哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统课件

1、第六章 操纵系统和安全系统设计,1,哈工大-机械系统设计-第六章-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,6.1 操纵系统,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,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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。 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。 是与被操纵部

2、分直接接触的元件。 常用的有拨叉、滑块、气（液）缸、电磁铁等。 如定位元件、锁定和互锁元件及回拉元件,2、操纵系统的组成,操纵件 变送环节 执行件 辅助元件,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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,3、操纵系统的分类,4,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,4、操纵系统的要求,5,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

3、系统的元件磨损后，经过调节仍能实现所期望的操纵效果,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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,二、操纵系统中的人机工程学,1.人机工程学知识回顾,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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

4、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,2.人机工程学简介,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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

5、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,3. 操纵件的布置,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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,1) 站立时人手臂的活动范围,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,a各方向活动的最大角度 b水平方向活动自如的角度,2) 站立时人上肢的活动角度,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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

6、动范围,B表示男子 C表示女子,3) 坐姿时人上肢的活动范围,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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,4) 坐姿时人下肢的活动范围,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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,5) 站立时用力范

7、围,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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,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,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,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,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13

8、0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,5.人的视力范围,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,常用操纵机构简图,16,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,操纵系统：人体四肢的延伸，一般是以变力、变行程和完成较复杂动作为目的。 设计参数：操纵力、 操纵行程和传动比 操纵力Fc、执行件的工作阻力Fz与操纵系统的传动比ic关系： 其中： 为操纵系统的传动效率 操纵行程Sc、执行件的行程Sz与操纵系统的传动比ic的关系： 手操纵力建议不大于150N，脚操纵力不大于180N。操纵行程

9、的大小应使人体在不移动位置的情况下能方便自如地达到。机床手柄的转角不宜大于90 。 传动比确定时要结合操纵力、操纵行程和总体方案全面考虑,三、操纵系统的设计,1、操纵系统的主要参数确定,17,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,2、原理方案设计,18,初步确定传动比后，结合设计任务要求，如执行件的运动轨迹、行程、速度和被操纵件的数目以及各执行件之间的关系等，进行原理方案设计。 原理方案确定要与整个机械系统的复杂程度、控制系统的自动化程度相一致，同时要考虑动力的来源和所占空间的限制。 设计过程：选择传动机构确定传动比结构设计,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,四、操纵系统的设计实例,摆

10、动式变速操纵机构,19,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,在选定滑块高度h 时， L越大，A也越大，设 计时摆角应在6090,a滑块偏移量 A摆杆轴与滑移齿轮轴间距离 R摆杆搬动半径 L滑移齿轮总移动量 h滑块高度,1) 几何条件,20,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,单边拨动滑移齿轮，拨动力F，拨动点距轴线距离为A，齿轮宽度B，轴径d。求能使滑移齿轮顺利移动而不自锁的条件,2) 不自锁条件,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,求解得： 若f =0.3 则3Af / BA/B 当A/B 大于等于1时就会发生自锁， 因此，必须保证 AB,22,求解,哈工大-机械系统设计-第六章

11、-操纵系统,6.2 安全系统,一、分类,23,安全装置或系统一般纳入到控制系统中统一管理。如报警、显示、处理等,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,1 动力系统保护 机械系统的动力源一般为三相380V的交流电源。电源进入配电柜后，首先要经空气开关的保护，主回路和控制回路要有熔断器。电机要有熔断器和热继电器保护。熔断器主要用于断路保护，热继电器主要用于过载和过流保护。此外，还有欠压、过压和缺相等保护。在液压和气动回路中，要有安全阀和压力继电器,二、机械系统各子系统的保护要点,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,3 执行系统保护 机械系统的最终目的是由执行件完成的，其安全系统主要考虑行程保

12、护问题。 在执行件行程的极限处应有行程开关、限位开关或死挡铁。数控系统中，指令系统有软限位指令或更高级的通道保护指令。为防止位置环发生故障而产生“飞车”现象，伺服系统位置控制器要有超差保护,行程保护常用元件 1 机械式开关 2 电磁式开关 3 光电式开关,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,4 控制系统保护 控制系统是安全系统的核心，负责机械系统各部分运动和动作的逻辑关系，因此，正确处理这些逻辑关系，是整个机械系统安全可靠的前提和保障,哈工大-机械系统设计-第六章-操纵系统,6 环境保护 对操纵环境的不安全因素采取必要的安全防护措施： 在机械系统中加装保护装置 对机械的危险操作区实行安全隔离或加防护罩；在汽车、拖拉机