加工中心人机系统分析设计及改善Word文件下载.docx
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研究在工作与生活中如何统一考虑工作效率，身心健康，安全与舒适等问题的学科。
著名的美国人机工程学专家W.E.伍德森（W.E.Woodsen）认为:
“人机工程学研究的是人与机器相互关系的合理方案，亦即对人的知觉显示、操纵控制、人机系统的设计及其布置和作用系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获得最高的效率和作业时感到安全和舒适。
”
.2国内外研究现状
在国外，人机工程学已经有60多年的发展历史，随着对人体能力和局限性的研究，以及在产品设计中对人、机和环境的进一步认识，使人机工程的应用逐步走向了实用阶段，特别是在航天飞行器安全设计，汽车设计，家居环境设计，办公室设计等方面己经成为了设计是否成功的决定因素。
许多发达国家除了具有从事人机方面研究的科研院所外，还有专门的人机工程事务咨询及实业公司，使得人机工程商业化、实用化。
在中国，人机工程学的研究在本世纪30年代开始有少量和零星的开展，但系统和深入的开展则在80年代以后。
1980年4月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。
1984年，国防科工委成立了国家军用人一机一环境系统工程标准化技术委员会。
这两个技术委员会的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。
此后在1989年又成立了中国人类工效学学会，在1995年9月创刊了学会会刊《人类工效学》季刊。
虽然人机工程学在中国已有所发展，但是和发达国家相比还非常落后。
中国在人力资源方面是相对充裕和廉价的，像“王铁人”这样的劳动楷模，就其奉献精神和坚强意志固然让人钦佩，但从人机工程学角度看来，却体现出技术的落后和对人力的滥用。
随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、生活品质的要求也逐步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视，现在一些厂商把“以人为本”的设计作为产品的卖点，也正是出于对这种新的需求取向的意识。
事实上，在我国不光普通公众，即使理工科的大学毕业生，也大都不了解这门学科的有关情况。
另一方面，从中国专利局的专利授予可以看出，人类发明创造的很大一部分，都是关于如何使各种器具变得更省力和方便，虽然人机工程学正是为这类改进提供系统的理论和方法，
但就像少儿姿势纠正器一样，大多数发明人显然缺乏有关的基本知识。
这都反映出人机工程学在我国不仅有待研究和提高，更堕需宣传和普及。
原杭州大学朱祖祥教授主编的《人类工效学》教程序言指出:
“人类工效学工作者除了要努力从事研究工作外，还须向全社会广作宣传.
在我国，人机工程技术研究的真正兴起、并有组织地进行仅为数十年的历史。
1.3人机工程学研究内容
人机工程学研究的内容包括理论和应用两个方面，但当今本学科研究的总趋势还是重于应用。
而对于学科研究的主体方向，则由于各国科学和工业基础的不同，侧重点也不相同。
美国侧重工程和人际关系，法国侧重劳动生理学，前苏联注重工程心理学等。
一般说来随着工业化程度的提高，学科研究的内容有如下规律:
先由人体测量、环境因素、作业强度和疲劳等方面着手研究;
再进一步转到操纵显示器设计、人机系统控制以及人机工程学原理在各种工业与工程设计中应用等方面研究;
进而深入到人机工程学的前沿领域，如人机关系、人与环境的关系、
人与生态、人的特性模型、人机系统的定量描述、人际关系、直至团体行为、组织行为等方面的研究。
人机工程学的研究内容可概括为以下几个方面。
1.人体因素的研究2.人机系统的总体设计研究3.工作场所和信息传递装置设计研究4.作业改善的研究5.环境控制与安全保护
1.4人机工程应用范围人机工程的应用范围，主要有三个方面，即机的设计、作业设计和环境设计。
表1.1人机工程的应用范围
1.5人机工程与其它学科关系
人机工程学的基本指导思想是系统论、控制论和信息论。
其基础理论涉及到许多学科。
除与有关的技术工程学科有着密切的关系外，它还与人体解剖学、人体测量学、劳动卫生学、生理学、心理学（特别是工程心理学）、安全工程学、行为科学、环境科学、技术美学等有着密切的联系。
如图1.1示图1.1人机工程学与其相关学科
1.6人机系统的发展与人在系统中的地位
人机工程学的研究对象是人机系统，即人、机、环境之间的相互关系。
研究的目的是如何达到安全、健康、舒适和工作效率的最优化。
研究人机系统发展的主要目的是归纳总结人机系统的变化特点，认识人在人机系统中的地位和作用，以便使系统设计能符合人的生理和心理特点，提高系统的可靠性和有效性。
1.人机系统的发展变化特点
（1）科学技术进步以机器取代人的体力，这不仅延长了人的体力，也使体力消耗降低了，但是人的精神负担加重了。
为了重新估计管理复杂系统对操作人员的工作负荷，必须制定新的劳动定额标准。
（2）机器由单机作业逐渐向多功能联动机组发展，机器结构也越来越复杂，使作业者了解其运行状况和掌握操作技术的难度增加了，而且人对机器运行状态的了解常用编码方式。
因此需要研究采取什么样的编码方式，更便于操作者能可靠地监控系统。
（3）由于机械化和自动化的发展，使管理对象、监控对象及其参加的数量增加了，致使作业者对系统状态的分析复杂化。
因此，需要确定人的功能限度问题。
（4）现代生产过程使作业者直接参与和观察加工对象、控制加工过程的机会减少了，取而代之的是人与被控制对象之间“插入”了一套信息传递装置。
信息通常以编码方式提供，要求作业者译码，同时也以编码方式对机器系统进行控制，改变了作业者的活动方式。
因此，必须研究译码和作业者的训练问题。
.（5）信息传递在时间上和空间上渐趋密集化，不仅使作业者的信息接受能力、存储能力和处理能力产生较大差别，而且还使作业者对技术装备的依赖性增加。
因此，必须研究相应的对策。
（6）现代技术装备的使用，对作业者的工作速度和准确性的要求越来越高，不仅受到机器的制约，而且往往超过人的感官能力。
所以，必须研究人的感知特征和限度，采取必要的措施。
（7）高度自动化使作业者的作业负荷很低，人在低负荷条件下，缺少足够的信息刺激，使人产生烦躁感，警觉性降低，注意力分散，一旦出现异常信号，又感至惊慌失措。
为此，必须采取对策，保持警惕性。
（8）航天和深海技术的发展，必须研究人在系统中失重和超重条件下的行为和能力问题。
2.人机系统中人的地位
人在人机系统中的地位可以从两方面理解。
首先，劳动是人有意识的活动，人是劳动的主体。
科学技术的发展，会使劳动工具先进，劳动条件改善，也会改变对劳动主体的要求。
如人能同时感知多少信息，人以什么样的速度、准确性和形式来执行等。
其次，人与机器是相辅相成的，没有机器的帮助人几乎不能达到自己的目的，但没有人的操作，机器也不能自己工作。
1.7论文的提出及主要工作
人们无论是在日常生活或工作中，人机系统无处不在。
而各种人机系统效能优劣首先是从系统的角度出发对人机功能进行合理分配。
其次是人机界面合理设计。
随着时间和空间的变化及系统中人的变迁，原来的人机系统很可能出现人机功能不匹配问题，人机界面不合理问题。
因此人机系统需要不断改进完善。
人机工程学发展趋势重在应用。
应用范围主要有三个方面，即机的设计及改善、作业设计及改善、环境设计及改善。
随着国家经济的迅猛发展，机床需求趋旺。
到2002年，机床消费增长了20YO，金额达57亿美元。
机床消费在世界排名第一，首次超过美国机床消费。
我国数控机床生产从1991年的2000台猛增到2001年近2万台。
除了我国自行研制的数控机床外，为了提高企业应变能力及产品质量，国企制造业每年需从美、欧、日、台进口大量的先进数控机床。
目前全世界数控产量20万台/年，数控磨床1.0万，NC车床6万，加工中心5万。
中国年数控机床消费9899台（产量为17521台），位居世界第四。
以2001年为例:
共进口数控磨床、数控车床、加工中心分别为1315台、3500台、2290台，消费分别为:
2356台、6920台、2662台。
其技术档次和功能质量:
西欧出厂的数控机床属较高档次;
美国属于中等水平;
日本属于中上等;
台产属于中低档价格低廉的数控机床。
经济型控制技术的基本特征:
开放化;
模块化:
柔性化;
稳定化。
数控机床进口、使用与管理中存在的问题:
进口工作中存在着盲目性，片面追求设备的高、精、尖;
对数控机床各功能间的配合及易耗品的国产化注意不够;
数控机床使用中的技术支持与维修力度严重不足:
管理人员的素质跟不上发展需要;
软资料不全。
本文以机加工中人和加工中心组成的人机系统（多人多机和单人单机）为例，首先通过作业分析，对此系统进行作业设计及改善，实现此系统作业效率的提高。
其次是从人机工程学理论出发，对人和MC系统中的子系统（MC的CRT）进行研究分析，完善CRT人机界面友好化具体设计。
最终使得此人机系统整体效能提高。
即通过机的“人性化”设计实现了人的“技术化”提高。
2人机系统2.1系统2.1.1系统的构成
系统可定义为具有一定功能的、相互间具有有机联系的、有许多要素或构成部分组成的整体。
系统与外界环境通过输入量和输出量而发生联系。
系统是可以分解的，一个系统可以是一个更大的系统的组成部分，而该系统本身又可包含若干个子系统。
至于哪些东西属于哪个系统，则通过系统边界来确定。
输入量和输出量跨越系统边界。
因此，系统是有层次的。
任何系统都有它的层次结构、规模、环境和功能。
一个系统的构成如图2.1示。
图2.1一个系统的构成
多人和多台加工中心的生产车间可看成加工中心人机系统。
而当具体的一个操作者在操作一台加工中心时也可看成加工中心人机系统。
后者还可看成前者的子系统。
前后两个系统，边界不同，其工作环境要求相同。
加工中心人机系统的功能是完成零件的冷加工。
2.1.2系统的分类实体系统和抽象系统系统可分为实体系统和抽象（概念）系统。
实体系统指以物理状态的存在作为组成要素系统，这些系统占有一定的空间。
概念系统是由概念、原理、假设、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统。
人机系统属于实体系统，其设计属于概念系统（详见第三章）。
设计系统属于概念系统。
其模型如图2.2示。
应用霍尔模型分析，设计系统是一个时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统。
时间维反映按时间顺序的设计工作阶段，逻辑维是解决问题的逻辑步骤，方法维列出设计过程中的各种思维方法和工作方法。
设计过程中的每一个行为都反映为这三维空间中的一个点。
图2.2面向设计系统的霍尔模型
2.1.3系统的功能流转换系统总是服务于一种技术过程，其中传输或改变着能量、物料和信号。
图2.3示图2.3系统功能
加工中心人机系统（单人单机）功能为金属切削。
在人的参与下，通过机床所配备的能量转换和控制信号作用将毛坯或半成品加工成半成品或成品。
2.1.4系统化的设计进程步骤
图2.4（见下页）指出了系统设计的进程步骤。
该进程以获得被设计系统的信息为开端，即所谓系统研究。
这种信息由市场分析、趋势研究或由准备好了的具体的任务说明书给出。
也可称为问题分析。
系统研究的目标是获得对求解的问题或分任务的一个清楚的格式化的阐述。
这
个求解的问题或分任务也就是这一系统开发的实质上的出口点。
在系统研究过程之中，要建立一个目标清单，从形式上确定所要创造的系统的目标。
在为一个给定的任务说明书求最优解的过程中，上述目标的设置是随后的解的方案评价的重要基础。
系统综合包括解的方案的最初开发，这些开发是建立在前两步所得信息的基础之上的。
这种信息处理应该给所设计的系统带来尽可能多的解法或结构化的建议。
为了选出一个符合任务说明书的最优化系统，就要把所求得的各种解的方案同入口处所建立的目标清单进行对比，看哪个解最能满足任务说明书的要求。
其先决条件是对解的方案特性的认识。
在系统生命阶段中（项目研究、系统预研、系统制造、系统投入、系统运行、系统更换），重复各个步骤，这样，一个系统随着时间的变化，将由抽象向具体逐步前进。
人机系统设计进程同上分析。
其实质也同霍尔模型设计过程。
2.2人机系统
人机系统是指为了达到某种预定目标，针对某些特定条件，利用已经掌握的科学技术，组成的人、机、环境共存的体系。
这是广义的人机系统。
也称为人一一机一一环境系统。
狭义的人机系统仅指人与机器组成的共存体系。
人机系统具有系统的共性。
即具有系统的功能（流转换）特点、子系统相关、层次结构、边界。
其中环境是人机系统的一个子系统。
2.2.1人机系统的构成人机系统的三大构成要素是:
人、机和环境。
图2.4系统设计的进程步骤
机包括装置、设备、机器、仪器、部件、机器零件、单件、工具和用具等。
也称技术产物或技术系统。
人包括操作工、维修工、调整工、设计者、工艺员、使用者等。
环境包括照明、噪声、振动、温度、湿度、粉尘、辐射、色彩等。
加工中心人机系统:
人包括操作者、调整工、维修工、工艺员、管理者。
机包括加工中心、夹辅具、装卸活用的扳手工具等。
人和机共同处于工厂所提供的生产环境中。
加工中心所需的温度和湿度是有要求的。
作业有适宜的照明，噪声强度须控制在相关的规定范围之内。
2.2.2人机系统中的作用关系
人通过施入作用（操作、校正、监视）影响技术系统以实现系统功能，人受到反作用（技术产物对人的功能性联系）和反馈信息，促使人做进一步操作。
人就这样来支持或促使人机系统去实现应有的有效作用。
此外，环境可能对系统施入干扰作用（例如高温），造成副作用（例如变形，变位）。
技术系统也可能对人和环境产生副作用。
如图2.5示
加工中心人机系统作用分析其目的主要考虑人所受机的反作用、副作用;
环境对系统的干扰作用。
进口加工中心其加工部分一般都屏蔽在玻璃罩内，其噪声控制效果较好。
而早期国产加工中心加工部位部分有屏蔽，部分没有。
即使有屏蔽的也只是防止切削液外溅，无防噪声功
能。
加工中心对温湿度要求高，沿海地方湿度较大，如果不采取相应措施机床易出故障。
图2.5人机系统中作用关系
2.2.3技术过程（作业）的一般模式
人机系统中的人和机分工作业。
作业也称技术过程（工艺过程或动作过程）。
现代化生产的技术过程由人机系统和过程因素完成。
过程因素起约束作业，包括规则、法令等。
人和机在所适应的环境中遵循一定的约束共同完成作业。
如图2.6示图2.6技术过程系统模型
2.2.4人机系统的基本类型
从最简单的人与手工工具的结合，到各种不同复杂程度的人与机器的结合，任何一个基本的人机系统都是由信息传递、信息处理、控制和反馈等基本结构所组成的。
按照人在系统中的作用，人机系统可分成三种基本类型。
1.手工劳动系统手工劳动系统由人和辅助机器或手工工具构成，如图2.7示，主要动力来源于人，人既作为动力源又作为控制者，系统的效率主要取决于人。
例如:
加工中心人机系统中操作者装卸工件。
图2.7手工劳动系统
2.半自动化、机械化系统
该系统由人和机器设备或半自动化机器设备构成，如图2.8示，人主要充当生产过程的控制者或操作者，动力一般由机器系统提供。
这种系统中，人与机器之间信息交换频繁复杂。
人通过感知生产过程中来自机器、产品的信息，经大脑加工处理，用控制手柄、开关等装置实施对机器的控制。
人和加工中心组成的系统，产品加工主要由加工中心完成，人控制和操作加工中心。
图2.8半自动化、机械化系统
3.自动化系统
自动化系统由人和自动化机器设备构成，如图2.9示。
在一般情况下，机器的运转可完全不依赖于人的控制，机器本身就是一个闭环系统，人只是管理者和监视者。
只有发生意外情况，人才采取强制措施。
制药公司的自动化包装生产线。
图2.9自动化系统
2.2.5人与机的结合方式在人机系统中，人与机的结合方式一般有三种基本模式，如图2.10示。
图2.10人与机的结合方式
（a）人与机串联（b）人与机并联（c）人与机串并联
1.人与机串联方式
人通过机器的作用产生输出，因此会导致人和机的特性相互干扰。
虽然人的长处通过机器得以发挥，但人的弱点也会同时被扩大。
所以，采用串联系统时，必须进行人机功能的合理分配，使人成为控制的主体。
’2.人与机并联方式
人通过显示装置和控制装置，间接地作用于机器，产生输出。
当系统正常时，人管理、监视系统的运行，系统对人几乎无操作要求;
当系统出现异常时，系统由自动控制变为手动控制，人与机器的结合也变为串联方式，这就要求人迅速而准确地进行判断和操作。
3.人与机串并联方式又称为混合结合方式，是最常用的结合方式。
人机结合方式可以用来分析评价系统的可靠度及总体效能。
2.3本章小结
本章重点阐述了人机系统的理论知识。
首先介绍了系统的概念，系统具有功能目标、层次结构、子系统相关及边界特性。
其次，重点论述人机系统。
人机系统首先是一个系统，因此具有系统的特性。
人机系统是由人、机、环境组成的系统，并详细介绍了人机系统的作用关系、
类型及结合方式。
人和机分工合作完成系统的技术过程（作业）。
3人机系统设计3.1人机系统设计基本思想及要求
人机系统设计是一个广义的概念，可以说，凡是包括人和机相组合的设计，小至一个按扭、开关，一件手工工具，大至一个大型复杂的生产过程、一个现代化系统（如宇宙飞船）的设计，均为人机系统设计。
它不仅包括某个系统的具体设计，而且也包括作业及作业辅助设计、人员培训和维修等。
3.1.1人机系统的设计思想
利用系统设计的思想，将系统的性能、可靠性、费用、时间和适应性作为设计所追求的目标，从功能分析入手，合理地将系统的各项功能分配给机器和人，从而达到系统的最佳匹配。
全新系统设计的思想和过程如图3.1示模型。
但对已存在的人机系统分析改善所考虑的主要内容及所用的人机理论思想是相同的。
分析己存在的人机系统只是对具体的系统中的局部要素进行改进。
例如为提高已有系统效率所进行的作业分析及机的改进等。
系统设计不是单一专业领域工作者所能胜任的，它应该由工程师、人类学家、心理学家、人机工程学家共同协作完成或者用上述知识共同完成。
3.1.2人机系统的设计要求对人机系统的设计要求如下:
1.能达到预定目标，完成预定的任务。
2.人与机都能充分发挥各自的作用和协调地工作。
3.人机系统接受输入和输出的功能，都必须符合设计的能力。
4.人机系统要考虑环境因素的影响，这些因素包括厂房建筑结构、照明、噪声、温湿度等。
人机系统设计不仅要处理好人和机的关系，而且需要把机器运行过程相对应的周围环境一并考虑。
因为环境始终是影响人机系统的一个重要因素。
0.人机系统应有一个完善的反馈闭环回路。
输入的比率可进行调整，以补偿输出的变化，或用增减设备的办法，以调整输出来适应输入的变化。
图3.1人机系统设计模型
3.2人机系统设计的总目标
满足“安全”、“高效”、“经济”是任何一个人机系统的综合效能准则。
，人机系统设计的总目标是:
根据人的特性，设计出最符合人操作的机器，最适合手动的工具，最方便使用的控制器，最醒目的显示器，最舒适的座椅，最舒适的工作姿势和操作程序，最有效、最经济的作业方法和预定标准时间，最舒适的工作环境等，使整个人机系统保持安全可靠、效率最佳。
人机系统设计内容1.人机功能分配2.技术系统设计3.作业岗位设计4.人机界面设计5.系统环境设计
:
34.l人机系统设计一般进程
人机系统的目标建立与功能分析
每个系统都有自己的客观目标。
首先确定包含人在内的全系统应具有什么样的目标，并详细填写系统目标说明书。
在确定系统目标时，要对系统目标进行技术上的可行性、制造成本和用户要求等方面的比较。
然后再详细讨论并确定为实现该目标的手段，亦即确定应给予系统的功能是什么。
为达一种目的可有多个可行方案，用功能设计展开法可全面掌握实现该目标的手段。
图3.2示（见下页）为功能设计展开法的关连树图，图中的每一等级，上位是目标，下位是功能。
各等级的目标和相应的功能之间，从目标找功能时问“怎么办”，从功能找目标时则问
“为什么”。
3.4.2人机系统功能分配
功能分配是指为了使系统达到最佳匹配，在研究分析人和机器特性的基础上，充分发挥人和机器的潜能，合理地将系统各项功能分配给人和机器的过程。
功能分配的任务是决定系统的哪一部分功能由人完成，哪一部分由机完成。
而对有些功能必须通过对话才能完成，尤其是计算机控制系统（如现代制造系统），某功能可同时分配给人和机即“人机接口”。
图3.2关连树
1.人与机器特性比较表3.1人与机器特性比较
2.功能分配分析在对系统进行功能分配时，应同时考虑人的能动性及成本因素和机的技术、经济等因素。
3.功能分配原则
功能分配依据是系统的效能、可靠性和成本。
（1）比较分配原则
比较分配原则是指根据人与机的特性（表3.1）比
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