人机工程学在机床夹具设计中的应用
周宇分享
摘要： 随着现代化工业的发展，人机工程学的应用越来越受到人们的重视。应用人机工程学的原理对机床夹具设计的工作效率、人的健康与安全、人机环境的最佳匹配等三个方面进行探讨，使夹具设计能达到人、机、环境的协调统一。
关键词： 人机工程学；夹具设计；人机环境；以人为本
0 引言
随着现代化工业的发展，人机工程学的应用越来越受到人们的重视。人机工程学是研究人、机及环境相互作用的学科[1]，研究人和机器以及环境的相互作用，研究人在工作、生活中怎样才能够统一考虑工作效率、人体健康、安全和舒适等问题，是把人－机－环境系统工程运用系统科学思想和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系，探讨人机环境系统最优组合的一门科学，如何实现人－机－环境系统的最优组合是我们研究的核心问题。已有研究表明，在设计、生产中应用人机工程学是必要和有效的[2]。本文利用人机工程学的原理对机床夹具设计过程中的有关工作效率、人的健康、安全和人机环境匹配等几方面进行探讨。
1 基于人机工程学的设计内容
将人机工程学应用于机床夹具设计过程应当包含两个方面：1）应用是全过程的；2）应用是全方位的。全过程、全方位地应用人机工程学进行夹具设计，不仅体现其功能的科学性、使用的合理性，还要考虑到舒适、安全、省力和高效等功能[3]。人机工程学在夹具设计中的应用要体现在夹具设计的每个阶段，具体内容如下：
按照这个要求，机床夹具设计从工作效率、人体健康、安全和人机匹配几个方面来进行。
1.1 工作效率
机床夹具设计的总体目标就是“优质、高效、低成本”，在保证质量的前提下，高效率是我们追求的一直追求的重要方面，所谓“高效”是指夹具的工作效率最高，使用价值最大，这是对夹具设计提出的最根本要求之一。在夹具设计中，除了按照生产纲领合理配置夹具的定位装置、夹紧装置、对刀或导向装置、分度装置等夹具各个组成部分的自动化程度，提高生产效率外，装、夹动作应准确、迅速、操作方便，安全省力[5]；各个部分的操作手柄、杠杆、开关、显示装置或其它辅助工具应放在操作者的最大工作范围之内，并且要尽可能靠近操作者，但应避免放在操作者的正前方且按动作顺序进行排列与布置；应使操作者手移动的距离和移动次数越少越好；夹具上的各种操作机构的位置应尽量使操作者在使用时不改变或极少改变身体位置；尽可能采用联动夹紧机构。从而缩短辅助时间，提高人的工作效率。
1.2 人体健康、安全
所谓“安全”是指在系统中不出现人体的生理危害或伤害。在夹具设计中，要坚持“以人为本”的基本指导思想，夹具设计应安全可靠，确保操作者的人身安全。对于存在离心力的夹具，需采取的平衡措施，方法有两种，一是在较轻的一侧加平衡块，平衡块的位置最好可以调节。二是在较重的一侧加减重孔[5]。设计夹紧装置时，为防止工件在加工过程中因振动而松动，夹紧装置要有足够的夹紧力和自锁性能；夹紧装置的自锁装置性能应可靠，以防止产生松动，致使工件有飞出的危险；对于存在冲击载荷的夹具设计时，夹紧力大小要求保证工件夹紧可靠，施力方向和作用点要恰当，必要时可采用辅助支承和浮动夹紧装置，以提高夹紧刚度，因此夹具各元件要具有足够的强度和刚度。在设计和布置定位元件时，应尽量使主要支承面大些，定位元件的支承之间要尽量远些；还要注意防止夹具上的元件与机床的回转件相碰，引发安全事故。夹具上尽可能避免有尖角或突出夹具体（或机床）轮廓之外的元件，必要时应加防护罩。
安全防护装置的设计可以分为两个部分：为保证安全设置在机床上的防护装置设计和个人防护用品设计。防护装置设计的结构和布局应设计合理，防止人体各部位均不能直接进入危险区，主要包括防止人的误操作而引发的事故，要有防误撞装置，比如可以增大操作阻力或按钮保护盖板；防止操作者误入危险区而设置的安全防护装置，比如设置防护网或防护挡板；为防止切屑、切削液飞溅而危害操作者的健康和安全，可设置防护罩或防护挡板。安全防护装置与夹具的配套设计，防护装置设计要保证操作者容易对加工区进行观察。最好有通过对系统进行自动监测与诊断的方式去避免或排除故障、避免事故发生的装置。个人防护用品设计应符合人体工程学，包括防尘、防潮、隔声用品的设计，为操作者提供良好的工作条件，减少不必要的危害。
1.3 人机环境之间的最佳匹配
人－机－环境系统强调“机宜人”、“人宜机”，将人、机、环境这三个要素看成一个相互作用、相互依赖的系统，并用系统工程的方法使系统处于最佳的工作状态。要使人、机、环境三大要素相互之间达到最佳匹配，就要使人－机关系、人－环关系、人－机－环境关系的总体设计要合理。夹具的设计要符合人的生理、心理特点；工作环境要符合人的特性。
在机的总体布局时，夹具的高度应使操作者可以变换操作姿势，可以坐、站交替，具有舒适感；夹具的操作手柄、杠杆、开关、显示装置或其它辅助工具应与人体尺寸相适应（人体平均身高大约1700mm），绝大多数人习惯用右手操作工具和做各种用力的动作，这一事实在人机系统设计时应该予以考虑。夹具设计要能够降低工人的劳动强度和对工人的技术水平要求，双手和身体的动作应该尽量以减少不必要的体力消耗为准则，过度消耗体力容易引发安全事故；夹具的结构工艺性要好，便于制造、装配、调整、检测和维修。维护作业应满足人的要求，维护时间要短、维护费用低，满足与维护有关的可靠性与安全性的要求；夹具的检查点、润滑点以及液压气压系统的维护点都要布局在便于接近的位置；显示器应尽可能安排在视野中心范围之内，使人的视觉效果最优，避免产生视觉疲劳。
夹具使用过程中的噪声、粉尘、切削液对人体、环境的污染也是不容忽视的，切削过程中的噪声、粉尘、切削液往往会对操作者造成身体伤害、会对环境造成污染，在夹具设计时，就要考虑对噪声、粉尘、切削液等污染物进行防治。
2 结束语
随着我国社会和科技的发展，人们对工作条件、生活品质的要求会越来越高，对产品的人机工程特性也越来越重视。提高采用人机工程学原理设计的机床夹具，使人机环境的关系更加协调，对提高企业生产率、降低综合成本，对构建和谐社会具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]丁玉兰，人机工程学[M].北京理工大学出版社，2005.
[2]Abrahamson L.Production economics analysis of investment initiated to improve working environment[J].Appl.Ergon.2000，31（1）：1-7.
[3]吴强等，基于人机工程学的设计实践[J].机械设计与制造，2007（6）：45-47.
[4]马江彬，人机工程学及其应用[M].机械工业出版社，1993.
[5]陈根琴，机械制造技术[M].北京理工大学出版社，2007.
关键词： 人机工程学；夹具设计；人机环境；以人为本
0 引言
随着现代化工业的发展，人机工程学的应用越来越受到人们的重视。人机工程学是研究人、机及环境相互作用的学科[1]，研究人和机器以及环境的相互作用，研究人在工作、生活中怎样才能够统一考虑工作效率、人体健康、安全和舒适等问题，是把人－机－环境系统工程运用系统科学思想和系统工程方法，正确处理人、机、环境三大要素的关系，探讨人机环境系统最优组合的一门科学，如何实现人－机－环境系统的最优组合是我们研究的核心问题。已有研究表明，在设计、生产中应用人机工程学是必要和有效的[2]。本文利用人机工程学的原理对机床夹具设计过程中的有关工作效率、人的健康、安全和人机环境匹配等几方面进行探讨。
1 基于人机工程学的设计内容
将人机工程学应用于机床夹具设计过程应当包含两个方面：1）应用是全过程的；2）应用是全方位的。全过程、全方位地应用人机工程学进行夹具设计，不仅体现其功能的科学性、使用的合理性，还要考虑到舒适、安全、省力和高效等功能[3]。人机工程学在夹具设计中的应用要体现在夹具设计的每个阶段，具体内容如下：
按照这个要求，机床夹具设计从工作效率、人体健康、安全和人机匹配几个方面来进行。
1.1 工作效率
机床夹具设计的总体目标就是“优质、高效、低成本”，在保证质量的前提下，高效率是我们追求的一直追求的重要方面，所谓“高效”是指夹具的工作效率最高，使用价值最大，这是对夹具设计提出的最根本要求之一。在夹具设计中，除了按照生产纲领合理配置夹具的定位装置、夹紧装置、对刀或导向装置、分度装置等夹具各个组成部分的自动化程度，提高生产效率外，装、夹动作应准确、迅速、操作方便，安全省力[5]；各个部分的操作手柄、杠杆、开关、显示装置或其它辅助工具应放在操作者的最大工作范围之内，并且要尽可能靠近操作者，但应避免放在操作者的正前方且按动作顺序进行排列与布置；应使操作者手移动的距离和移动次数越少越好；夹具上的各种操作机构的位置应尽量使操作者在使用时不改变或极少改变身体位置；尽可能采用联动夹紧机构。从而缩短辅助时间，提高人的工作效率。
1.2 人体健康、安全
所谓“安全”是指在系统中不出现人体的生理危害或伤害。在夹具设计中，要坚持“以人为本”的基本指导思想，夹具设计应安全可靠，确保操作者的人身安全。对于存在离心力的夹具，需采取的平衡措施，方法有两种，一是在较轻的一侧加平衡块，平衡块的位置最好可以调节。二是在较重的一侧加减重孔[5]。设计夹紧装置时，为防止工件在加工过程中因振动而松动，夹紧装置要有足够的夹紧力和自锁性能；夹紧装置的自锁装置性能应可靠，以防止产生松动，致使工件有飞出的危险；对于存在冲击载荷的夹具设计时，夹紧力大小要求保证工件夹紧可靠，施力方向和作用点要恰当，必要时可采用辅助支承和浮动夹紧装置，以提高夹紧刚度，因此夹具各元件要具有足够的强度和刚度。在设计和布置定位元件时，应尽量使主要支承面大些，定位元件的支承之间要尽量远些；还要注意防止夹具上的元件与机床的回转件相碰，引发安全事故。夹具上尽可能避免有尖角或突出夹具体（或机床）轮廓之外的元件，必要时应加防护罩。
安全防护装置的设计可以分为两个部分：为保证安全设置在机床上的防护装置设计和个人防护用品设计。防护装置设计的结构和布局应设计合理，防止人体各部位均不能直接进入危险区，主要包括防止人的误操作而引发的事故，要有防误撞装置，比如可以增大操作阻力或按钮保护盖板；防止操作者误入危险区而设置的安全防护装置，比如设置防护网或防护挡板；为防止切屑、切削液飞溅而危害操作者的健康和安全，可设置防护罩或防护挡板。安全防护装置与夹具的配套设计，防护装置设计要保证操作者容易对加工区进行观察。最好有通过对系统进行自动监测与诊断的方式去避免或排除故障、避免事故发生的装置。个人防护用品设计应符合人体工程学，包括防尘、防潮、隔声用品的设计，为操作者提供良好的工作条件，减少不必要的危害。
1.3 人机环境之间的最佳匹配
人－机－环境系统强调“机宜人”、“人宜机”，将人、机、环境这三个要素看成一个相互作用、相互依赖的系统，并用系统工程的方法使系统处于最佳的工作状态。要使人、机、环境三大要素相互之间达到最佳匹配，就要使人－机关系、人－环关系、人－机－环境关系的总体设计要合理。夹具的设计要符合人的生理、心理特点；工作环境要符合人的特性。
在机的总体布局时，夹具的高度应使操作者可以变换操作姿势，可以坐、站交替，具有舒适感；夹具的操作手柄、杠杆、开关、显示装置或其它辅助工具应与人体尺寸相适应（人体平均身高大约1700mm），绝大多数人习惯用右手操作工具和做各种用力的动作，这一事实在人机系统设计时应该予以考虑。夹具设计要能够降低工人的劳动强度和对工人的技术水平要求，双手和身体的动作应该尽量以减少不必要的体力消耗为准则，过度消耗体力容易引发安全事故；夹具的结构工艺性要好，便于制造、装配、调整、检测和维修。维护作业应满足人的要求，维护时间要短、维护费用低，满足与维护有关的可靠性与安全性的要求；夹具的检查点、润滑点以及液压气压系统的维护点都要布局在便于接近的位置；显示器应尽可能安排在视野中心范围之内，使人的视觉效果最优，避免产生视觉疲劳。
夹具使用过程中的噪声、粉尘、切削液对人体、环境的污染也是不容忽视的，切削过程中的噪声、粉尘、切削液往往会对操作者造成身体伤害、会对环境造成污染，在夹具设计时，就要考虑对噪声、粉尘、切削液等污染物进行防治。
2 结束语
随着我国社会和科技的发展，人们对工作条件、生活品质的要求会越来越高，对产品的人机工程特性也越来越重视。提高采用人机工程学原理设计的机床夹具，使人机环境的关系更加协调，对提高企业生产率、降低综合成本，对构建和谐社会具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]丁玉兰，人机工程学[M].北京理工大学出版社，2005.
[2]Abrahamson L.Production economics analysis of investment initiated to improve working environment[J].Appl.Ergon.2000，31（1）：1-7.
[3]吴强等，基于人机工程学的设计实践[J].机械设计与制造，2007（6）：45-47.
[4]马江彬，人机工程学及其应用[M].机械工业出版社，1993.
[5]陈根琴，机械制造技术[M].北京理工大学出版社，2007.
