可能，铣磨时的切削物飞溅到侧面同学的身上或眼睛，会使同学受伤。

因此需要安装防护装置，防止飞溅的切削落在人的位置，这和如同车床一样，可以模仿数控车床的外壳，阻挡切削飞溅伤人。

3、铣床警报装置的设计
进行铣磨时，如果发生事故，只能根据眼睛看到或耳朵听到机器异常的声音来判断是否出现异常情况，再手动操作关闭机器，这样就会造成人员伤亡或机器损坏。

因此，应该安装警报装置，当机器发生异常时，机器发出警报，同时自动关闭电源停止运转。

这样减少事故的发生，同时，作业人员也会放心，安心的工作，心理压力减轻，工作起来就会效率也会提高。

四、总结
通过这次对一些机械设备的分析，我了解了人机工程学的一些使用标准，同时更深刻地理解“以人为本”的重要性。

对于设备的一些不合理性，只是根据自己在实习时所感受到的所写的，也许会有错误。

同时，我还学习到车床和铣床的一些知识，还了解了别的机器的相关知识，这对我是非常有益的。

参考文献：
[1] 高敏，机电产品艺术造型基础［M］，成都：四川科学技术出版社，1984.
[2] 王坤茜，机床造型设计研究［D］,北京：清华大学精密仪器与机械学系，2002.
[3] 熊祥玉,薄膜开关的计算机色彩设计［J］,丝网印刷，1998（5）：7—8.
[4] 陈科，郑红梅，李刚.人机工程学在数控系统中的应用［J］,机械制造，1997(4):4—5.。