机械系统设计教学整册课件.ppt

1、机械系统设计 教学目的 机械系统设计是学生学习技术基础课后，机电一体化 学生的必修课之一，它在培养学生的工程意识、创新 思维、运用规范的工程语言和技术信息解决工程实际 问题的能力方面，具有重要作用。 通过学习本课程让学生在学习技术基础课后掌握机械 系统的组成，设计过程和方法，其任务是开发新的产 品和改造老产品，最终目的是为市场提供优质高效， 物美价廉的机械产品，以取得较好的经济效益 主要内容学时分配（共40学时） 第一章 绪论(4学时) 第二章 机械系统总体设计(6学时) 第三章 执行系统设计(4学时) 第四章 传动系统设计(2学时) 第五章 支撑系统设计(4学时) 第六章 价值分析及控制系统

2、设计(2学时) 第七章 操纵系统及安全系统设计(2学时) 第八章 润滑系统设计(2学时) 第九章 控制系统设计（2学时） 第十章 纺织机械等例子 （4学时) 参观,实验(4学时) 总结(2学时) 考试(2学时) 考试成绩 平时出勤等占30% 期末考试(闭卷) 70% 第一章 绪论 本章重点: 1.机械系统设计的基本原则和要求 2.机械系统的组成 3.产品生产过程和寿命阶段流程图 4.机电一体化概念及工业三大要素 5.现代设计方法的主要内容 1.1 机械系统设计在机械工程科学中的 地位和作用 一. 机械工程科学-研究机械产品(或系统)的性能,设计 和制造的基础理论与技术的科学. 包括: 机械学-

3、功能综合定量描述,控制其性能 机械制造学-研究机械制造系统及过程手段 设计为核心,制造为基础. 反之可出现:用先进的设计技术设计出”质量很差的先进 产品,或用先进的制造技术生产出”落后的高质量产品” 两者不能偏废. 电子学 力学 数学 材料科学 计算机科学 环境科学 管理科学 生命科学 信息科学 机械学 机 械 设 计 过 程 信 息 加 工 过 程 材料流 机械制造 机械制造过程 材料的变形和质变 信息流 能量流 工艺学 两种基本设计思想示意图 机器 人 人 机器 工 作 位 置 环境 环境 工 作 位 置 人机工程学 研究机械系统与人和周围环境关系的科学 提问学生:机械系统与人的关系例子

4、机械系统与环境的关系例子 环境污染包括什么? 机械制造:冷加工和热加工 热加工: 1.将材料加工成一定形状和尺寸的机器部件 2.在加工中保证或改进材料的内部组织,化学成分和加工 性能 3.研究发展机器部件所需的本体材料或其表面层 4.研究机器部件的疲劳,蠕变,断裂韧性,应力腐蚀,寿命等 问题 5.研究加工工艺,加工装备及自动流水线crack detection 按方法可分:铸造,锻造,焊接,金属热处理,无损探伤,表面工 程 机械制造:冷加工和热加工 冷加工: 1.机械加工和装配工艺过程的生产装备及其自动化,集 成化与智能化 2.机械加工和装配工艺的过程和方法 3.机械制造(冷加工)的基础理论

5、二.机械,系统,机械系统 机械: 1.须由两个以上的零部件组成 2.这些零部件中的运动部件,应按照设计要求作确定的 运动 3.把外来的能源变为有用的机械功 系统:具有特定功能的,相互间具有一定联系的许多要 素构成的一个整体 系统的特性 1.目的性 2.相关性与整体性 3.环境的适应性 三.机械系统的组成 动力系统 传动系统 执行系统 POWER DRIVE EXECUTIVE 操纵系统和控制系统 OPERATE AND CONTROLL 支承系统 SUPPORT 系统边界 润滑冷却密封安全等系统 BORDER LUBRICATE COLD SEAL 四.机械系统的地位及作用 人生活的任何地方都

6、有机械系统.只是简单复杂不同而已. 人体和机电一体化系统的五大要素: 内脏 运转/ 动力 五官 头脑 手脚 检测 控制 作业/执行 传感器 计算机 支承(机构) 骨骼 1.2 机械系统设计的任务,基本原则 及要求 一.任务和类型 任务:开发新产品,改造老产品,提供物美价廉的机器产 品,以取得最高经济效益. 类型 : 1.完全创新产品 无任何参考资料 2.适应性设计 局部变更 3.变异性设计 结构配置和尺寸改变 二.机械系统设计的基本原则及要求 1.原则: A 需求原则 B 信息原则 C系统原则 D 优化,效益原则 2.设计要求 A功能 B适应性 C可靠性 D生产能力 E使用经济性 F成本 三.

7、产品设计,生产过程 市场需求产品策划产品设计产品生产 产品销售产品使用产品报废或回收 功能原理方案设计阶段 明确任务要求(设计任务书要求明细表) 功能分析 搜寻解法 方案综合 评价 决策确定最佳原理解,画出原理图 结构总体设计阶段 功能面变形,连接变形,材料变形 定材料,尺寸 评价 最佳结构总装配图 技术设计阶段 部件装配图 零件图 各种技术文件(零部件图样技术文件) 试制 机械产品成本 材料费用 工资 附加费用 价格 工序数量 生产量 数量质量 工序时间 设备数量质量 利用程度 工人技术级别 生产管理水平 设计简化 安全系数 零件结构 制造方法 1.3 机械系统设计方法 一.机械系统的设计方

8、法 传统的设计方法 现代设计方法 静态 半理论,半经验 动态,科学,计算机化 性质 偏重技术 偏重功能目标,技术,经济 - 和社会环境综合一起 思维 结构的收敛性 总功能目标的发散性思维 方法 满足限定约束条件 多元性全优化 手段 图版,计算器等手工 计算机绘图,集团分工合作 对象 局限在零件和结构上 系统的全局构成,包括造型等 工况 按确定工况与静态考虑 随机工况,模糊性,复杂细解 评价 单项,手册标准(强度,成本等) 科学的模糊综合评价 现代设计方法主要内容 信息论方法 INFORMATION 信息分析法,技术预测法 系统论方法 SYSTEM 人机工程,系统设计法 控制论方法 CONTRO

9、LL 动态分析设计法 优化论方法 OPTIMIZE优化设计法是现代设计的目标 对应论方法 CORRESPONDING 相似设计法 智能论方法 INTELLIGENT CAD CAM 等 寿命论方法 LIFE 可靠性设计,价值工程等 离散论方法 DISPERSE 有限元和边界元分析设计法 模糊论方法 BLURRED ,DIM 模糊设计法 突变论方法 创造性设计等 艺术论方法 ART 现代设计方法与相关科学技术的关系 政治 社会学 心理学 经济学 自然科学-工程科学-现代设计方法 -工程技术生产 工业设计 工艺品设计 艺术 1.4 机电一体化 一.概念:在机械的主功能,动力功能,信息功能和控制功

10、能上引进微电子技术,并将机械装置与电子装置用相关 软件有机结合构成系统的总称. 二. 组成 工业的三大要素:物质,能量,信息 旧的三要素变换,传递,储存新的三要素 变换-可能是加工,处理, 储存保持,存储,记录 传递-运输,移动 机电一体化系统的构成要素及其功能 干扰 废弃物输出 物质能量信息 新三要素 计测功能 动力功能 控制功能 动力输入 控制输入 控制输出 主功能 (变换,传递,储存) 数控机床构成要素示意图 计算机数字 控制装置 接口 控制器 计算机数字 控制装置 接口 动力源 驱动源 刀库 机床主机 位置检测 传感器 工业机器人 执行元件 机构 三.发展机电一体化技术的基础 人才 人

11、力技术组织管理 需求 财力物力 政策法规 信 息 处 理 技 术 微机及微电子技术 电力电子变换技术 信 息 处 理 技 术 机械工程系统设计制造技术 系统总 体技术 精密机 械技术 实验模 拟技术 材料科 学技术 自动控 制技术 伺服驱 动技术 检测传 感技术 基础元 件技术 人才和人才培养 经 济 基 础 技 术 基 础 机电一体化 技术与产品 物资器材 基础技术 设计 测试 制造 工艺 标准 资金 社会环境 政法管理 组织管理 需求和社会服务 四.机电一体化的共性关键技术 1.检测传感技术 2.信息处理技术 3.自动控制技术 4.伺服驱动技术 5.接口技术 6.精密机械技术 7.系统总体

12、技术 第二章 机械系统总体设计 本章重点: 1.功能原理设计方法黑箱法 2.结构总体设计的原则和步骤 3.挖掘机的原理方案 4.结构总体设计的基本原理 2.1机械系统的功能原理设计 好的功能原理设计应既有创新构思,又能满足用户的需求.既重 视机构结构设计有注重功能原理设计.如新概念汽车,结构,原理, 能源新概念 一.功能的定义及分类 功能是系统必须实现的任务(让学生讲出15个汽车的功能) 分类必要功能(基本功能必须保证 (附加功能 -技术条件,结构 非必要功能(以汽车为例)-可有可无 让学生讲出汽车那些是基本功能,那些是附加,非必要功能 二.功能原理设计及其特点 现在草地非常多,日常维护工作量

13、比较大,剪草机用量 大. 让学生说出草地剪草 有几种方法.让学生锻炼分析问 题,解决问题以及创新能力. 针对所设计的产品主要功能提出一些原理性构思 例:草地剪草机: 拉无法使草地整齐 割断手把住上部才行 剪断-利用剪刀刃合拢可剪断 高速尼龙绳 功能原理方案设计的任务: 针对某一特定的功能要求,去寻找一些物理效应并借助某 些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理来. 功能原理方案设计步骤 分析阶段:设计任务求总功能(黑箱法)总功能分解(逐 级分解) 综合阶段:寻求子功能解(创造性方法,目录法,调查分析 法)-原理解综合(形态学矩阵法)- 评价和决策阶段: 评价与决策(各种评价方法)-最佳原理

14、 方案 功能原理设计特点: 1.是一种新的物理效应替代旧的,工作原理变化 2.引入新材料,新工艺,新技术等,设计人员有新想法 3.使系统发生质的变化 三.功能原理设计的设计方法-黑箱法 输入 输出 黑箱 自行车功能原理系统图 黑箱法基本内容 即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要 求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入 输出 之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑 箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、 “白箱”的一种方法。这样就摆脱了具体设计对象， 而按系统（产品）的功能和对三大流进行定性描述来 进行思考，使问题简化，以利于启发设计人员 构思出更新、更好的功能原理方

15、案来。 四.功能元,功能结构 1.功能元:由于一个系统可以分解成一些子系统，所以， 一个系统的总功能也能分解为一些分功能；如果有些 分功能还太复杂，则还可以进一步分解到更低层次的 分功能，直到分解到最后不能再分解的基本功能单位 为止，这个基本功能单位就叫功能元。 机械设计中常用的基本功能元有: 物理功能元、数学功能元和逻辑功能元。 2.功能结构 五.功能元求解 例2.4 设计手动订书打孔机 设计要求： 1.操纵手柄旋转运动 2.打孔针作直线运动 3.杆件数目为4 4.省力 步骤： 1.确定总功能 2.总共能分解 3.旋转运动变为移动运动的四杆机构设计 四种可行方案： 六.系统原理方案综合 例2

16、.5 设计露天矿开采挖掘机的原理方案 步骤： 1.用黑想法寻找总功能的转换关系 2.总功能分解 3.建立功能结构图 4.寻找原理解法和原理解组合 技术过程流程图： 总功能分解图： 功能结构图（上）： 功能结构图（下）： 从表中可知： 组合方案数=3X3X2X3X1X4X4X3X4=10368 方案一：履带式正铲挖掘机 （A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1） 方案二：轮胎式正铲挖掘机 （A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H2+I2） 通过此例可看到能得到很多方案，这给设计 者很多选择，一般采用相容性矩阵或选择表来 对众多原理进行筛选 1.相容性矩阵 为便于检验和了解有联

17、系的分功能之间的相容性， 可以列出相容性矩阵。 表2.5为一示例。此矩阵可以检验功能元F1和功能元 F2所对应的技术物理效应之间的相容性。 由表可得：判断功能元F1和F2的技术、物理效应之 间是否相容，有三种情况：相容（A3、B1、D1）、 条件相容（A1、B3、C1、C3）和不相容。 2.选择表 对于复杂问题可以采用选择表法。 建立选择表之前，拟出选择标准，例如： 1.与设计任务相符 2.应能满足各项必要要求 3.在原理上可实现 4.成本可行 5.符合安全和人机工程学 6.在技术水平、材料供应、制造方法、专利和 标准方面可行 选择表示例： 功能原理设计举例 例：瓶盖整列装置的原理方案设计 设

18、计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上 的位置逐个输出。尺寸如图，瓶盖质量m=10g，整 列速度100个/min，能量为220V交流，高气压 0.6MPa，其余要求参见下表 步骤： 一.明确任务要求 二.功能分析 1、总功能：通过黑箱模型示意 2.总共能分解： 3、功能元求解。采用设计目录法，如下表 4.功能元组合。组合功能元的解为 N=8X6X6X3X7=6048 5.评价与决策。评价中用“+”表示“很好”， “+” 表示“好”“-”表示不好 2.2结构总体设计 产品的使用性能，尺寸，外形，重量，生产成本等都 与总体设计有密切关系。且不是孤立的 系统。 本节重点: 1.结构总体设计的任务

19、,及设计步骤 2.车床和大客车的总体布置 一、结构总体设计的任务、原则 1.结构总体设计的任务及重要性 机构总体设计任务是将原理方案结构化，即 把一维或二维的原理方案转化为三维的可制 造的形体过程。 2.结构总体设计原则 明确、简单、安全是结构总体设计阶段鼻血遵守 的三项基本原则。保证实现总系统的预期功能、 降低成本及保证人和环境的安全。 明确原则:功能,工作情况,结构的工作原理明确 简单原则:满足功能条件下尽可能简单 安全原则:构件的,功能的,人的,环境的安全 一端固定一端 游动 两端固定，轴向载荷与 预紧及 热膨胀附加载荷有关 弹性预紧方案 二.结构总体设计步骤（上） 二.结构总体设计步骤

20、（下） 三.总体布置设计 机械系统-由若干个子系统按照总功能的要求互相匹 配组成的.形成一个协调完善的造型. 总体布局设计的基本要求: 1.功能合理,保证工艺过程的连续和流畅 2.降低质心高度,减少偏置 3.保证精度,刚度和抗震性等要求 4.结构紧凑,层次分明,比例协调 5.充分考虑产品的系列化发展 6.操作,维修,调整简便,造型合理,实用美观 7.提高人机系统整体的效能 四.总体参数的确定 总体参数是结构总体设计和零部件设计的依据。对于 不同的机械系统，其总体参数包括的内容和确定的方 法也不相同。但一般情况下主要有：性能参数（生产 能力等）、结构尺寸参数、运动参数、动力参数等。 1.性能参数

21、（生产能力） 机械系统的理论生产能力（设计生产能力） 在单位时间内完成的产品数量。设加工一个 工件或装备的一个组件所需的时间为 T：加工一个零件的工作周期的时间 tg：工作时间，直接用于加工或装配工件的时间 tf ：辅助工作时间 生产效率： 2.尺寸参数 尺寸参数主要是指影响机械性能和工作范围的主要结构尺 寸和作业位置尺寸。主要结构尺寸是由整机外形尺寸和主 要组成部分的外形尺寸综合而成。外形尺寸受安装、使用 空间、包装、运输等要求的限制。作业位置尺寸是机械系 统在作业过程中为了适应工作条件要求所需的尺寸，如机 床的加工范围、中心高度、主要运动零部件的工作行程及 主要零部件之间位置关系尺寸等。

22、例题：确定颚式破碎机钳角 受力图如图所示，设物料 与颚板之间的摩擦力为，物 料重力不计。 当物料被夹牢在颚腔内 而不被推出腔外时，各力平 衡，在xy方向上合力分别等 于零。 将两式合并并简化后得 又 为摩擦角， 则 为使破碎机工作可靠，必须使 一般=0.2-0.3，故钳角最大值为22-33。为防 止楔塞现象，因此一般取18-22 3.运动参数 机械系统的运动参数一般是指机械执行件的运动速 度等。 机械系统中执行件的速度一般是根据工作的对象的 工艺过程要求和生产效率等因素确定。 1).最高,最低转速的确定,第四章详介绍 2).转速相对损失A与公比,变速范围Rn与级数Z 对于有级变速运动，当已知最

23、高和最低转速后，中间各级转 速通常按等比数列或等差数列排列。由于采用等比数列能使 相邻各级转速的相对损失均匀，且使变速系统中每一个传动 比都得到充分利用，使变速系统简化，所以在一般机械系统 中大多按等比数列排列，很少采用等差数列排列。 如机床的变速结构共Z级，其中n1=nmin，nz=nmax， Z级转速分别为n1,n2,n3,n4,.nj,nj+1nz 加工某一零件需要速度为v，对应转速n Njn箱盖齿轮轴1齿轮轴2（大齿轮=小齿轮）轴3 205 6.1 价值优化 3） A类零件的成本系数和价值系数分析 零件的成本系数ci 零件的价值系数Vi i i i c f V 零件成本系数零件成本系数

24、 零件功能系数零件功能系数 i i i C C c 产品总成本产品总成本 零件成本零件成本 206 6.1 价值优化 4） 价值优化措施 价值系数分析结果说明： 本本性不相适应，应降低成性不相适应，应降低成成本过高，与功能重要成本过高，与功能重要 本偏低，应予调整本偏低，应予调整零件功能重要而所花成零件功能重要而所花成 功能成本相当功能成本相当 价值系数价值系数 1 1 1 i i i V V V 箱体和大齿轮的价值系数1， 功能与成本也不适应，可考虑进 行调整。价值优化的重点是箱体 和大齿轮。 207 6.1 价值优化 4） 价值优化措施结果 箱体、箱盖由铸铁件改为焊接件，1200mm以下的

25、齿轮，全部采用锻钢件，这 两项措施减低了废品率和缺陷率，周期短，工时少，外形美观，使总成本下降6%； 208 6.1 价值优化 6.2 成本估算方法简介 式中：C是生产成本 (元)； W是产品重量 (kg)； fW是重量成本系数 (元/kg) 用于方案确定时的成本粗略估算 1. 按重量估算法 此方法的基本原理是产品的成本是重量的函数，因此可以进行估算： w fWC 209 w fWC fW 重量成本系数可以通过统计,用最小二乘法正交回归曲线获得。 fW 也可以通过作图法计算。 式中，K、P均为系数，随不同产品而异。上式两端取对数，得 如已知任意两点的值fW1 、W1和fW2 、W2，则可求出K

26、,P 210 6.2 成本估算方法简介 计算举例： 图2所示套类零件在不同重量下的生产成本如 表4所示。试求新设计 W=76Kg 的此类零件的生产 成本。 1）计算质量成本系数 （如上表） w fWC 211 6.2 成本估算方法简介 2） 用作图法计算fW 在对数坐标中Wfw是一直线关系，如图6-3所示。由横坐标上W=76作垂线，与曲 线交点的纵坐标即可求得fw =6.7元/。 212 6.2 成本估算方法简介 3）用解析法求 取W=76前、后两个已知点 W3=29.8kg， fw3 =8.2 W4=109kg， fw4 =5.3 代入上述的公式进行计算，可得 4) 估算W=76的生产成本

27、元元6 .4631 . 676 w fWC 213 6.2 成本估算方法简介 用于方案确定时的成本粗略估算 2 材料成本折算法 因为材料成本是生产成本的一个组成部分，若已知这个组成部分的百分率 成本率m则可利用新产品的材料成本来估算其生产成本： 式中，C是产品的生产成本；CM 材料成本；m是材料成本率。 根据统计数字可以得出各类产品的材料成本率m 214 6.2 成本估算方法简介 215 6.2 成本估算方法简介 新产品的材料成本可按下式估算： (11.2)() M CZW 1 n iii i WVK i V i i K 式中，Z是外购件成本（元）； W是毛料成本（元） 是某类材料的体积（cm

28、3） 是某类材料的密度（kg/cm3） 是单位重量材料的价格（元/kg） n是材料种类数 216 6.2 成本估算方法简介 材料费、工资以及附加费 机械产品成本组成中与设计有关的因素 1）材料的数量、质量； 2）工序的数量、工序时间、工人技术级别； 3）设计的简化； 4）安全系数（举例，吊车）； 5）零件结构； 6）制造方法； 7）设计精度 机械产品成本的主要组成 217 第七章第七章 操纵系统和安全系统设计操纵系统和安全系统设计 218 7.17.1 操纵系统操纵系统 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

29、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、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。 7.17.1 操纵系统操纵系统 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）操纵件操纵件：机械：拉杆、手柄、手轮和脚踏板；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

30、：调节阀、手柄等。液压、气动：调节阀、手柄等。 （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 件目的的件目的的中间环节中间环节。 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）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（液）缸、电磁铁等。常用的有拨叉、滑块、气（液）缸、电磁铁等。 （4）辅助元件）辅助元件：如定位元件、锁定和互锁元件及

31、回拉元件：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：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。 221 7.1 操纵系统 4、操纵系统的要求： 222 7.1 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

32、，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

33、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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、学 ）力才能看清物体力才能看清物体有效视力范围（集中精有效视力范围（集中精 短时间不疲劳看清物体短时间不疲劳看清物体片刻视力范围片刻视力范围 以内）以内）体最清楚体最清楚中心视力范围（观察物中心视力范围（观察物 视力范围按辨清能力视力范围按辨清能力 3018( )183( 3( 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 233 1、操纵系统的主

39、要参数确定、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。复杂动作为目的。设计参数设计参数：操纵力操纵力、 操纵行程和传动比操纵行程和传动比。 操纵力操纵力Fc、执行件的工作阻力执行件的工作阻力Fz与与操纵系统的传动比操纵系统的传动比ic关系：关系： 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Sc、执行件的行程执行件的行程Sz与与操纵系统的传动比操纵系统的传动比ic的关系：的关系： 人机工程学或者经验值确定的允许用操纵力，一般手操纵力建人机工程学或者经验值确定的

40、允许用操纵力，一般手操纵力建 议不大于议不大于150N，脚操纵力不大于脚操纵力不大于180N。操纵行程的大小应使人体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 于于 。 传动比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。确定时要结合操纵力、操纵行程和总体方案全面考虑。 c z c i F F zcc SiS 0 90 二、操纵系统的设计 234 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

41、和被操纵件的数目以及各执行的运动轨迹、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。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。占空间的限制。 设计过程设计过程：选择传动机构：选择传动机构确定传动比确定传动比结构设计。结构设计。 二、操纵系统的设计 235 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 这是一种结构简单的单独操纵机构。 在

42、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。 236 h L A ha a L A L aAR aAR 8 . 4 3 . 0 16 ) 2 ()( 1 2 2 222 则则 若若 ）几何条件：）几何条件：（ 在选定滑块高度h 时， L越大，A也越大，设 计时摆角应在 。 00 9060 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 237 （2）不自锁条件 拨叉 齿轮 F d A 单边拨动

43、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 2）不自锁条件）不自锁条件 求解得：求解得： 若若f =0.3 =0.3 则则3 3Af / / BA/ /B 当当A/ /B 大于等于大于等于1 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 A 2530 流量/分 过滤器：精度 冷却器：效率 实验安排 第九章 绿色设计简介 260 绿色设计(Green Design)是20世纪80末出现的一股 国际设计潮流。绿色设计反映了人们对于现代科技文化 所引起的环境及生态破坏的反思，同时也体现了设计师 道德和社会责任心的回归。 在很长一段时间内，工业设计在为人类创造了现代 生活方式和生活环境的同时，也加速了资源、能源的消 耗，并对地球的生态平衡造成了巨大的破坏。特别是工 业设计的过度商业化，使设计成了鼓励人们无节制消费 的重要介质，因而招致了许多的批评和责难，设计师们 不得不重新思考工业设计的职责与作用。 第九章 绿色设计简介 2