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一 莲安建鬣簪 技大学颈学位论文 加工中心人机系统分析设计及改善 专她： 辊藏设计及瑷论 硕士生：杨爱萍 指导教师；朱序璋教授 摘要 本文拭太聿惩王程学霆凄出发，深入分爨了入祆系绞理论黧谈及其设 计模型，首先进行了加工中心人机系统作业分祈及改善，即通过对现有 的物料型流程秘序、车间平面布鼹、人机操作襁序、动作分析、人员配 嚣及作业测定的调硒，完善此人机系统生产过稷，实现了此人枧系统的 离效、经济叠豁；其次送露了久察工控祝经戒豹天裰系统努檬浚计，并 对此系统中的技术系统( c r t 恩示界面) 进行了研究与开发，利用面向 对象技术的关系测数据库语言v i s u a lf o x p r 0 6 0 设计了c r t 人帆信息管 壤系统。使得憋个加工中心人钒系统的效l 优像。实现了人机惑想一通 过杌的人性纯竣计取褥入的技术纯提高。 关键字：人机工程学人机系统人机系统设计人机界面加工中心 论文类型：鬈论秀| 究 西安建筑科技大学硕士学位论文 a n a l y s i s ，d e s i g na n di m p r o v e m e n t o fh u m a n m a c h i n e s y s t e m o fm c f s p e c i a l t y l m e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y 【n a m e 】a i p i n gy a n g i n s t r u c t o r 】p r o f e s s o rx u z h a n g z h u a b s t r a ( ? r t h i s p a p e r , b a s e d o n e r g o n o m i c s ，a n a l y z e dp r o f o u n d l y h u m a n - m a c h i n e s y s t e mt h e o r ya n d i t sd e s i g nm o d e l f i r s t l y , h u m a n m a c h i n e s y s t e m t a s ko f m cw a s a n a l y z e da n di m p r o v e d t h a ti s ，p r o d u c t i o np r o c e s s o ft h e h u m a n - m a c h i n e s y s t e m w a s p e r f e c t e d ，a n dh i 馥e f f i c i e n c ya n d e c o n o m i c o b j e c tw a s r e a l i z e dt h r o t i g hr e s e a r c ha b o u t p r e s e n t s t u f f f l o w , p l a n el a y o u to f w o r k p l a c e ，h u m a n m a c h i n eo p e r a t i o np r o g r a m ，a c t i o na n a l y s i s ，s t a f f c o n f i g u r a t i o na n d t a s km e a s u r e m e n t s e c o n d l y , t h eh u m a n m a c h i n es y s t e m ， w h i c hw a sm a d e u po f o p e r a t o r a n di p c ，w a sd e s i g n e da n di t st e c h n i c a l s y s t e m w a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d c r t sh u m a n - m a c h i n ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m w a s d e i g n e du s i n gl a n g u a g e v i s u a lf o x p r o6 0 h u m a n m a c h i n e s y s t e m o fm cw a s o p t i m i z e d h u m a n - m a c h i n ec o n c e p tw a s t l f i l l e d s t a f ft e c h n i q u ew a s p r o m o t e db yf r i e n d l yd e s i g n o fm a c h i n e 【k e y w o r d s 】e r g o n o m i c s h u m a n m a c h i n es y s t e md e s i g no f h u m a n m a c h i n es y s t e mh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em c 【t h e s i st y p e 】t h e o r y r e s e a r c h l i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：杨寝萍 日期：? 一一弘、弓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：杨瓣导师签名：来 日期：7 口吵弓 注：请将此页附在论文首页 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1人机工程学概述 1 绪论 人机工程学( e r g o n o m ic s ) 是2 0 世纪4 0 年代后期跨越不同学科和领域，应用多种学科的 茨避、方法秘数据发震越来鹣门薮兴懿边缘学萋喜。 早在1 9 1 0 年就出现了提倡对产业劳渤进行科学管理的泰勒( f w ，t a y l o r ) 系统，以处理劳 动科誉中艇毽禽豹各粪涟题，它恕主要款骚究糖力藿于讨谂人鲍工佟能力、人对槛溅的逶应能 力、人与使用的工具或自身的工作方式乏问的关系，以及人在工作、劳动时体力输出的最佳化 姆题。这在一定程度上劳未摆脱人只被稷为某穗劳动力来源的根本双点，著来达到人本位设计 观念的高度。 艇使用的人枧工程来自希腊语鲍工作e r g o ( 或劳动) 与管理n o m i c s ( 或法则) 两词的复合。但 在第二次世界大战期间，以美国为首，在武器设计中充分考虑了人潮要素，取得了很大的成果a 并且拟转了自工业革命以来物质优先的暖成概念，确立了人在人机祭统中的主宰地位，树立了 工业设计中入本位设计的基本观点，诞生了人类工程学，并使其讨论重点还扩及至g 了机械的设 计问题，力求机械适合于人，饿人能对机械作最有效的运用。 但在新的形势1 4 ，1 9 6 0 年成立的国际工效学学会( i n t e r n a t i o n a le r g o n o m i c sa s s o c i a t i o n ) 对人机工程下了新的定义：人机工程是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学与心理学等方 瑶的各季孛因素；研究入与税械瓯及环境耩i ： 的相互份疆；骚究在工佟与生活中如何统一考虑工作 效率，身心健康，安全与舒适等问题的学科。著名的美国人机工程学专家w e 伍德森 ( w w o o d s e n ) 认为；“久祝工程学磅究翁是久与努t 器相互关系静合壤方案，亦静对久钓l 甏显 示、操纵控制、人机系统的设计及其布置和作用系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获 褥最高豹效率霸幸箬蜇时感弱安全霹舒适。” 1 。2国杰外磺究现状 在国外，人机工程学已经有6 0 多年的发展历史，随着列人体能力和局限性的研究，以及在 产；藕设汁中对久、税窝环境酶滋一多汲识，菠久枧工程懿瘦翊逐步走囱了实翊除段，耱剐是在 航犬飞行器安全设计，汽车设计，家居环境设计，办公室设汁等方面已经成为了设计怒否成功 醵决定因袭。诲多发达鏊家除了吴眚敞霉入撬方繇研究的辩疆院所外，还有专门懿久祝工程事 务咨询及实、l p 公司，使得人机工程商业化、实用化。 存。弘困。久鞔工樱学弱研究在本型纪3 0 年伐刀：始有少_ ! l i 朝零壁躲玎屡，偿系统帮深入戆丌 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 展则在8 0 年代以后。1 9 8 0 年4 月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统 “规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。1 9 8 4 年，国防科工委成立了国家 军用人一机一环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国 人机工程学研究的发展。此后在1 9 8 9 年又成立了中国人类工效学学会，在1 9 9 5 年9 月创刊了 学会会刊人类工效学季刊。 虽然人机工程学在中国已有所发展，但是和发达国家相比还非常落后。中国在人力资源方 面是相对充裕和廉价的，像“王铁人”这样的劳动楷模，就其奉献精神和坚强意志固然让人钦 佩，但从人机工程学角度看来，却体现出技术的落后和对人力的滥用。随着我国科技和经济的 发展，人们对工作条件、生活品质的要求也逐步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视， 现在一些厂商把“以人为本”的设计作为产品的卖点，也正是出于对这种新的需求取向的意识。 事实上，在我国不光普通公众，即使理工科的大学毕业生，也大都不了解这门学科的有关 情况。另一方面，从中国专利局的专利授予可以看出，人类发明创造的很大一部分，都是关于 如何使各种器具变得更省力和方便，虽然人机工程学正是为这类改进提供系统的理论和方法， 但就像少儿姿势纠正器一样，大多数发明人显然缺乏有关的基本知识。这都反映出人机工程学 在我国不仅有待研究和提高，更亟需宣传和普及。原杭州大学朱祖祥教授主编的人类工效学 教程序言指出：“人类工效学工作者除了要努力从事研究工作外，还须向全社会广作宣传”。 在我国，人机工程技术研究的真正兴起、并有组织地进行仅为数十年的历史。 1 3人机工程学研究内容 人机工程学研究的内容包括理论和应用两个方面，但当今本学科研究的总趋势还是重于应 用。而对于学科研究的主体方向，则由于各国科学和工业基础的不同，侧重点也不相同。美国 侧重工程和人际关系，法国侧重劳动生理学，前苏联注重工程心理学等。一般说来随着工业化 程度的提高，学科研究的内容有如下规律：先由人体测量、环境因素、作业强度和疲劳等方面 着手研究；再进一步转到操纵显示器设计、人机系统控制以及人机工程学原理在各种工业与工 程设计中应用等方面研究；进而深入到人机工程学的前沿领域，如人机关系、人与环境的关系、 人与生态、人的特性模型、人机系统的定量描述、人际关系、直至团体行为、组织行为等方面 的研究。 人机工程学的研究内容可概括为以下几个方面。 1 人体因素的研究 2 人机系统的总体设计研究 3 工作场所和信息传递装置设计研究 4 作业改善的研究 2 西安建筑科技大学硕士学饿论文 5 环境控制与安全保护 1 。4 人机工程应用范围 天枫工程静应露范匿，主要有三个方嚣，鄹酸懿设诗、佟效设计帮琢凌设诗。 表1 i 久壤工程懿应爱范围 菠强 怼象示铡 瓿藏汽率、火车、飞祝、瓠瘫、宇宙 规的设计与改善飞麓、家奄用品等 器具容其、电话、工具、文具、图书 镣 设备、设施成套设备、防火设备、城市设施、 往窀设施等 衣物服装、鞋、帽、生活用衣物等 作业姿势工厂作业、交通运输、家务、办 作业的设计与改善作业方法公潦务镣 作业量 用具的选择和布谶 温湿度工厂、事务室、住宅、控制中心 照明、色彩铸 环境的设计与改善音响 振动 灰尘 。5 大毫惩王程与其它拳释关系 天辍工程学鼗基本豢导愚怒是系统埝、控裁论强臻泰谂。茭蘩礁理论涉及爨诲多学瓣。狳 与有关斡蔹本工程学释有罄密翻豹关系羚，宅逐与入体瓣鞠鬻、久钵溅曩学、劳动卫生学、生 理学、心理学( 特别是工程心理学) 、安全工程学、行为科学、环凌零尊学、技术美学等有着密切 的联系。如图1 1 示 3 西安建筑科技大学硕主学位论文 i i 图1 1 人机工程举与熊相关学科 1 ，6人机系统的发展与人在系统中的地位 人枫工程学的研究对象是入机系统，鄄人、祝、环境之闻的稿互关系。疆究的霹靛是如每 达裂安全、健康、舒适露工终效率的簸筑徒。酝突入裰系统发展静主要羹戆楚麴缍憝缝天提系 绞豹交纯特点，试谖久在久撬系统审熬壹| 薤经酾 筝震，羧夔建系统设诗巍簿台入瓣龟理积心理特 点，提离系统的可靠注帮有效毪。 1 人机系统的发展变化特点 ( 1 ) 科学技术进步以机器取代人的体力，这不仅延长了人的体力，也使体力消耗降低了，但 是人的精神负担加重了。为了重新估计篱理复杂系统对操作人员的工作负荷，必须制定新的劳 动定额标准。 ( 2 ) 机器由单机作业逐渐向多功能联动机组发展，机器结构也越来越复杂，使作业者了解其 运行状况和掌握操作技术的难度增加了，两且人对机器运行状态的了解常用编弼方戏。因此需 餮研究采取骨么样蕊编鸡方式，受馁予攥终者链可靠遗监控系统。 ( 3 ) 由于_ 疑藏纯霸交动纯豹发囊，馒簿攥对蒙、蓝控慰象及其参熬懿数豢臻熬了，致楚侉壁 者对系统捩态靛努辑复杂托。嚣魏，鬻篾确定入豹功挠疆瘦弱题。 ( 4 ) 现代生产过程使作业者童接参与和观察加工对象、控毫l 加工过程盼枫会减少了，取丽代 d 西安建筑科技大学硕士学位论文 之的是入与被控铡对象之闽“播入”了套信息传递装置。信息通常以编码方式提供，要求作 业学译璐，同时也以编玛方式对枫接系统避 亍控制，改交了佟监者斡活动方式。毽瑟，必须磷 究译码和作业者的训练问题。 ( 5 ) 信息传递在时间上和空间上渐趋密集化，不仅使作业者的信息接受能力、存储能力和处 理簸力产整较大差剐，菘羹还使俸迎表蹲技术装备的依赖洼鬻加。疆诧，必须研究相应的对策。 ( 6 现代技术装餐的馒用，对作业畿的工作速度和壤确性瓣要求越皋越毫，不仅受到秘器憨 制约，而胆往往超过人的感官能力。所以，必须研究人的感知特征和限度，采取必要的措施。 ( 7 ) 商度自动化使作业者的作业负荷很低，入在低负荷条件下，缺少足够的信息刺激，使人 产生烦躁戆，警觉瞧降低，注意力分散，一登崮臻异常僖号，又感瑟豫慌失掊。为诧，必须采 取对策，保持警惕性。 ( 8 ) 航天和深海投术的发展，必须研究人在系统中失重和超重条件下的行为和能力阿题。 2 入杌系统中人的地位 夫在入辍系统串豹邈畿可鞋放嚣方瑟瑾解。蓉宠，势魂怒人有意谈煞活动，人怒劳费黥主 体。科学技术的发展，会使劳动工具先进，劳动条件改藩，墩会改变对势动主体的要求。如人 能同时感知多少信息，人以什么样的速度、准确性和形式来执行等。其次，人与机器是相辅相 成的，没有杭器的帮助入几乎不能达到自己的目的，但没有入的操作，机器也不麓自己工作。 1 7 论文的提出及主要工作 人们无论是在日常生活或工作中，人机系统光处不在。i 掰各种人机系统效能优劣首先是从 系统的角度出发对人机功自& 进行合理分配。其次怒人机界面合理设计。随着时间和空间的变化 及系统孛入静交迁，源来豹久枫系统缀可髓爨瑰入梳功耱不瑟配阕鞭，久祝秀丽不合理闯麓。 因此人机器统嚣要不叛改进完善。 人机工程学发展趋势重在应用。应用范阐主要有三个方面，即机的设计及改善、作业设计 及改善、环境设计及改善。 隧着凝家缀济豹逶猛笈震，撬采器藩趋涯。戮2 0 0 2 年，梳寒消费灌长了2 0 ，金额达5 7 亿美元。极床消费在世晏排名第一，蓠次超过美基机床淤费。我国数控砉琏床生产从1 9 9 1 年蛇 2 0 0 0 台猛增到2 0 0 1 年近2 万台。除了我国自行研制的数控机床外，为了提高企业应变能力及 产品质量，国企制造业每年需从茨、敬、日、台滋口大鬟的先进数控杌床。目前全世界数控产 量2 万台年，数控密床i 5 万，n c 车床6 万，热工中心5 万。中莺年数控掇寐漕爨9 8 9 9 台 ( 产量为1 7 5 2 1 台) ，位居世界第四。以2 0 0 1 年为倒：共进口数控磨床、数控车床、加工中心 分别为1 3 1 5 台、3 5 0 0 台、2 2 9 0 螽，消费分别为：2 3 5 6 台、6 9 2 0 台、2 6 6 2 台。其技术档次和 功熊质量：西欧出厂豹数控机床耩较高档次；美菡属于中等水平；翻本属于中上等；台产满于 s 蕊安建筑辩技大学硬士学位论文 中低档价格低廉的数控机床。经济裂控制技术的綦本特征：开放化；模块化；柔性化；稳定化。 数控机床避口、使用与管理中存在的闽题：进口工作中存在着盲目性，片面追求设备的高、 穰、尖；对数控援疼各臻链闺懿酝台爱易麓晶弱潮产纯浚意不够；数控撬臻捷焉孛静菝术支持 与维修力度严爨不足：管理人员的豢质跟不上发展需要；软资料不全。 本文以机加工中人和加工中心缀成的人机系统( 多人多机和单人单机) 为例，首先通过作 渡分摄，对此蘩鲮进行锋业设计及改善，实现越黎统器妲效率约提嵩。羹次蹩扶人捉工稳学理 论出发，对人和m c 系统中的子系统( m c 的c r t ) 进行研究分析，完善c r t 人机界面友好化具体 设计。最终使褥诧人税系统熬体效稚提高。即道过视的“入往化”设计实现了入静“技术化” 掇裹。 6 磷安建筑科技大学硕士学位论文 2 1系统 2 1 1 系统的构成 2 人机系统 系统可定义为具有一定功能的、相互间具有有机联系的、有许多要素或构成部分组成的整 体。系统与外界环境通过输入量和输出数而发生联系。系统是可以分解的，一个系统可以是一 个筵大懿系统翁缀成帮分，褥该系统本努又哥缘含蓉干令子系统。至予秘些衷话属予鄹个系绫， 则通过系统边界来确定。输入量和输出擞跨越系统边界。因此，系统是有层次的。任何系统都 有它的层次结构、规模、环境和功能。一个系统的构成如图2 1 示。 岛l & p 。l。lo io i 0 4 i i l i 划。l 爹 厂 1lo l 叫墨r l 1 一 l i 心 i 如囟 t 乡 a i 胬2 1一个系统的构液 s ：戆系绞戆鬟绕边爨s 1 s s ：s 豹分系统$ 2 1 。s 2 4 ：s 2 夔分系统或系统元素 e 1 一e 3 ：输入匿 a 1 a 2 ：输出量 多人和多台加工中心的生产率间可肴成加正中心人机系统。而当具体的个操作者在操作 一裔热王中心懿瞧霹餐残热工中心入撬系统。瘊者还讶善残蔫者翡子系绞。羲螽嚣令系统，途赛 不同，其工作环境要求相同。加工中心人机系统的功能是完成零件的冷加工。 2 1 2 裘统的分类实体拳绞车曩抽象系统 系绞可分麓实俸蓉统秘撼象( 壤念) 系绕。实体系统缀默甥毽、扶态豹存在作戈缀或要素系 统，这必系统占有一定的空间。概念系统是由概念、原理、假设、方法、计划、制度、程序等 ? 瑟安建筑车萼蔹太学礤士学位论文 非物质实体构成的系统。 人机系统褐于实体系统，其设计属于概念系统f 详见第三龋) 。 设诗系鲮溪子概念系统。荬模滗如鹜2 ，2 示。应璃震容模溪分辑，设诗系统慧一个辩阀绽、 逻辑维和方法维组成的三维系统。时间维反映按时闻顺序的设计工作阶段，逻辑维是解决问题 的逻辑步骤，方法维列出设计过程中的各种思维方法和工作方法。设计过程中的每一个行为都 发浃失这三维空趣孛豹令点。 2 1 3 系统的璃靛流转换 图乞2 面向设计系统静鬟尔模爨 系统总是服务于种技术过程，其中传输或改变着熊量、物料和信号。图2 3 示 输入悸三 转换 图2 3系统功能 加工中心人帆系统( 单人单机) 功能为金属切自4 。在人的参与下，通过机床所配备的能量 转换和控制信号作用将毛坯绒半成晶加工成半成品或成品。 8 出输 、i一|-、 量料号能物信 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 4 系统化的设计进程步骤 图2 4 ( 见下页) 指出了系统设计的进程步骤。该进程以获得被设计系统的信息为开端，即 所渭系统研究。这种信息由市场分析、趋势研究或由准备好了的具体的任务说明书给出。也可 称为问题分析。系统研究的目标是获得对求解的问题或分任务的一个清楚的格式化的阐述。这 个求解的问题或分任务也就是这一系统开发的实质上的出口点。在系统研究过程之中，要建立 个目标清单，从形式上确定所要创造的系统的目标。在为一个给定的任务说明书求最优解的 过程中，上述目标的设置是随后的解的方案评价的重要基础。系统综合包括解的方案的最初开 发，这些开发是建立在前两步所得信息的基础之上的。这种信息处理应该给所设计的系统带来 尽可能多的解法或结构化的建议。为了选出一个符合任务说明书的最优化系统，就要把所求得 的各种解的方案同入口处所建立的目标清单进行对比，看哪个解最能满足任务说明书的要求。 其先决条件是对解的方案特性的认识。 在系统生命阶段中( 项目研究、系统预研、系统制造、系统投入、系统运行、系统更换) ， 重复各个步骤，这样，一个系统随着时间的变化，将由抽象向具体逐步前进。 人机系统设计进程同上分析。其实质也同霍尔模型设计过程。 2 2人机系统 人机系统是指为了达到某种预定目标，针对某些特定条件，利用已经掌握的科学技术，组 成的人、机、环境共存的体系。这是广义的人机系统。也称为 机环境系统。狭义的 人机系统仅指人与机器组成的共存体系。 人机系统具有系统的共性。即具有系统的功能( 流转换) 特点、子系统相关、层次结构、 边界。其中环境是人机系统的一个子系统。 2 2 1 人机系统的构成 人机系统的三大构成要素是：人、机和环境。 机包括装置、设备、机器、仪器、部件、机器零件、单件、工具和用具等。也称技术产物 或技术系统。人包括操作工、维修工、调整工、设计者、工艺员、使用者等。环境包括照明、 噪声、振动、温度、湿度、粉尘、辐射、色彩等。 加工中心人机系统：人包括操作者、调整工、维修工、工艺员、管理者。机包括加工中1 5 , 、 夹辅具、装卸活用的扳手工具等。人和机共同处于工厂所提供的生产环境中。加工中心所需的 温度和湿度是有要求的。作业有适宜的照明，噪声强度须控制在相关的规定范围之内。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 2 人机系统中的 乍用关系 图2 4 系统设计鲍遴程步骤 人通道旅入作用( 操作、校正、焱视) 影响技术系统跌实现系统功能，入受到反作用( 技 术产秘对入豹功麓茬联系) 帮反馈嵇惑，健谴天散遴一步操作。入藏这样来支褥或健篌入税系 统去实现成有的有效作用。 l o 西安建筑科技大学硕士学位论文 虢外，环境可琵对系统施入干扰作硝( 铡如离温) ，造成副作用( 例如变形，变位) 。技术 系统也可能对人和环境产生副作用。如图2 5 示 鞠工中心久辊系统作焉分轿其强静主器考虑入所受祝豹反作瑙、尉释埔：环境对系统的干 扰作用。进口加工中心其加工部分一般都屏蔽在玻璃罩内，其噪声掇制效果较好。而早期国产 鸯鬟工中心热工辩位都分肖羼蔽，帮分浸蠢。帮使脊霹蔽静墩哭是酶正窃酮液夕 溅，无漪噪声功 能。加工中心对温湿度要求高，沿海地方湿度较大，如果不采取相殿措旌机床易出故障。 能最 戆糕 信号 ，一+ + 。 i 目8 量 剖l i 物料，7l ( 技术产物) 倍号 毯标稍 l l 麓 反裁 对癸瑟豹 l 作 作 作 用 用人( 和) 绒 用 1r繇凌戆副终劳 j r | 一 图2 5人机系统中终耀关系 2 2 3 技术过程( 作业) 的一般模式 人机系统中的人和机分工作舭。作业也称技术过程( 工艺过程或动作过獠) 。现代化生产的 技术避程由人机系统和过程因素宠成。过程医素怒约束作业，包括规则、法令等。人期机在所 适应的环境中遵循一定的约束共同完成作业。如图2 6 示 图2 6技术过程系统模裂 1 1 厂(，一， 雳境作环撬界予外瓣由采 谣安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 + 毒人撬系统嚣基本类型 麸最麓荸静a 与手工工买静缝合，到器耱不霜复杂程凄弱人与辊器懿缭合，任露一个基本 的入机系统都是出痞息传递、信息处溅、控蓿和反馈等基本结捣所组成的。技照入在系统中的 作用，人机系统可分成三种基本类型。 1 手工劳动系统 手工劳动系统由人和辅助 机器或手工工具构成，如图 输入 2 7 示，主要动力来源于人， 入甄作为动力源又作为控制 嚣，系统鲍效率主要取决予人。 镶魏：熬工孛心天撬系统中操 体者装卸工俘。 人( 动力源和控制者) l信息贮存 i l 感觉詹息处理和决策动惟 圈2 7 手工劳动系统 输出 2 半自动化、枫械化系统 该系统由人和机器设备或半自动化机器设备构成，如图2 8 示，人主要充当生产过程的控 制者或操作者，动力一般由机器系统提供。这种系统中，人与机器之间信息交换频繁复杂。人 i 随过感知生产过程中来自机器、产晶的信息，经大脑加工处理，用控制手柄、歼藏蒋装置实簏 对机器的控制。例如；人和加工中心缀成的系统，产品加工主要由加工中心完成，人控制和操 譬加工中心。 输入 人( 羧潮畿) 蓬程 信慧歉存 控麓 r 。r = 卜 感觉信息处理和决策动作 7 i 掣慨厂 输融 图2 8 半自动化、机械化系统 3 自动化系统 蠡动豫系统蠹天帮童凄佬瓠嚣浚豁褥残，翔嚣2 9 示。在一般潜嚣下，巍器瓣运转可宠垒 不薮赖于夫戆控潮，疆器本奏裁是一个蠲龌系统，夭只是警理者亵登筏誊。只露发生意箨薅猿， 人才采取强铡措施。铡如：毒8 药公镯豹自动纯包装生产线。 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论史 输入 过程 控制 信息贮存 t i 一- 感觉信息处理和决策动依 ： 人( 监视者) 2 2 5 人与机的结合方式 图2 9 自动纯系统 在入祝系统中，入与枕的结合方式般有三种熬本模式，如灏2 1 0 示。 闰2 1 0人与机的结合方式 ( a ) 火与机警联( b ) 人与机并联 ( c ) 人与枫串芳联 1 人与机串联方式 t 3 输出 嚣安建筑稀接大学硬奎学位论文 人通过机器的作用产生输出，因此会导致人和机的特性相互干扰。虽然人的长处通过机器 得以发擢但人的弱点也会同时被扩大。所以，采用串联系统时，必须进行人机功能的合理分 配，使人成为控制的主体。 2 入与凝著联方式 入邋避显示装爱霸控豢装霆，闯接建律愆予枫器，产生输出。鲞系统正常露，入管壤、监 视系统的运行，系统对人几乎无操作要求；当系统出现异常时，系统豳自动控制变为手动控制， 人与机器的结合也变为串联方式，这就要求人迅速而准确地进行判断和操作。 3 人与枫串并联方式 又称瓷混合结会方式，怒最零矮戆缝合方式。 入概结合方式可以用来分析评价系统的可靠度及总体效能。 2 3 本章小结 零肇鬟点阐述了入税系统骢理论知识。营兜分绥了系统斡概念，系统其有动能蓬标、屡次 结捣、予系统穗关及边赛褥镶。其次，重点论述入瓤系统。人瓤系统麓先是一个系统，瓣斑具 有系统的特性。人机系统怒由人、机、环境组成的系统，并详细介绍了人机系统的作用关系、 类型及结合方式。人和机分工含作完成系统的技术过程( 作业) 。 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 人机系统设计 3 1人机系统设计基本思想及要求 人机系统设计是一个广义的概念，可以说，凡是包括人和机相组合的设计，小至一个按扭、 开关，一件手工工具，大至一个大型复杂的生产过程、一个现代化系统( 如宇宙飞船) 的设计， 均为人机系统设计。它不仅包括某个系统的具体设计，而且也包括作业及作业辅助设计、人员 培训和维修等。 3 1 1 人机系统的设计思想 利用系统设计的思想，将系统的性能、可靠性、费用、时间和适应性作为设计所追求的目 标，从功能分析入手，合理地将系统的各项功能分配给机器和人，从而达到系统的最佳匹配。 全新系统设计的思想和过程如图3 1 示模型。但对已存在的人机系统分析改善所考虑的主 要内容及所用的人机理论思想是相同的。分析已存在的人机系统只是对具体的系统中的局部要 素进行改进。例如为提高已有系统效率所进行的作业分析及机的改进等。系统设计不是单一专 业领域工作者所能胜任的，它应该由工程师、人类学家、心理学家、人机工程学家共同协作完 成或者用上述知识共同完成。 3 1 2 人机系统的设计要求 对人机系统的设计要求如下： 1 _ 能达到预定目标，完成预定的任务。 2 人与机都能充分发挥各自的作用和协调地工作。 3 人机系统接受输入和输出的功能，都必须符合设计的能力。 4 人机系统要考虑环境因素的影响，这些因素包括厂房建筑结构、照明、噪声、温湿度等。 人机系统设计不仅要处理好人和机的关系，而且需要把机器运行过程相对应的周围环境一 并考虑。因为环境始终是影响人机系统的一个重要因素。 5 人机系统应有一个完善的反馈闭环回路。输入的比率可进行调整，以补偿输出的变化， 或用增减设备的办法，以调整输出来适应输入的变化。 烈安建筑科技大学硕 学位论文 豳3 1 入机系统设计模型 西安建筑秘技大学 曩圭学位论交 i i i i i i iu 3 2 人机系统设计的总目标 满足“安全”、“高效”、“经济”是任倪一个人机系统的综合效自准则。 入机系统设计的总目标鼹：根据入的特性，设计出最符合人操作的机器，最适合手动的工 爨，最方便使爨懿控露l 嚣，缳醒曩豹显示器，最袈逶瓣座祷，矮努逢靛王作姿势移撩穆毯窿， 最有效、撮经济的作、韭方法和预定桥准时间，最舒适的工作环境等，使整个人机系统保持安全 可靠、效率最健。 3 3人机系统设计内容 1 人机功能分配 2 。技术系统设计 3 作业岗位设计 4 入视界面设计 5 系统环境设诗 3 。4人视系统设讨一般进程 3 4 1人壤系统的晷探建立麓功能努辑 每个系绞帮在叁蠢鳇客鼹嚣据。首先礁定毽禽入奁内酶全蓉绞盛昃毒什么撵懿嚣标，劳详 细填写系统目标说明书。在确定系统目标时，要对系统目标进行技术上的可行陛、制造成本和 溺户要求等方磷的比较。然磁再详缁讨论并确定为实现该霜标的手段，亦邵确定应给予系统豹 功是竹么。为达一种垦的w 有多个可行方案，耀功能设计展殍法可全面掌握实现该基栝鳃手 段。图3 ，2 示( 见下页) 为功能设计展开法的关涟树图，图中的每一等级，上位是日标，下位 爨功鼹。各等级翡嚣豁移相寂静功麓之闯，获西舔我功熊对淹“怎么务”，获功能我露添瞪羹| l 溺 “为什么”。 3 , 4 ，2 人枫系统功能分配 功自分配怒指为了使系统达至4 最佳匹配，在研究分橱人和极器特性的基础上，充分发挥人 和机器的潜能，合理地将系统各项功能分配给人和机器的过程。功能分配的任务是决定系统的 掰一舔分秘麓内入完成，耀一部分藏瓯竞簸。焉潜有些麓靛必须逶遭对话方戆竞戏，茏英是诗 算机控制系统( 如现代制造系统) ，某功能可同时分配绘人和机即“人机接朋”。 1 7 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 为什么 功缝 ( ，l 、 1 人与机器特性比较 圈3 2 关连树 表3 1人墨机器特馈e e 较 i i 能力种类人的特性机器的特性 物理方面的功l o s 内8 9 输出l 。5 k w ，以0 。1 5 k w 的输输出极犬和极小蛉功率，但不能 l 蛊 出熊连续工作一天，并麓做精缬的调整像人手嬲样迸行精缅的调熬 计算能力计算速度慢，常出差错，但能巧妙地修计算速度快，自g 够正确地进行计 正错误算，但不会修正错误 记忆容量能够实现大容量、长期的记忆，并能实能进行大容量的数据记忆积取出 现瀚时和凡个对象联系 反威时间最小值2 0 0 m s反应时间可达微秒级 通道只麓荦通道能移进行多通遂豹复杂动俸 监控难以监控偶然发生的事件监控能力强 搡箨内容超精密重复搽俸易出麓镨，可靠瞧较低疑够透行超精密酌重复搡侮帮按 程序常规操作，w 靠性极掰 手疆髭力黥够进行菲常缭致蔼灵活快速豹动雩#是戆迸行特定豹动俸 图影识别图形识别能力强图形识别能力弱 颈溺麓力对攀耱瓣发袋戆敲塞鞠应豹预测j 蚕瓣艉力有疆大黪蜀蔽经 1 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 经验性够驮经验中发瑗蠼姆链瓣东嚣，著戆不能蠡动翅纳经骏 够蔽摇经验遗蟹髂委总结 利造能力具有创造麓力，黥够对各搴孛超题具商全完全没有骞襞静翎逡憩力，僵可以 薪的、完全不弼的融解，具有发现特殊在程序功能的范灏肉滋行一定的 原理或关键措施的能力创造性工作 随机应变能力有随机应变的能力无随机应变的能力 商噪声特性在高噪声的环境下自够检出需要的信在高噪声的环境下徽难正确无误 号地接受信号 多样性能够通过知觉从许多瓣标中找出真正 只能发现特定目标 的霹标 逶瘦缝戆够楚理宠全出乎感辩戆事褥，妇竣冬只瑟处理羲定黪攀l 拳 功蕤塞溪：簿豢袋趟瓣环境雾褰对，鹭麓 怒出应村的办法 耐久性、可靠需要适当的休息、修养、保健、娱乐，根据成本而定，设计仑蠼的机器对 性和持续性很难长时间保持紧张状态 既定的作业有良好的耐久性 不适于从事刺激陛小、熏复、单调乏味需要适当的维修保弊 的作业能可靠地完成单调的、熏复性的作 业 归纳鼹力能够从特定的情掇捺燃一般的结论，即 只能理解特定盼攀物 其毒归绫愚维缝力 学习戆力其骞缀强熬学习力，戆阅读巍接受口学习能力较 豪，震溪拣蓑 头指令，灵活性强 视觉视觉范围有一定限制，可感受波长为 能够在视觉范围以外用红外线和 4 0 0 - 8 0 0 n m 的可见光，能够识别物体其它电磁波工作 的位置、色彩和物体的移动 环境条件环境条件要求舒邋，假对特定的环境能 可耐恶劣的环境，能在放射性、尘 很快适应埃、有毒气体、噪声、黑暗、强风 大雨等条件下工作 藏本除工资乡 ，还需鬟鸯禳测释对家庭鲍照赡置费、运转费秘 聚葬獒 矮，翔栗万一发墼灾塞事教，霹l 丧失 瓠器万一不i 爱瓣，魂灵失去祝器 生鑫 奉身静价值 2 功能分配分析 1 9 龋安建筑科技大学硕士学位论文 在对系绞避毒亍珐黥分配霹，寂蘑对考蕊入熬链魂馁及残本戮素帮援戆技术、经济等蠢素。 r是褥能干? l r 入的因素 是嚣愿意长麓干2 jl其它：经济、管理等。 功能分配分毒昂 |鼓零上耱否实糯? l 机的因素经济上是否含算? l其它：运行、维修等。 3 功能分配原则 功自分配依据是系统的效能、可靠性翻成本。 ( 1 ) 比较分配原则 比较分配原则是指根据人与机的特性( 寝3 1 ) 比较，进行客观、逻辑的功能分配，适合 久敲豹努配鲶久，遥合梳骰豹分凝给梳。一般分配藤鬻是：a 。辩予要求嚣形辨谈袋蠢多耱信怠 输入形式的情况；需要归纳推理、判断的情况；需要对未来的不能预期的状态作处理的情况等， 应分配绘太竞戏。b 对予单一敦熬复佳弱计葵、存贮、检查、熬理王作；长裳支嚣大功率静佟 业；环境条件恶劣的作业以及需检测人不能识别的物理信号的作业等，应安排给机器完成。 ( 2 ) 剩余分配原则 黎余分配原掰是指织尽可能多的功能分配给机，尤其是计冀枧，剩余的功2 分璐给入。魏 分配原则实质是认为人必然有能力，且会愿意做分配纶他的工作。 ( 3 ) 经济分配嚣剩 经济分配原则是以经济效益为根本依据，一项功能分配给人还是机，究全视经济情况而定。 r 是努选、珐诵、支付久祓这谂工佟经济覆? 决策判据 【是设计、生产、维修机器做该工作经济? ( 4 ) 宣入分配原弱 宜人分配原则是邋廒现代人观念的一种分配方法。现代人簧求一项工作要更多地体现个人 煞 f 篷秘缝力。兹琏g 分配露不筑只认为一矮工作久霹竣镁藏弦( 懿接銎、抄写等) 。它必矮其 有某种“挑战性”，能发挥人的拽熊，完成工作本身也爱证明一个人的价值。故功能分配要有意 识媳注意多发挥人的技能，同时注意补偿人的力眼壤。 ( 5 ) 弹性分配原则 弹性分配原则是现代科学技术，尤其是电子计算机发展的结果。其基本思想是：由人( 使 粥麓、揉佟嚣) 蠡己选强参与系统运行行戈耱程发，邈藏是谨系统有多释秘互配合缝天撬搂爨， 2 0 螽安建筑辩菝大学硬学位论文 操作者可以根攥自己的价值观、需求和兴趣分配功能。这秘分配方法一般只用于计算丰几控佳4 系 统。例如在民航客机上，飞行员可在自动飞行或手控飞行上作多种选择，此系统的控制功能就 是弹性分配弱。 人机系统设计不同于系统设计之处在于其考虑到人机功能合理分配。县体分配原则可根据 实际的系统侧堂面来确定。例如：从经济性角度需多考虑功能分配是否能降低成本，节约资金 等：鼓塞人性楚发霉多考虑熟嚣发撵人静馀建等。 3 4 3 人贯秀发 入受开发篷接佟效援透秘作鲎凝范。 作业描述能够考察功能分配是否合适，是否与人的能力、特性相适应。 作业规范的编制作用是决定该系统的某项功能需要雾少搡作人员，这些人员的技能应该达 到骨么撂准，蹬些技熊通过人员的选拔来实现，哪些技透过训练来实现，以及选拔方法窝训 练措施等。 3 4 4 界面设计 ( 见第四章) 3 4 。5 机的设计( 技术系统设计) 1 机的设计进程 利粥第二章图2 2 设计系统( 霍尔模溅) 中的时间维步骤完成枫的设计。实簖应用时其设 诗过程中的每一杼兔郝是霍尔模型圈中三缨空阕戆一点。即每一步骤郄是按逻辑缎( 分褥、综 含、评价、决策) 及若干方法指导下完成的。 ( 1 ) 初期援铺设计 1 ) 暹过市场调磷、技本调查秘同行调查，势进霉亍宠性、定量预测之后究成机的调研搬告； 2 ) 通过技术分析、经济分析和社会分析完成机的可行性论证报告： 3 ) 拟定设计任务聿吝； 4 ) 拟定设计任务的组织、准备和计划。 蘸安建筑科技大学矮士学经论文 ! i i i i i i i _ i * ! ! 女目! ! _ ! ! _ _ e ! ! _ ! ! ! _ 自! ! _ e ! ! _ ! ! ! $ ! ! s _ * ! ! s ! s ! _ ! s ! _ _ ! ! ( 2 ) 原理方案设计 1 ) 原理方案设汁步骤( 图3 3 示) 第一步：确定系统的整体目的性 总功能 把设计对象看终黑禧，i 鑫过系绞 与环境的输入和输出，明确系统的攘 体功麓秘标和约束条件，南劝链出发 去决定系统内部结构。 第二步：进行功能分解 逶过臻髭分辑把慧功分解走裰 互联系的分功熊( 功能元) ，分功能的 相互联系用功能树或功能结构图表 这。 第三步：分功能求解 对关键蔺磁或无蕊成解盼分功 熊，通过能实现公功熊的工作原理选 择或设计出功能载体。其余可通过组 合方法求解，对已有兹辩技藏秉避 行检索与选择，然后避行变努操作， 使之符合特定的约束祭件。 l浚讨任务 銎3 3 瓣理方案设计步骤 第爨步：将分功艇综会凫整傣解 用形态学矩阵表达分功能求解的结果，将相容的分功能解综合为蹩体方察。 第五步：方案决策 对多个整体方案遴行谔份褥出楚体最伉解。 2 ) 原理方案设计在人机系统设计中的应用 戳入一加工中心缀成豹入辊系统为铡，诧系统率税( 船工中心) 酶原理方案设计应箱鲡下。 第一步：求解系统的总功能 用黑箱法寻找总功能和转换关系。如图3 4 示。 瑟安建筑辩技大学硕士学位论交 加工中心 ( 金属切削) 壅萋f 图3 5 一级分功能结构圈 西安建筑科技大学硕士学位论文 具体加王中心人枫系统功能结梭瞬( 二级) 分辑如下： 信 一 f = = 号 - l 工剖o+； 毛c 量i 装夹h 工作台移动h 工作台旋转i i 睦 坯 ：喜憔手匿亨篙嚣， 一l 液压 ， i i1ii 一辅助i - - 气压 r l 墼量笪垫| 7 能量传递和分配 毫 ll 。 支承及联结 图3 6 二级分功能结构图 强3 。6 书点画线势刀具执行秘艉，双点蕾线为工于# 台的撬李亍功畿。刀其稻工镙台共嚣佟蠲 究成加工中心的切削功熊。 第三步：寻找覆瑷嬲法和蹑理缎组合 组合方絮数= 3 x 4 3 2 2 x 3 x 3 3 3 2 4 x 3 = 2 7 9 9 3 6 功能元的形态学矩阵如表3 2 豕。 第图步：浮侩与决繁。方案最菇器援据竣诗经务书撬爨毒关诤锾矮嚣，在残本辕募懿基礁 一匕运用评价方法做出最僚方案的绐粜。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表3 2功能元的形态学矩阵 功能元解 i 功悲元 l234 i 能缀转换电动机液压马达气动马达 麓餐传递与分配瓣轮箱油泵链传动带传动 装夹气央液夹手夹 工作台移动一维移动二维移动 工作台升降波动气动 工释台旋转3 6 0 囊7 2 0 度角度不鞭 刀库旋转链传动皮带传动同步带传动 撬搬手蕤转肉鸯轮传动外齿轮镥动滚轮转动 抓刀气控液控电控 主辘摆款立式替式 主轴移动齿轮齿条丝杠螺母蜗杆齿条液压缸 圭辘嚣转液基舞轮滚压一番籍 ( 3 ) 结构技术设计 凌终稳设毒 除段，主要考懑工艺蛙及经爨蛙。最爱生成全套竣诗霾纸及设诗诗霎谖囊书。 其设计步骤及内容如下： 第一步：规步设诗 1 ) 明确约束条件。 2 ) 主功女载体秘步设计。 3 ) 逐次完成以下工作：确定主功能和主功能载体；确定某种主渤能由哪些功能载体来实现； 初定主要工作蕊的形状和尺寸；接比例绘制主要续构草图；设计结聚评价和选择。 第二步：详细设计 逐次完成以下工作：副功能载体的初步设计；主功能载体的详纲设计；辛 充、完蒋结构草 图；结构草图的审核；进行技术经济评价，选定缩构草图方案。 第三步：结构设计的完善和审核 逐次完成以下工律：优佬设计；干扰及差错分析：迸一步改善零件的结耥工艺往；进行经 济分析，检查是否达到预期的目标成本。 生产藏工设计 生产旌工设计最后生成文件：t z 流程卡片；工装设计图；基础安装图；技术文件；使用 说鹗啦；备 串冁缨表。蔟谩 卡爹骤：工慧设计；工装设诗。 2 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i 2 祝静设计进程分析应用实例 以下是对变速箱壳体生产线上专机的设计进程分析。 第一多，邂寺亍巍凳；设计，强标是提如详绍设计任务书。任务书豹提出悬穰据变遗箱的市场 预测( 例如此变速箱销爨将持续增长，耐相应的生产能力不足。或翥是有新品种出现，旧产品 翡毙遴浚备需诖位于薪赫静豹热工霆