第六章 操纵系统设计

在机械系统中加装保护装置 提高操作者作业环境的舒适性 设置指示和报警装置
第四节 操纵系统与人机工程学
操纵系统是人和机械直接联系的系统，它具有闭 环调节系统的特征。在这个系统中，人发出指令，从 观察周围环境或从仪表指示中得到信息，经过大脑判 断后产生相应的动作（即操作）。操作的结果使机器 进入新的状态，这种新的状态又从环境或从仪表显示 中反映出新的信号，又可能使操作者作出新的操作。
人在人机系统中起决定性的作用。因此，必须明 确人在人机系统中的工作能力和方法。
一. 人的体能参数
1.站立时人肢体的能力范围和用力范围：
站立时人肢体的动作范围
站立时人肢体的用力范围 人手的作用力有：握力、推力、拉力、提力、和举力等。 一般人的右手握力约为380N，左手握力约为350N。
2.坐势操纵的能力范围和用力范围： 坐势操纵的能力范围
二.操纵系统的分类
气压操纵系统 助力操纵系统 1.按操纵力的来源分 人力操纵系统 助力操纵系统 液压操纵系统 气压操纵系统
液压操 纵系统
机械操纵系统 适用操纵力不大的机械 2.按操纵系统的 助力操纵系统 传动方式分 混合式操纵系统 适用操纵力较大和操纵 频繁的场合。如图6-2 3.按一个操纵件控 制的执行件数分 一个操纵件只操 纵一个执行件 4.按操作操纵件的人体器 官分 单级操纵系统 集中操纵系统 顺序操纵系统
二.操纵系统的设计 原理方案设计、结构设计及造型设计 1.操纵系统的原理方案设计
任务： 根据设计任务要求，如执行件的运动轨迹、速度、被操 纵件的数量及各执行件之间的关系等，选择操纵件、传 动机构的方案、确定主要设计参数及有关尺寸。
例：凸轮操纵系统。
凸轮操纵系统原理方案设计要点： 分析执行件的运动规律，绘制凸轮的行程曲线； 凸轮轮廓曲线设计； 验算压力角； 绘制凸轮的工作图。 确定从动件的杠杆尺寸，杠杆比由凸轮升程的执行件移 动距离确定
四.显示装置的布置
显示装置的要求：使操纵者的观察和监控既迅速、准确 又不宜疲劳。 最大区域，布置次要的 辅助的操纵和显示装置 为辅助区域，布置辅 助的操纵和显示装置 最佳区域，可布置应 急操作和需精确调整 和认读的显示装置
一般布置操作频 繁的常用操作件
操纵件应和操纵方向一致，如：
仪表的布置：许多仪表的布置应在一起，切应布置在中心视力 范围和正常视野范围，并采用彩色来增强视觉， 尽量减少头部和身体转动，以减轻疲劳。 仪表常用的 布置方式：
（6）操纵系统的反馈准确迅速 操纵信号要准确迅速地反馈给操作者，以便操作者 及时判断操作的效果，并作出相应的操作决策。 （7）操纵系统应有可调性 若元件磨损后，经调节仍能实现预期的操纵效果。 （8）操作方便和舒适 操作力、操作件的行程适当；操作件的形状、尺寸、 位置、运动方向、操作件的标记、操作顺序等要符合人 体状况和动作习惯；操纵动作合理分配给四肢等。
视距 指人的眼睛清晰辨认物体的正常观察距离，一般为 700750mm，最大距离一不大于760mm为宜，最小距 离一不小于380mm为宜。
二.操纵件的布置
操纵件的布置原则： 1.最常用或最重要的操纵件，应布置在四肢最灵活、反应最 灵敏、用力最适宜的空间范围和合适的方位上。布置区域 要考虑视觉的要求。 2.操纵件的排列应适应人的操作习惯，按照操作顺序和逻辑 关系进行安排。 3.同一台机器的操纵件，其操纵运动方向应一致。 4.操纵件的空间位置，一般应尽量布置在视线内的地方。 5.紧急停车操纵件应与其他操纵件分开布置，并布置在最显 眼又便于操作的位置。 6.为了便于操作和互不干扰，操纵件之间应保持一定的距离。
越级操纵系统
一个操纵件可操 纵多个执行件 手操作 操作灵敏、动作范围大、 功能强。首先考虑 脚操作
5.其他操纵方式形成的操纵系统 远距离（遥控）操纵系统，如用无线电波、光波、声波等。
第三节 操纵系统设计
设计内容： 1.确定主要参数； 2.原理方案设计； 3.结构设计。
一.操纵系统主要参数确定 1.操纵力 Fc： 考虑工作阻力、操纵系统的传动效率、传动比。
坐势操纵的用力范围 坐势手臂的最大拉力可达900N左右，最大推力可达1000N 左右。脚操纵力以右脚较大，且当屈膝160时为最大，最大 可达2600N左右。
3.人体的视力范围
人体的视力包括：对物体的辨清能力、辨色能力、视 野和视距等。 中心视力范围： 观察物体最清楚的范围。一 般在3以内。 按辨清能力 短时间内不疲劳地看清物体 将视力范围分 片刻视力范围： 的范围。一般在318之间。 有效视力范围： 注意力集中才能看清物体的 范围。一般在1830之间。 视野 指头部和眼球固定不动地观看正前方所能看见的空 间范围。 正常人的视野在垂直方向约130，在水平方向约120。
bd f 各传力构件主动力臂乘 积 ic 其中传动比： ace 各传力构件被动力臂乘 积
mm5.1 ~ 6.0 s mm2.1 ~ 4.0 s mm2.1 ~ 4.0 s mm1 ~ 2.0 s
摩擦面间的间隙 湿式：无衬面时 离合器摩 有衬面时 擦面对数 干式：无衬面时 有衬面时 离合器彻底分离时作用在执行件分离杆6的的工作阻力为：
操纵系统的 传动效率
Fr Fc ic
工作阻力 操纵系统的传动比
一般： 手操纵力≤150N 脚操纵力≤180N 方向盘操纵力≤400N
例：常接合式摩擦片离合器操纵力的计算。操 纵机构简图如下。
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弹簧附加力 其中：
与附加变形
的关系为：
Fr Fn Fn
弹的2压紧力
Fn Fn 操纵力为： Fc ic
k nF

s Z
nF
2.操纵行程 s c： 指执行件从初始位置移动到完成操纵任务时 的位置，操纵件相应的位移。
来自百度文库
sc ic sex
执行件的行程
操纵件的位移是由人体四肢实现的，因此，操纵行程 的大小要得当。如：离合器脚踏板的行程不得大于200mm； 变速箱操纵手柄的行程不得大于80120mm。 3.传动比 ic ：
如上图的开停按钮的布置形式： （9）操作安全可靠 操作系统在保证实现预期的功能的同时，要防止操作 失误和操作实效，以及防止操纵系统中的元件因意外事故 对人体的伤害。设计时，应有必要的安全保护措施和必要 的应急措施等。
第二节 操纵系统的组成和分类
一.操纵系统的组成： 操纵件：如手柄、拉杆、手轮、捏手、按钮、按键、脚踏 板等。 执行件：是与被操纵部分直接接触的元件。常见有拨叉、 销子、滑块等。 传动件：是将操纵件的运动及其上的作用力传递到执行件， 以实现操纵目的的中间元件。 辅助元件：如定位元件、锁定和互锁元件、回位元件等。 常采用的传动系统有： 机械传动 液压传动 气压传动 电传动等
2.操纵系统的互锁机构 其作用是：操作系统在进行一个操作动作时把另一个操 作动作锁住，避免运动干涉等。 如机械式互锁装置。
包括操纵系统 的安全保护和操纵 环境（即操作者进行工作的环境） 的安全保护。 1） 操作环境的不安全因素 有机械系统的干扰、操作者的干扰、自然环境的影响等。 3.操纵系统的安全保护 如温度、湿度、粉尘等会使操纵 来自被操作机械和周围的其他 人体健康、心情、情绪 系统提前失效，并刺激和影响操 机械。如运转零件损坏或工件未卡 以及由此而造成的生理 作者的生理机能、情绪和心理状 紧飞出伤人、机械磨损和发热造成 和心理的不良变化等。 态，构成操纵不安全的潜在因素 的操作失灵、机械运转时的振动、 噪音、粉尘、油污、高温及操作位 置不当给操作者带来的不适感觉等。 2）操作环境的安全保护 操作环境的安全保护主要指对操作环境的不安全因素 采取必要的安全防护措施。措施主要有：
第六章 操纵系统设计
第一节 第二节 第三节 第四节 操纵系统的功能和要求 操纵系统的组成和分类 操纵系统设计 操纵系统与人机工程学
第一节 操纵系统的功能和要求
一、操纵系统的功能 操纵系统的功能是实现信号转换，即把操纵者施加于 机械的信号，经过转换传递到执行系统，以改变其运行参 数或状态（起动、停止、制动、换向、变速和变力）。 操纵系统 为了使动力、传动、执行等系统彼此协 调、准确地运行 控制系统 二者的区别： 操纵系统：依靠人工操作使机械按照人的指令改变其运行 状态 控制系统：通过人工操作或测量元件获得信号，由控制器 使控制对象改变运行状态
三.操纵系统的结构设计
任务：在原理方案的基础上，形成各个组成部分的具体形
状、尺寸。 1.操纵件： 如： 球铰直径一 般为3050mm
2.执行件
3.传动件 传动件一般 用杠杆系统。
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4.其他结 构元件
四.操纵系统的定位互锁装置 为保证机械系统的正常运行和操作人员安全，操纵系 统必须有可靠的定位、互锁和安全保护装置。 1.操纵系统的自锁机构 自锁机构是以一定的预压力将操纵件、执行件或中间 的某种传动件固定在规定的位置上，只有当施加的操纵力 大于该压力时，操纵件或执行件才会动作。 例1：图6-8变速箱操纵系统中的自锁机构。 例2：解放CA1092型汽车驻车制动器。
三.操纵件的造型
1.手操纵件的造型 最常用的手操作件有：手柄、手轮、旋 扭、按键等。设计时应注意以下几点： 设计手柄式操纵件时，要重视柄部的结构形状和尺寸。 为了便于识别和记忆，各操纵件最好采用不同形状的柄 部或不同颜色的按扭。 采用旋扭式操纵件时，要有指明旋转方向或旋转的刻度 位置。 采用复合多功能操纵件，可以在操作时手不离开操纵件 而完成多种操作任务，且节约操纵空间。 2.脚操纵件的造型
各传力构件主动力臂乘 积 ic 各传力构件被动力臂乘 积
由人机工程学或经验 值确定的许用操纵力 精确计算 传动比 验算操纵力
Fr 初定传动比： ic Fcp
按上式初 定传动比 结构设计
注意
确定传动比时，要综合考虑操纵力和操纵行程 两方面因素。
4.带助力器的操纵系统 例：带液压助力器的操纵系统。
二、操纵系统的要求 （1）操纵轻便省力 减小操纵力，可提高操纵系统的灵敏度、减轻劳动 强度、提高生产率和安全性。
（2）操纵行程适当
操纵行程尽量在人体不动的情况下，四肢能舒适达 到的范围。
（3）操纵灵活 操纵时应得心应手，方便自如。
（4）操纵件定位可靠 操纵件应能长时间可靠地保持在某一操作状态的位 置，不能因其他非操作力的作用而改变其操作状态。且 一旦因某种原因偏离操作位置时，应有自动回位能力。 （5）操纵灵敏、效率高 操作系统中的执行件应对操纵件所发出指令的反应 灵敏准确，且传递力损失小。