1、6.2.2 控制装置设计控制装置设计新课导入新课导入 控制器是操作者用以控制机器运行状态的装置或部件，是联系人和机的重要部件之一。生产中的许多事故都是因控制器设计未充分考虑人的因素所致。费茨和琼斯在1947年分析了飞行驾驶中出现的460个操作失误，发现其中68的错误是由于控制器设计不当引起的。本 节 目 录 一、控制装置的类型和选用 二、控制装置的用力特征 三、控制装置的设计 四、控制装置的特征编码与识别一 控制装置的类型 1按操纵方式划分 2按运动方式划分1）手动控制器手动控制器，如各种，如各种手柄、按钮、旋钮、选择手柄、按钮、旋钮、选择器、杠杆、手轮等。器、杠杆、手轮等。2）脚动控制器脚动
2、控制器，如脚踏，如脚踏板、脚踏钮、膝控制器等。板、脚踏钮、膝控制器等。1按操纵方式划分 2按运动方式划分1)旋转控制器旋转控制器 如曲柄、手轮、如曲柄、手轮、旋塞、旋钮、钥匙等。旋塞、旋钮、钥匙等。2)移动控制器移动控制器 如操纵杆、如操纵杆、手柄、推扳开关、踏板等。手柄、推扳开关、踏板等。3)按压控制器按压控制器 如按钮、按如按钮、按键、键盘等。键、键盘等。一 控制装置的类型手轮手轮手柄手柄按钮按钮控制装置的选用原则 操纵器一般人类工效学要求（GB/T4775-93）给出 1 1）手控操纵器适用于精细、快速调节，也）手控操纵器适用于精细、快速调节，也可用于分级和连续调节可用于分级和连续调节
3、2 2）脚控操纵器适用于动作简单、快速、需）脚控操纵器适用于动作简单、快速、需用较大操纵力的调节。脚控操纵器一般在用较大操纵力的调节。脚控操纵器一般在坐姿有靠背的条件下选用。坐姿有靠背的条件下选用。二 控制装置的用力特征 控制装置的形状、大小、位置、运动状态和操纵力等，都要符合人的生理、心理特性，以保证操作时的舒适和方便。各类控制装置中，操纵动作需由人施加适当的力和运动才能实现。所设计的控制装置的操纵力不应超出人的用力限度，并使操纵力控制在人施力适宜、方便的范围内，以保证操作质量和效率。二 控制装置的用力特征 应注意以下3个方面：1、适宜的操纵力 2、适宜的阻力 3、适宜的反馈二 控制装置的用
4、力特征 1、适宜的操纵力 从能量利用的角度看，在不同的用力条件下，以使用最大肌力的1/2和最大收缩速度的1/4操作，能量利用率最高，人较长时间工作也不会感到疲劳 为使必要的静态施力能保持较长时间而不导致局部疲劳，最好使其保持在人体最大肌力的15%20%。静态操纵：控制装置的操纵要求人的施力部位始终在特定的位置（如用力握紧电动工具把手的操纵），这种操纵称为静态操纵。二 控制装置的用力特征 2、适宜的阻力 只求快而精度不高的工作，操纵力应越小越好 操纵精度要求高，控制装置应具有一定的阻力 对于脚动控制装置，操纵过程中为防止脚动控制装置被无意碰移或误操作，脚动控制装置应设计一个起动阻力，它至少应超过
5、脚休息时脚动控制装置的承受力。二 控制装置的用力特征 3、适宜的反馈 操作过程中，操作者从手或足的用力大小中取得有关操纵量大小的信息，操纵量的大小要与操纵用力的大小成比例，这种比例关系称为控制装置的用力级差或用力梯度。三 控制装置的设计（1）控制装置设计的一般要求表表6-18）三 控制装置的设计（1）控制装置设计的一般要求控制器设计要适应人体运动的特征，考虑人体的尺寸和体力：应根据人体生物力学特性，按操作人员的中下限能力进行设计，使控制装置能适合大多数人的操作能力。快速准确的操作，应采取手动控制或指动控制装置，如按钮、转动式开关等；用力较大的操作，应设计为手臂或下肢操作的控制装置，如手柄、曲柄
6、、转轮等。操纵装置的大小必须与人手尺寸相适应，以使操纵准确无误、灵活方便、舒适而高效。据有关实验研究资料确定的各种手控操纵装置与人体尺度有关的尺寸参数见表6.20；尺寸含义见图6.16。表6.20 手控操纵装置与人体尺度有关的尺寸参数表6.20 手控操纵装置与人体尺度有关的尺寸参数2）控制器操纵方向应与预期的功能方向和机器设备的被控制方向一致。从功能角度：向上扳或顺时针方向转动意味着向上或加强从被控设备角度：设备运动方向将向上运动或向右运动。三 控制装置的设计（1）控制装置设计的一般要求向上扳或顺时针方向转动向上扳或顺时针方向转动如铲车的升降控制器是上下操纵如铲车的升降控制器是上下操纵的；当被
7、控元件转动时，控制器的；当被控元件转动时，控制器宜采用手轮，如汽车转弯，宜采宜采用手轮，如汽车转弯，宜采用圆形方向盘。用圆形方向盘。3）控制装置要利于辨认和记忆。l控制装置在外形、大小和颜色上进行区别l有明显的标志，并力求与其功能有逻辑上的联系l这样，控制装置无论数量，排列布置及操作顺序如何，每个控制装置都能明确地被操作者辨认出来。三 控制装置的设计（1）控制装置设计的一般要求 尽量利用控制器的结构特点进行控制（如弹簧等）或借助操作者体位的重力（如脚踏开关）进行控制。对重复性、连续性的控制操作，不应集中某一部分的力，以防产生作业疲劳和工作单调感。尽量设计多功能控制器，并与显示器有机地结合，如带
8、指示灯的按钮等。三 控制装置的设计（1）控制装置设计的一般要求（2）控制装置设计时应该考虑的因素）控制装置设计时应该考虑的因素 1）控制信息的反馈 2）控制装置的适宜用力 3）控制装置的运动 4）使用部位的尺寸和结构 1）控制信息的反馈 人在操纵控制装置时，需要通过一定的反馈来获得有关操纵的信息。有两类反馈信息，一类来自人体自身的反馈信息，如眼睛观察手脚的位移，手、臂、肩或脚、腿、臀感受的位移或压力信息。另一类来自机的反馈信息。主要有：仪表显示、光显示、振动变化、音响显示、操纵阻力。（2）控制装置设计时应该考虑的因素）控制装置设计时应该考虑的因素 2）控制装置的适宜用力 操纵阻力不能过小，用力
9、太小则操纵精度难以控制，人不能从操纵力中得到有关操纵量的反馈信息，不利于正确操纵。阻力也不能过大，否则会使控制器的动作不灵敏，难以驾驭，而且也会使操纵者提前产生疲劳。以使用者最大肌力的一半和最大收缩速度的1/4操作，能量利用率最高，人在较长时间内工作不会感到疲劳。对于只要求快而精度要求不太高的工作(如点动开关)来说，操纵力应在人能获得反馈的同时越小越好；操纵精度要求很高，控制装置应具有一定阻力。（2）控制装置设计时应该考虑的因素）控制装置设计时应该考虑的因素表表6-21 不同控制装置所要求的最小阻力不同控制装置所要求的最小阻力 3）控制装置的运动 首先控制装置的操作方向与系统过程的变化方向相一
10、致，这样可以使控制操作形象化，又可使控制操作和系统的变化之间产生一定的逻辑关系，有利于操作人员记忆和辨认，提高操作效率。如朝某一方向时，产生最大力量。其次控制装置的移动范围不能超过操作者可能的活动范围，并要给操作者留出足够的自由空间。（2）控制装置设计时应该考虑的因素）控制装置设计时应该考虑的因素 4）使用部位的尺寸和结构 不同的操纵器，由于压或握的用力方式不同，操纵件的尺寸和形状不同。首先取决于控制装置上手或脚使用部位的尺寸，其次需要根据操纵时是否戴手套，或作业时鞋的形式来决定放宽的尺寸。（2）控制装置设计时应该考虑的因素）控制装置设计时应该考虑的因素旋转式控制装置的设计 常用的手动转动式操
11、纵器有旋钮、转轮、手柄和曲柄、按钮、按键、杠杆等。旋钮 旋钮供单手操纵使用。旋钮可以旋转一圈、多圈或不满一圈，可以连续多次旋转，也可以定位旋转。连续旋转钮（控制范围超过360o），图（a）（b）；部分旋转钮（控制范围不超过360o），图（c）；定位指示旋钮（控制范围有固定的边界限范围有固定的边界限制），图（d）。（a）（b）（c）（d）连续旋转钮（控制范围超过连续旋转钮（控制范围超过360o）部分旋转钮（控制范围不超过部分旋转钮（控制范围不超过360o）定位指示旋钮定位指示旋钮根据旋钮的形状，可分为圆形旋钮，多边形旋钮，指针形旋钮和手动转盘等。旋钮大小应根据操作时使用手指和手的不同部位而定，旋
12、钮直径以能够保证动作速度和准确性为前提。为使手操纵旋钮时不打滑，钮帽部分做成各种齿纹或多边形，以增强手的握持力。单层旋钮，直径以单层旋钮，直径以50mm为最佳。为最佳。三层旋钮的中间一层选取直径50mm时，最上面的小旋钮直径应小于25mm，最下面的一个大旋钮直径80mm左右为宜。转轮、手柄和曲柄控制器的功能与旋钮相当，用于需要较大的操作扭矩条件下。转轮可以单手或双手操作，并可自由地连续旋转操作。手柄和曲柄可以认为是转轮的变形设计。在设计大小时必须考虑操作者有效用力范围(表6.22)及其合理尺寸，使之手握舒服，用力有效不产生滑动。转轮、手柄和曲柄 表6.22 手柄的适宜用力移动、扳动式控制装置的
13、设计1、操纵杆6.19 坐姿下的短操纵杆操作6.20 手腕易达的转动角度移动、扳动式控制装置的设计2、扳动开关 扳动开关只有开和关两种功能。扳动开关具有操作简便，动作迅速的优点。按压式控制装置设计1、按钮 按钮有三个主要参数：直径、作用力及移动距离。按钮尺寸大小，即圆截面的直径d，或矩形截面的两个边长 ab，应与相关的人体操作部位（如手指）的尺寸相适应。一般圆弧形钮直径以818mm为宜，矩形按钮以(1010)、(1015)或(1520)mm为宜，按钮应高出盘面512mm，行程为36mm，按钮间距一般为12525mm，最小不得小于6mm。按钮直径大于15mm时，可将顶部做成球面线凹坑，以便于手感
14、定位。按钮直径 若按钮的关系重大，为防止疏忽，可将按钮设置在一凹坑中。这时按钮直径应不小于25mm，若需戴手套操作，则按钮直径不应小于50mm。对于发生疏忽会产生严重事故的按钮，应加防护装置。例如可以加装小盖或护栏。凹坑按钮凹坑按钮 加装护拦的按钮加装护拦的按钮 作用力 对于单指按钮的阻力，大拇指按钮可取为2.9419.6N，其他手指按钮可取为1.475.89N，按钮阻力不宜太小，以免误碰就会起作用。移动距离 按钮的移动距离不宜太小，太小会不安全。一般情况下大型按钮移动的距离也应大一些。图图6.23 产品上按钮的安置是否得当产品上按钮的安置是否得当按键脚动控制装置的设计 常见脚动控制装置有脚踏
15、板和脚踏钮。一般在下列情况时考虑选用脚控制器：操作工作量大，只用手动操作不足以完成操纵任务；操纵力比较大，如操纵力超过50N且需连续操作，或虽为间歇操作，但操纵力更大。1）脚动控制器分类脚动控制器分类 脚踏板有两种：一种是调节踏板（如汽车制动踏板、油门踏板），另一种是开关踏板（冲床、剪床上的踏板）。（1）调节踏板 调节踏板有以脚后跟为转轴的（如汽车的加速踏板，见图6.25a）和脚悬空（见图6.26）的两种。脚踏板常设计成长方形。踏板下的舒适角不大于20o，踏板安置位置离正中矢状面100180mm的范围内为宜，每脚与人的中线叉开10o15o为宜（见图6.25b）。图图6.25b 脚的舒适叉开角度
16、脚的舒适叉开角度图图6.25a 以鞋跟为转轴的踏板以鞋跟为转轴的踏板（2）踏板开关脚动控制装置的操纵力四 控制装置的特征编码与识别根据控制器的用途，将控制器设计成不同根据控制器的用途，将控制器设计成不同的形状，以使视觉上和触觉上易于区分。的形状，以使视觉上和触觉上易于区分。以不同大小来区别控制器的功能和用途，通常在同一系统中只能设计大、中、小三种规格。由于大小编码的视觉和触觉感知度小的原因，常与其他形式编码一起使用。、蓝、蓝(文字或图形文字或图形)6.2.3 显示装置和控制装置的相合性设计运动相合性图6.33空间相合性最好控制器就放置在显示器对应位置的下方或右方最好控制器就放置在显示器对应位置的下方或右方（右手操作）（右手操作）。控制-显示比 控制显示比是指控制装置(C)和显示装置(D)移动量之比，即C/D。可用来表示系统的灵敏度高低。操纵杆移动操纵杆移动20mm，显示器目标位，显示器目标位移移5mm，其控制显示比：，其控制显示比：C/D 20/54；（精调）；（精调）当旋钮转动当旋钮转动1个单位，指示器指针个单位，指示器指针移动移动5个单位，则个单位，则C/D 1/50.2。图6.36图6.36 C/D与调节时间的关系
