哈工大机械系统设计课件第7章 操纵系统和安全系统设计

第七章

操纵系统和安全系统设计17.1操纵系统一、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

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。7.1操纵系统2、操纵系统的组成：操纵件、变送环节和执行件。（1）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。

（2）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。常用的有杠杆、凸轮、齿轮齿条、丝杠螺母及摇杆等机构。（3）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。（4）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：按操纵力的来源：人力、电动、液压、气压和混合操纵系统。按一个操纵件控制的执行件数：单独操纵系统和集中操纵系统。47.1操纵系统4、操纵系统的要求：57.1操纵系统

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。

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。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：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。操纵系统中的人机工程学

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。操纵系统设计中的人机工程学——简介一、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，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。操纵系统中的人机工程学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。人肢体虽然可以移动，但是为了舒适性好和操作灵敏，一般都以人的躯体不动来考虑操纵件的布置。

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。1）站立时人手臂的活动范围

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。操纵系统中的人机工程学2）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；b—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--不同身材人的上肢水平活动范围B表示男子统计中数C表示女子统计中数操纵系统中的人机工程学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。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，是合理设计操纵系统的前提之一。人手臂作用的力有握力、推力、拉力、提力、扭力和举力等，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）站立时用力范围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

1手操纵件的结构造型机械的操纵件以手操纵的为多。目前常用的手操纵件有手柄、手轮、旋钮和按键。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。

2）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者不同颜色的按钮。

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还包括：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。设计操纵系统时，必须考虑操作者的视力范围。操纵系统中的人机工程学

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。

因此，设计操纵系统时，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。尽量减少头部和身体转动，以减轻疲劳。常用操纵机构简图16

1、操纵系统的主要参数确定

操纵系统是人体四肢的延伸，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：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大于150N，脚操纵力不大于180N。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。

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。二、操纵系统的设计17

2、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。二、操纵系统的设计18三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构这是一种结构简单的单独操纵机构。在设计摆杆长度R时除了要考虑行程L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，摆杆轴最好布置在滑移齿轮行程中点的垂直面内。19在选定滑块高度h

时，L越大，A也越大，设计时摆角应在。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—滑块高度三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构20（2）不自锁条件

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。三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构（2）不自锁条件

求解得：若f=0.3则3Af/B≈A/B当A/B

大于等于1时就会发生自锁，因此，必须保证A<B三、操纵系统的设计实例：摆动式变速操纵机构227.2安全系统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。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。分类：231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。机械系统各子系统的保护要点2传动系统保护

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合器、摩擦离合器。电气系统中的热继电器保护。7.2安全系统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7.2安全系统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。

5操纵系统保护

操纵系统与人直接接触，人为因素较多，为避免操作的失误，保护机械系统正常运行和人身安全，在设计操纵系统时，必须设置必要的安全保护装置。此外，操纵机构本身也必须安全可靠，方能保证操纵有效。

操纵系统安全保护装置常用的有定位、自锁机构和互锁机构.7.2安全系统6环境保护

环境安全保护主要是指对操纵环境的不安全因素采取必要的安全防护措施，有以下一些：

①在机械系统中加装保护装置如对