机械系统设计8章

1、1一、操纵系统概述一、操纵系统概述定义：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。元件所构成的总体。1 1、操纵系统的功能、操纵系统的功能 实现信号实现信号转换转换、即把操作者施加于机械的信号转换，、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、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。变速和变力等目的。2 2、操纵系统的组成：、操纵系统的组成：操纵件操纵件、变送环节变送环节和和执行件执行件。（1 1）操纵件：操纵件：机械：拉杆、手柄、手轮和

2、脚踏板；机械：拉杆、手柄、手轮和脚踏板； 电气：按钮、按键、开关；电气：按钮、按键、开关； 液压、气动：调节阀、手柄等。液压、气动：调节阀、手柄等。 （2 2）变送环节：）变送环节：将操纵件的信号、运动或作用力通过适当的将操纵件的信号、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。件目的的中间环节。 常用的有杠杆、凸轮、齿轮齿条、丝杠螺母及摇杆等机构。常用的有杠杆、凸轮、齿轮齿条、丝杠螺母及摇杆等机构。 （3 3）执行件：）执行件：是与被操纵部分直接接触的元件。是与被操纵部分直接接触的元件。 常用的有拨叉、滑块、气（

3、液）缸、电磁铁等。常用的有拨叉、滑块、气（液）缸、电磁铁等。 （4 4）辅助元件：）辅助元件：如定位元件、锁定和互锁元件及回拉元件如定位元件、锁定和互锁元件及回拉元件 3 3、操纵系统的分类、操纵系统的分类：u 按操纵力的来源：人力、电动、液压、气压和混合操纵系统。按操纵力的来源：人力、电动、液压、气压和混合操纵系统。u 按一个操纵件控制的执行件数：按一个操纵件控制的执行件数：单独操纵单独操纵系统和系统和集中操纵集中操纵系统。系统。44 4、操纵系统的要求：、操纵系统的要求：5防防止止意意外外的的应应急急措措施施止止误误操操作作，以以保保证证操操纵纵有有效效，防防相相互互关关联联的的操操纵纵应

4、应互互锁锁操操纵纵件件应应有有可可靠靠的的定定位位安安全全可可靠靠状状况况和和动动作作习习惯惯操操作作顺顺序序等等要要符符合合人人体体各各操操纵纵件件的的标标记记、布布置置位位置置、运运动动方方向向、操操纵纵件件的的形形状状、尺尺寸寸、到到的的舒舒适适操操纵纵范范围围内内操操纵纵行行程程应应在在人人体体能能达达方方便便和和舒舒适适工工程程学学有有关关规规定定操操纵纵力力大大小小应应符符合合人人机机尽尽量量减减小小操操纵纵力力操操纵纵灵灵活活省省力力 操纵件定位可靠。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，操纵件应能长时间可靠地保持在某操作状态的位置，不因其他非操纵力的作用

5、而改变其操作状态。而且，操纵件一旦因某种原因不因其他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。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。操纵系统应有可调性。操纵系统应能进行必要的调节，以保证系统的元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。件磨损后，经过调节仍能实现所期望的操纵效果。 操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学人机工程学知识回顾人机工程学知识回顾人机工程学：人机工程学：研究机械系统与人和周围环境关系的科学。研究机械系统与人和周围环境关系的科学。 设计思想设计思想：1

6、 1）以机器为中心；）以机器为中心；2 2）以）以人人为中心为中心 以机器为中心以机器为中心通常是设计者考虑问题的出发点通常是设计者考虑问题的出发点如何以最佳的原如何以最佳的原理及结构实现系统的功能。理及结构实现系统的功能。 以人为中心以人为中心通常是用户或使用者通常是用户或使用者/操作者考虑问题的出发点操作者考虑问题的出发点如何如何以最舒适、最人性化的方式使用机器。以最舒适、最人性化的方式使用机器。 操纵系统是人和设备直接联系的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，它具有闭环调节系统的特征。在这个系统中，的特征。在这个系统中，人是指令的发出者人是指令的发出者，从观察周围环

7、境，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，即作，即操作操作。操作的结果。操作的结果使设备进入新的状态使设备进入新的状态，这种新状态又，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。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人与设备相比，人是万能的，是在人机系统中起决定性作

8、用的。但是，的。但是，人存在着体力（功率）不足、反应速度慢、准确性人存在着体力（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、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。的主导作用。操纵系统设计中的人机工程学操纵系统设计中的人机工程学简介简介操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学一、操纵件的布置一、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，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

9、利于发挥人的体能和灵敏反应，并使人感觉舒适。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。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。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站立操作的工作范围分为最有利工作范围最有利工作范围、正常工作范围正常工作范围和和最大可及工作范围最大可及工作范围。 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。工作范围内

10、。人肢体虽然可以移动，但是为了舒适性好和操作人肢体虽然可以移动，但是为了舒适性好和操作灵敏，灵敏， 一般都以人的躯体不动来考虑操纵件的布置。一般都以人的躯体不动来考虑操纵件的布置。操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学 手臂正前方铅垂平面的活动范围手臂正前方铅垂平面的活动范围 阴影区表示阴影区表示最有利最有利的活动范围，小的活动范围，小圆弧表示手臂的圆弧表示手臂的正常正常活动范围，大圆活动范围，大圆弧为手的弧为手的最大可及最大可及范围。范围。 1）站立时人手臂的活动范围）站立时人手臂的活动范围 水平面的活动范围水平面的活动范围 粗实线表示粗实线表示正常正常活动范活动范围，虚线为围，虚线为

11、最大可及最大可及范围，范围，点划线为点划线为最有利最有利活动范围。活动范围。操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学 2）站立时人上肢的活动角度）站立时人上肢的活动角度a在各方向上肢活动的最大角度；在各方向上肢活动的最大角度；b在水平方向上肢活动轻松自如的角度在水平方向上肢活动轻松自如的角度操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学 3）坐姿时人上肢的活动范围）坐姿时人上肢的活动范围a-垂直面内上肢活动范围垂直面内上肢活动范围b-水平面内上肢活动范围水平面内上肢活动范围c-不同身材人的上肢水平活动范围不同身材人的上肢水平活动范围B表示男子统计中数表示男子统计中数C表示女子统计中数表示女子

12、统计中数操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学 4）坐姿时人下肢的活动范围）坐姿时人下肢的活动范围设计脚操纵件时注意：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，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。上的压力。操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学 站立时人肢体的用力范围保证操作者操作时用力适度和不易疲劳，站立时人肢体的用力范围保证操作者操作时用力适度和不易疲劳，是合理设计操纵系统的前提之一。是合理设计操纵系统

13、的前提之一。 人手臂作用的力有人手臂作用的力有握力、推力、拉力、提力、扭力和举力握力、推力、拉力、提力、扭力和举力等，这些等，这些作用力的发挥与人体站立姿势以及操纵件相对人体的位置有关，尤其作用力的发挥与人体站立姿势以及操纵件相对人体的位置有关，尤其是十字把手和手轮的用力受位置影响最大。是十字把手和手轮的用力受位置影响最大。 a 要求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要求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面成60-900角角; b 要求操纵力较大时，转轴中心线应水平放置；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

14、操作为好。操纵力很大的手柄应位于齐肩高度，以推力操作为好。 5）站立时用力范围）站立时用力范围操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学二、适应人的生理特征的操纵件结构造型二、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手操纵件的结构造型 机械的操纵件以手操纵的为多。目前机械的操纵件以手操纵的为多。目前常用的手操纵件常用的手操纵件有有手柄、手柄、手轮、旋钮和按键手轮、旋钮和按键。设计手操纵件时，应注意以下各点：。设计手操纵件时，应注意以下各点： 1）设计手柄式操纵件时，要重视柄部的结构形状和尺寸。由）设计手柄式操纵件时，要重视柄部的结构形状和尺寸。由于手掌心肌肉最少，为避免掌心用

15、力过大而产生痉挛，设计的柄于手掌心肌肉最少，为避免掌心用力过大而产生痉挛，设计的柄部结构应避免手掌与柄部完全贴合。部结构应避免手掌与柄部完全贴合。 2）为了便于识别和记忆，各操纵件最好）为了便于识别和记忆，各操纵件最好采用不同形状的柄采用不同形状的柄部部或者或者不同颜色的按钮不同颜色的按钮。 3）采用旋钮式操纵件时，最好将旋钮上的手捏部分设计成一）采用旋钮式操纵件时，最好将旋钮上的手捏部分设计成一头尖的形状，或做上醒目的标记，用它来指明旋转的刻度位置。头尖的形状，或做上醒目的标记，用它来指明旋转的刻度位置。 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）采用复合多功能操纵件，可以在操

16、作时手不离开操纵件而完成多种操纵任务，且可节约操作空间。完成多种操纵任务，且可节约操作空间。操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学还包括：操纵系统中的人机工程学还包括：人的视力范围人的视力范围 视力是指人眼看清物体的能力，包括对物体的视力是指人眼看清物体的能力，包括对物体的辨清能力辨清能力、辨辨色能力色能力、视野视野和和视距视距。设计操纵系统时，必须考虑操作者的视。设计操纵系统时，必须考虑操作者的视力范围。力范围。）力力才才能能看看清清物物体体有有效效视视力力范范围围（集集中中精精短短时时间间不不疲疲劳劳看看清清物物体体片片刻刻视视力力范范围围以以内内）体体最最清清

17、楚楚中中心心视视力力范范围围（观观察察物物视视力力范范围围按按辨辨清清能能力力3018()183(3( 视野视野是指头部和眼球固定不动地观看正前方所能看见的空间是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为范围。正常人的视野在垂直方向约为130度，在水平方向约为度，在水平方向约为120度。度。 因此，因此，设计操纵系统时设计操纵系统时，应把操纵件和显示仪表布置在中心，应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。头部和身体转动，以减轻疲劳。操

18、纵系统中的人机工程学操纵系统中的人机工程学常用操纵机构简图常用操纵机构简图16二、操纵系统的设计二、操纵系统的设计17操纵力操纵力FcFc、执行件的工作阻力执行件的工作阻力FzFz与操纵系统的传动比与操纵系统的传动比icic关系：关系： F Fc c= =F Fz z/ / iic c 其中：其中： 为操纵系统的传动效率为操纵系统的传动效率操纵行程操纵行程ScSc、执行件的行程、执行件的行程SzSz与操纵系统的传动比与操纵系统的传动比icic的关系：的关系： S Sc c= =i ic cS Sz z 人机工程学或者经验值确定的允许用操纵力，一般手操纵力建议不人机工程学或者经验值确定的允许用操

19、纵力，一般手操纵力建议不大于大于150N150N，脚操纵力不大于，脚操纵力不大于180N180N。操纵行程的大小应使人体在不移动位。操纵行程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置的情况下能方便自如地达到。机床手柄的转角不宜大于9090o o 。 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。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。 2 2、原理方案设计、原理方案设计 初步确定传动比后，结合设计任务要求，如执行件的运动轨初步确定传动比后，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，迹、行程、

20、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。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。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：选择传动机构设计过程：选择传动机构确定传动比确定传动比结构设计。结构设计。18二、操纵系统的设计二、操纵系统的设计三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构19操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构 摆动式变速操

21、纵机构的基本结构如右图，这是一种摆动式变速操纵机构的基本结构如右图，这是一种结构简单的单独操结构简单的单独操纵机构纵机构。在设计摆杆长度。在设计摆杆长度R R时除了要考虑行程时除了要考虑行程L L外，还要考虑由于圆弧运外，还要考虑由于圆弧运动，滑块相对齿轮环槽的上下偏移量。为了减少滑块的偏移量，摆杆轴动，滑块相对齿轮环槽的上下偏移量。为了减少滑块的偏移量，摆杆轴最好布置在滑移齿轮行程中点的垂直面内。最好布置在滑移齿轮行程中点的垂直面内。三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构20操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵

22、机构a滑块偏移量；滑块偏移量；A摆杆轴与滑移齿轮轴间距离摆杆轴与滑移齿轮轴间距离R摆杆搬动半径；摆杆搬动半径；L滑移齿轮总移动量滑移齿轮总移动量h滑块高度滑块高度哈尔滨工业大学机械电子工程教研室操纵系统设计实例：摆动式变速操纵机构操纵系统设计实例：摆动式变速操纵机构a滑块偏移量滑块偏移量A摆杆轴与滑移齿轮轴间距离摆杆轴与滑移齿轮轴间距离R摆杆搬动半径摆杆搬动半径L滑移齿轮总移动量滑移齿轮总移动量h滑块高度滑块高度aLALaARaAR162)()A() 1 (2222轮轴线间距离确定摆杆轴线与滑移齿几何条件 A值不宜过小，否则在值不宜过小，否则在L一定的条件下，一定的条件下，a将增大，使作用在滑

23、移齿轮上的偏转力将增大，使作用在滑移齿轮上的偏转力矩和摩擦力相应增加，操纵就费力，且矩和摩擦力相应增加，操纵就费力，且滑块有可能脱离齿轮的环形槽，而不能滑块有可能脱离齿轮的环形槽，而不能正常工作。因此，一般要求正常工作。因此，一般要求a0.3h三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构hLA8 . 42在选定滑块高度的情况下。在选定滑块高度的情况下。L越大，越大，A越越大，设计时摆角应保持在大，设计时摆角应保持在60-90之间之间（2 2）不自锁条件）不自锁条件拨叉齿轮FdA 单边拨动滑移齿轮，拨动力单边拨动滑移齿轮，拨动力F，拨动点距轴线距离为，拨动

24、点距轴线距离为A，齿，齿轮宽度轮宽度B，轴径，轴径d。求能使滑移齿轮顺利移动而不自锁的条件。求能使滑移齿轮顺利移动而不自锁的条件。三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构 确定拨动点距轴线距离为确定拨动点距轴线距离为A与齿轮与齿轮宽度宽度B的关系的关系哈尔滨工业大学机械电子工程教研室受力情况分析及假设：受力情况分析及假设： 齿轮受力包括：齿轮受力包括： 拨动力拨动力F 滑移齿轮重量产生的摩擦力滑移齿轮重量产生的摩擦力Gf 偏转力所产生的附加摩擦力偏转力所产生的附加摩擦力2Nf 。 fNfGF2 拨动力拨动力 假设假设滑移齿轮重量对轴的正压力是沿接滑移

25、齿轮重量对轴的正压力是沿接触全长上均匀分布，附加正压力触全长上均匀分布，附加正压力N 是在接是在接触长度一半上按三角形分布，不考虑其他触长度一半上按三角形分布，不考虑其他阻力有：阻力有：三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构24（2）不自锁条件）不自锁条件F=Gf+2N f F拨动力；拨动力； Gf滑移齿轮重量产生的摩擦力滑移齿轮重量产生的摩擦力 2Nf 偏转力所产生的附加摩擦力偏转力所产生的附加摩擦力若若f =0.3 则则3Af / BA/B当当A/B 大于等于大

26、于等于1时就会发生自锁，时就会发生自锁，因此，必须保证因此，必须保证 ABNBBBNAF32622fBAfGF31求解得：求解得：安全思想应始终贯穿于整个机械系统设计过程。即任何系统的设计都安全思想应始终贯穿于整个机械系统设计过程。即任何系统的设计都应考虑安全措施方面。应考虑安全措施方面。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、处理等等。理等等。分类：分类：25系统运行安全系统目的人身安全系统动力系统保护传动系统保护执行系统保护在机械系统中的位置安全系统控制系统保护操纵系统保护环境保护电气液压实现的手段机械以上三种的

27、混合方式1 1 动力系统保护动力系统保护 机械系统的动力源一般为三相机械系统的动力源一般为三相380V380V的交流电源。的交流电源。电源电源进入配进入配电柜后，首先电柜后，首先要经空气开关的保护要经空气开关的保护，主回路和控制回路要有熔主回路和控制回路要有熔断器断器。电机要有熔断器和热继电器保护电机要有熔断器和热继电器保护。熔断器主要用于断路。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，还有保护，热继电器主要用于过载和过流保护。此外，还有欠压、欠压、过压和缺相等保护过压和缺相等保护。在。在液压和气动回路中，要有安全阀和压力液压和气动回路中，要有安全阀和压力继电器继电器。 机

28、械系统各子系统的保护要点机械系统各子系统的保护要点2 2 传动系统保护传动系统保护 传动系统主要是过载保护问题传动系统主要是过载保护问题，如机械系统中采用的安全离，如机械系统中采用的安全离合器、摩擦离合器。电气系统中的热继电器保护。合器、摩擦离合器。电气系统中的热继电器保护。3 3 执行系统保护执行系统保护 机械系统的最终目的是由执行件完成的，其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安全系统主要考虑行程保护问题行程保护问题。 在执行件行程的极限处应有在执行件行程的极限处应有行程开关行程开关、限位开关限位开关或或死挡铁死挡铁。数。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防止位置环发生故障而产生“飞车飞车”现象，伺服系统位置控制器现象，伺服系统位置控制器要有超差保护。要有超差保护。 行程保护常用元件行程保护常用元件1 1 机械式开关机械式开关2 2 电磁式开关电磁式开关3 3 光电式开关光电式开关4 4 控制系统保护控制系统保护 控制系统是安全系统的核心，负责机