哈工大 机械系统设计 第六章_操纵系统

第六章 操纵系统和安全系统设计

6.1 操纵系统一、概述定义：把人和机械联系起来，使机械按照人的指令工作的 装置和元件所构成的总体。

1、操纵系统的功能实现信号转换、即把操作者施加于机械的信号转换， 传递到执行系统，以实现机械的起动、停止、制动、 换向、变速和变力等目的。

2、操纵系统的组成操纵件 机械：拉杆、手柄、手轮和脚踏板；电气：按钮、按键、开关； 液压、气动：调节阀、手柄等。 变送环节 将操纵件的信号、运动或作用力通过适当的信号、 能量等的变换和传递，以实现控制执行件目的的中

间环节。杠杆、凸轮、齿轮齿条、丝杠螺母及摇杆机构。 执行件 是与被操纵部分直接接触的元件。 常用的有拨叉、滑块、气(液)缸、电磁铁等。

辅助元件

如定位元件、锁定和互锁元件及回拉元件

3、操纵系统的分类 操纵力：人力、电动、液压、气压和混合操纵系统 操纵件控制执行件数：单独操纵系统和集中操纵系统

4、操纵系统的要求

尽量减小操纵力 操纵灵活省力 操纵力大小应符合人机 工程学有关规定 操纵行程应在人体能达 到的舒适操纵范围内 方便和舒适 操纵件的形状、尺寸、 布置位置、运动方向、 各操纵件的标记、 操作顺序等要符合人体 状况和动作习惯 操纵件应有可靠的定位 ,以保证操纵有效，防 止误操作 安全可靠 相互关联的操纵应互锁 防止意外的应急措施

操纵件定位可靠 操纵件应能长时间可靠地保持在某操作状态的位置，不 因其它非操纵力的作用而改变其操作状态。而且，操纵件一旦因某种原因 而偏离操作位置时，应有自动回位功能。 操纵系统应有可调性 操纵系统应能进行必要的调节，以保证系统的元件 磨损后，经过调节仍能实现所期望的操纵效果。5

二、操纵系统中的人机工程学 1.人机工程学知识回顾人机工程学：研究机械系统与人和周围环境关系的科学。 设计思想：1)以机器为中心；2)以人为中心

以机器为中心通常是设计者考虑问题的出发点——如何以最佳的原 理及结构实现系统的功能 以人为中心通常是用户或使用者/操作者考虑问题的出发点——如何 以最舒适、最人性化的方式使用机器

2.人机工程学——简介操纵系统是人和设备直接联系的系统，它具有闭环调节系统的特征。在这个系统中，人是指令的发出者，从观察周围环境 或从仪表指示中得到信息，经过大脑作出判断后产生相应的动

作，即操作。操作的结果使设备进入新的状态，这种新状态

又从环境中或显示仪表中反映出新的信号，又可能使操作者做出 新的操作。明确人在这个人机系统中的工作能力和方法是合理 设计操纵系统的重要前提。 人与设备相比，人是万能的，是在人机系统中起决定性作用

的。但是，人存在着体力(功率)不足、反应速度慢、准确性差、记忆力有限和易疲劳等弱点。因此，只有依据人的心理、 生理特征和规律设计操纵系统，才能充分发挥人在人机系统中

的主导作用。

3. 操纵件的布置一切设备的操纵件都应布置在人的肢体活动最有利的区域内， 应有利于发挥人的体能和灵敏反应，并使人感觉舒适。

通常，人都是用手和脚操纵设备，操纵姿势分立势和坐势两种。 在极特殊情况下也可用异常姿势。

1) 站立时人肢体的能力范围和用力范围

站立操作的工作范围分为最有利工作范围、正常工作范围和 最大可及工作范围。 经常操纵的操纵件的中立位置和移动范围应布置在最有利的 工作范围内。肢体虽然可以移动，但是为了舒适性好和操作灵 敏， 一般都以人体不动来考虑操纵件的布置。

(1) 站立时人手臂的活动范围

手臂正前方铅垂平面的活动范围 阴影区表示最有利的活动范围，小 圆弧表示手臂的正常活动范围，大圆 弧为手的最大可及范围。

水平面的活动范围粗实线表示正常活动范 围，虚线为最大可及范围， 点划线为最有利活动范围。

(2) 站立时人上肢的活动角度

a—各方向活动的最大角度b—水平方向活动自如的角度

(3) 坐姿时人上肢的活动范围

a--垂直面内上肢活动范围 b--水平面内上肢活动范围 c--不同身材的人上肢水平活动范围

B表示男子 C表示女子

(4) 坐姿时人下肢的活动范围

设计脚操纵件时注意：

由于脚操纵不如手操纵灵活，为防止脚操纵失误或碰移操纵件，应使脚操纵件具有一定的启动阻力，此力应大于脚自由放在踏板

上的压力。

(5) 站立时用力范围要求—保证操作者操作时用力适度和不易疲劳 手臂的作用力：握力、推力、拉力、提力、扭力和举力 a 转动快的手轮或摇把，应使其转轴中心线与人体站立的垂直

面成60-900角;b 要求操纵力较大时，转轴中心线应水平放置；

c 操纵力很大的手柄应位于齐肩高度，以推力操作为好。

4. 适应人的生理特征的操纵件结构造型 1 手操纵件的结构造型结构形式： 手柄、手轮、旋钮和按键 设计要点： 1)重视柄部的结构形状和尺寸，避免手掌与柄部完全贴合 2)采用不同形状的柄部或者不同颜色的按钮，便于识别和记忆 3)旋钮设计成一头尖，或做上标记，指明刻度位置。

4)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纵任务，节约操作空间。

5.人的视力范围视力——是指人眼看清物体的能力，包括对物体的辨清能力、 辨色能力、视野和视距。 中心视力范围(观察物体最清楚(3 以内) 视力范围按辨清能力 片刻视力范围(短时间不疲劳看清物体(3 18 ) 有效视力范围(集中精力才能看清物体(18 30 )

视野——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为130度，在水平方向约为120度。设计要点： 把操纵件和显示仪表布置在中心视力范围和正常视野之内， 并利用色彩来改善视觉。 尽量减少头部和身体转动，以减轻疲劳。

常 用 操 纵 机 构 简 图