1、第第7章章 操纵系统与控制系统操纵系统与控制系统 本章要点：操纵系统的功能；3个参数的确定；机构的自锁与互锁；操纵环境安全防护的措施；人肢体的用力范围、视力范围和视力规律；操纵件的设计与布置；显示器的布置；控制系统的3个环节；伺服控制系统的作用与特点；控制系统的特性与要求7.1 操纵系统的功能、要求、组成和分类操纵系统的功能、要求、组成和分类7.1.1 操纵系统的功能操纵系统的功能 操纵系统的定义操纵系统的定义：把人和机械联系起来，使机械按照人的指令工作的机构和元件所构成的总体。人机系统：人和他所操纵的机器的统称。人-机-环境系统：人机系统与环境的关系。操作系统：人与机器之间的界面，即显示器和
2、操纵件的统称。（图7-1）它是人和机械直接联系的系统，它具有闭环调节系统的特征。操纵系统的影响操纵系统的影响：机械工作性能的好坏，机械功能是否充分发挥，操作者劳动强度。操纵系统的功能操纵系统的功能：实现信号转换，即把操纵者施加于机械的信号，经过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7.1.2 操纵系统必须满足的要求操纵系统必须满足的要求操纵方便舒适操纵方便舒适：操纵力操纵力的大小适当：尽量减小；应符合人机工程学的规定。操纵行程操纵行程的大小适当：应在尽量保证人体不动的情况下，上、下肢能舒适达到的范围之内。操纵件操纵件要符合人体状况和动作习惯：合理确定操纵件的形
3、状、尺寸、布置位置、运动方向和各操纵件的标记、操作顺序等。操纵动作应合理分配给双手和双脚；操纵手柄的球头直径应与人的手掌大小相适应。操纵灵活高效操纵灵活高效：操纵灵活操纵灵活：实现操纵功能，使操纵者感到得心应手。例：车辆的左、右轮制动操纵系统，既可单边制动，又可两边车轮同时制动。操纵灵敏操纵灵敏：操纵系统中的执行件应对操纵件所发指令的反映灵敏而准确。操纵效率高操纵效率高：操纵系统的能量传递的损失小，效率高，有利于减小操纵力。操纵安全可靠操纵安全可靠 操纵件定位可靠操纵件定位可靠：操纵件应能长时间可靠地保持在某一操作状态的位置。而且，操作件偏离操作位置时，应有自动回位功能。有良好的反馈性有良好的
4、反馈性：使操纵信号准确迅速地反馈给操作者，以便操作者及时判断操作的效果，并作出新的操纵决策。有必要的可调性有必要的可调性：以保证元件磨损后，经调节仍能实现所期望的操纵效果。有绝对的安全性有绝对的安全性：应防止错误操纵和操纵失效，防止操纵件伤人，应采取安全保护措施和应急措施。例：要有互锁机构和自锁机构。7.1.3 操纵系统的组成操纵系统的组成 操纵件操纵件：使人直接操纵机器的元件。拉杆，手柄，手轮，按钮，按键，脚踏板。执行件执行件：是与被操纵部分直接接触的元件。拨叉，销子，滑块。传动件传动件：是将操纵件的运动及作用力传递到执行件的中间元件。机械传动：连杆、齿轮、蜗杆、螺旋、凸轮。流体传动：液、气
5、压传动常作为助力装置与机械传动配合。辅助件辅助件：保证操纵系统安全可靠工作的元件，定位、自锁、互锁、回位元件等。显示器显示器：将机器输出的信息显示给人。7.1.4 操纵系统的分类操纵系统的分类1.按操纵力的来源分类按操纵力的来源分类 人力人力操纵系统：操纵所需的作用力和能量全部由操纵者提供的操纵系统。适宜于需要操纵力小的机械。助力助力操纵系统：利用机械系统中储备的能量帮助人力进行操纵的系统。储备能量：弹性变形能：弹簧助力器是利用助力弹簧的变形来存储能量的装置。液压能：液压助力装置由液压泵和肋力器等组成 图7-2，装着两套滑阀和两套活塞，液压泵产生的高压油经垂直孔道1进入助力器，它由2、3、5、
6、6、7、8等件组成，它能将操纵杆上的操纵力由350N减小到50N。液压液压操纵系统：通常需操作者施加的操纵力很小，只需克服传动件(如滑阀)的摩擦阻力，而克服操纵阻力所需要的力全部由液压系统供给。图7-3，推土机上使用，操纵4或6，压力油进入左或右离合器油路，靠压力油产生的作用力操纵离合器，就可实现推土机的转向。气压气压操纵系统：与液压操纵系统具有类似的特点，克服操纵阻力所需要的操纵力由压缩空气提供，人所施加的力很小，只用来克服操纵件自身的摩擦阻力。图7-4车辆上使用，制动时踩下5，4中的3下移，先将2关闭，然后将12顶开，压缩空气由12进入制动阀再流向11。在制动过程中，11和3下方的气压逐渐
7、升高，推动3克服上方弹簧的压力向上移动，逐渐使12关闭，气压停止上升。如进一步踩下踏板，则弹簧进一步被压缩，又推动3下移，使气阀重新打开，直到气压增高到某一新的数值，又使膜片上移到12关闭为止。这样，通过踏板行程的大小来控制制动气室中的压力和制动力矩。2.按操纵系统的传动方式分类按操纵系统的传动方式分类 机械式机械式操纵系统：传动件全部是机械的，一般只适用于操纵力不大的机械。混合式混合式操纵系统：在机械式操纵系统中加入液压或气压助力器助力器而构成的操纵系统，适用于操纵力较大及操纵较频繁的场合。3.按一个操纵件控制的执行件数分类按一个操纵件控制的执行件数分类 单独单独操纵系统：一个操纵件只操纵一
8、个执行件，这是最常见的操纵方式。集中集中操纵系统：一个操纵件可操纵多个执行件。可按操纵件的变换规律分为 顺序顺序操纵：操纵件只能按一定的顺序一级一级地变换到所需要的位置上。越级越级操纵：可将操纵件由某一操作位置直接变换到所需的任一级操作位置上。4.按操作操纵件的人体器官分类按操作操纵件的人体器官分类 手手操纵系统：是最经常采用的操纵方式，因为手动作比脚灵敏，动作范围大。一般总是先考虑用手操纵。脚脚操纵系统：在操纵力较大、操纵件较多时，才考虑采用脚操纵或手脚并用。5.其他操纵方式形成的操纵系统其他操纵方式形成的操纵系统 远距离(遥控)操纵系统：借助无线电波、光波、声波等物理效应实现操纵功能的操纵
9、系统。7.2 操纵系统的设计内容操纵系统的设计内容7.2.1 操纵系统主要参数的确定操纵系统主要参数的确定 操纵系统的主要参数有操纵力、操纵行程和传动比1.操纵力操纵力 Fc操作者施加给机器操纵件的最大作用力。式中 Fr执行件的工作阻力，N；ic操纵系统的传动比；操纵系统的传动效率，取决于操纵系统的传动机构，一般取0.70.8。)i/(FFcrc 图7-5，常闭式摩擦片离合器。离合器靠2产生的压紧力Fn将带摩擦面的4夹紧在3和5之间，从而借助摩擦力将输入到5上的动力经从4输出到10上。若要切断动力，则须将5、4和3分离。为了保证彻底分离，各盘之间必须分离到一定的距离s。由此可知，操纵这种经常接
10、合式离合器时，主要是在分离离合器时要在8上施加一定的操纵力来克服2的压紧力Fn，并且为获得必要的间隙s，而须进一步压缩2，使其能产生与附加变形相应的弹簧力Fn，它们的关系Zs 式中Z离合器的摩擦面对数；s离合器各摩擦面间应保持的间隙。Fnk 式中k弹簧刚度。由此可知，离合器彻底分离时作用在执行件分离拉杆6上的工作阻力Fr为FrFn+Fn 故有 Fc(Fn+Fn)/(ic)ic=(bd”f”)/(ace”)=(各传力构件主动力臂乘积)/(各传力构件被动力臂乘积)式中的d”、e”、f”是离合器彻底分离时的各传动件的力臂长度，见图7-5。图7-5中d、e、f是离合器刚开始分离时各传动件的力臂长度。a
11、、b、c各件长度较短，可视为在上述两种情况下长度均无变化。若操纵力计算值超过人机工程的推荐值，应使其减小 例：改变传动比，把手操纵改为脚操纵，因为脚力较手力大。建议变速箱设计：手操纵力150N，脚操纵力180N。车辆的方向盘上的操纵力400N。2.操纵行程操纵行程 Sc操纵件完成操纵任务时的位移量。Sc=icSex 式中Sex执行件的行程；ic操纵系统的传动比。Sc大则操纵功大，使人易疲劳。Sc值应使人体在不移动位置的情况下能方便地达到。3.传动比传动比 ic传动件的主动力臂与从动力臂之比。ic=Fr/Fcp 式中Fcp人机工程学或者经验值确定的许用操纵力 ic值决定于传动机构中件的尺寸，应按
12、在克服最大操纵阻力时所在的位置确定，如图7-5中各力臂a、b、c、a、d”、e”、f”。初选传动机构后，按式ic=Fr/Fcp初定各传动件的尺寸，进行结构设计。然后，根据结构尺寸精确计算传动比ic，并按式Fc=Fr/(ic)验算操纵力Fc。如果Fc超过推荐值，则应调整传动件的尺寸。必要时，可重新选择传动方案。确定icx时要全面考虑Fc和Sc两方面。执行件的工作阻力Fr一定时，ic大则Fc小，操纵就省力。但是，由式Sc=icSex可知，当执行件行程Sex一定时，ic大则Sc大，操纵行程大易使操纵者疲劳。有些机械给出了传动比的推荐值。例：变速箱操纵杆球形铰接支承为杠杆支点，以上部分为主动臂，以下部
13、分为从动臂。主动臂长度/从动臂2.53.5；车辆方向盘的旋转总圈数应1.52.0圈 机床手柄的转角90。4.带助力器的操纵系统带助力器的操纵系统 图7-6，它是在杠杆系统的某一适当环节上加装一个液压助力器。计算助力器所能产生的推力 Fp=(/4)(Dad2-dad2)pad 式中，Dad助力器液压缸内径；dad助力器活塞杆直径；pad助力器中压力油的工作压力。计算助力器活塞移动速度 vad=sex/t式中，sex操纵系统中执行件的行程；t操纵系统中执行件的移动时间。确定助力器工作需要的压力油流量：qVad=(/4)(Dad2-dad2)vad Fp、pad、vad和qVad是选择和设计助力器的
14、原始参数。若采用液压泵做动力源，也是选择液压泵的依据。有关助力器的选择和液压系统的参数确定，可参阅有关资料。采用带助力器的操纵系统，人施加的操纵力与执行件推力之间没有直接的联系。因此，对操纵件与助力器的连接构件不再进行力的计算，仅考虑行程关系。7.2.2 操纵系统的原理方案设计操纵系统的原理方案设计 任务任务：根据设计任务要求，如执行件的运动轨迹、速度和被操纵件的数目以及各执行件之间的关系，来选择操纵件、执行件和传动机构的方案，确定主要设计参数及有关几何尺寸。例例：图7-7。这是一种顺序变速的集中操纵系统。用一个操纵件1通过两个执行件(拨叉3和6)，分别操纵两个被操纵件(变速齿轮4和5)，且操
15、纵位置有一定的顺序关系。圆柱凸轮8上开有两条沟槽a和b，沟槽a经2和3操纵4，沟槽b经7和6操纵5，由此得到6种转速。件1每转60得到一种转速。由于沟槽曲线形状是按一定变速顺序设计的，因此从一个速度变到另一个速度，经中间各级转速，故称顺序变速。图b为圆柱凸轮8的廓线展开图，表明两条沟槽的曲线形状，图中至表示两个滑移齿轮相应的6个位置 凸轮传动操纵系统原理方案设计的要点：1)分析执行件的运动规律，绘制凸轮的行程曲线。对于图7-7，其执行件的运动规律就是被操纵件(滑动齿轮4和5)的位置变化规律，凸轮的行程曲线就是图b所示的凸轮槽曲线；2)绘制凸轮理论曲线，包括确定凸轮机构尺寸(凸轮基圆半径Rb和滚
16、子直径dr)和绘制凸轮轮廓曲线；3)验算凸轮曲线不同曲率半径处的压力角。为保证操纵系统省力和凸轮不发生自锁，最大压力角max不得大于推荐的许用值。常用的凸轮曲线有圆弧、直线和阿基米德螺线；4)绘制凸轮的工作图；5)确定从动件的杠杆尺寸，杠杆比由凸轮升程的执行件移动距离确定。7.2.3 操纵系统的结构设计操纵系统的结构设计 任务任务：在原理方案的基础上形成各个部分的形状和尺寸形状和尺寸。例例1：图7-8。(1)操纵件操纵件：变速杆变速杆8是操纵件，采用球型支座结构或十字销轴结构。球铰直径一般为3045mm。为使球头紧贴在支座上，在变速杆8上装有压紧弹簧7。弹簧的压紧力一般是变速杆重力的24倍，但
17、不应小于60100N。若变速杆是弯杆，应在球头上切槽，用止动销10防止变速杆绕自身轴线转动。(2)执行件执行件：拨叉拨叉13、14、15及16。拨叉是操纵系统中最常用的执行件，其优点是传动方式简单，占用的结构空间小，易于布置。拨叉的形状及其尺寸受被操纵件(如滑移齿轮)的结构和位置的约束，可以设计成各种不同形状。为了提高拨叉刚度，应尽量缩短悬臂长度，在缩小结构尺寸和减轻重量的同时，用加强肋来提高拨叉的抗弯刚度。拨叉一般采用锻件，用螺钉紧固在滑杆上。(3)传动件传动件：一般采用杠杆系统，图7-5所示的结构是其中的一种。图7-8，采用了三根滑杆滑杆(又称拨叉轴拨叉轴)1、2、3，使变速杆的摆动转变成
18、拨叉的移动。每根滑杆上装一个拨叉，可变换两个位置，以实现两种速度的变换。拨叉移动的距离应等于两档齿轮之间的距离。每根滑杆上有三个切槽，用以在挂档或空档时定位拨叉，以免因机械振动而滑移，造成脱档现象。滑杆端头的深槽供变速杆移动，其槽深应保证变速杆处于两个换档极限位置时，杆端不会从槽中脱出。(4)辅助件辅助件：起安全保护作用的元件。图7-8中的锁销12及其上的弹簧。例例2：图7-9。(1)操纵件操纵件:操纵杆15。(2)执行件执行件:左右制动蹄3 (3)传动件传动件:制动拉杆12，蹄片操纵臂11，前蹄臂10，制动臂拉杆9，后蹄臂7 (4)辅助件辅助件:棘爪13 图7-9a。当驻车操纵杆15顺时针方
19、向运动时，通过12带动11逆时针方向摆动，推动10和左侧制动蹄右移，同时通过9拉动7，压缩8，使右制动蹄左移，两制动蹄即夹紧2，产生制动作用，并由棘爪13将操纵杆锁定在制动位置上。图7-9b。1用螺钉固定于变速器壳体的后壁。铸铁的通风式2与变速器第二轴的花键套凸缘连接，在2的前后两侧各有一块端面上铆有扇形摩擦片的3，3的中部用销钉与10和7的中部铰接。7和10的上端各用销钉铰接在支架上，两制动蹄3下端用弹簧拉紧，使其上端抵靠着支架上的4。9穿过两制动蹄臂下端的孔，并与11的中部用销钉铰接，11的下端以销钉与10的最下端相连。套在拉杆上的8使两侧的制动蹄分开。为了使各运动副磨损后便于更换，该制动
20、器的各主要运动副都增设了衬套，并将15改为冲压件以美观外形，方便操作。7.2.4 操纵系统的安全保护操纵系统的安全保护 操纵系统的安全保护有两方面:操纵系统中的安全保护装置：常用自锁机构和互锁机构的实现。操纵环境的安全保护：对操纵环境的不安全因素采取必要的安全防护措施。操纵环境操纵环境：指操作者进行操作时的工作环境。操纵环境的安全保护是正确操纵的重要保证。1.自锁机构自锁机构 自锁机构自锁机构：以一定的预压力把操纵件、执行件或中间的某传动件固定在规定的位置上，只有所施加的操纵力大于这个预压力，操纵件或执行件才会动作。例例：图7-8，采用锁销12及其上的弹簧和滑杆1、2、3上的切槽形成自锁机构。
21、锁销12在弹簧力作用下，紧压在滑杆的切槽里，当作用在滑杆上的操纵力大于此压紧力的水平分力和有关运动件的摩擦阻力之后，滑杆才能滑动，并带动各执行件(拨叉13、14、15、16)实现换档。这样，就保证了换档齿轮不会自行移动造成自动挂档和脱档，且能保证滑移齿轮移动到位达到全齿长啮合。例例：滑杆上的切槽形状切槽形状一般有两种：半圆形和V形，见图7-10。槽的夹角将影响移动滑杆需要的操纵力大小。半圆形切槽在球窝边缘磨损后，角减小，会使滑杆移动的轴1向力减小，因此，它的自锁性能不如V形切槽。2.互锁机构互锁机构 互锁机构互锁机构：使操纵系统在进行一个操作动作时把另一个操作动作锁住，从而避免机械发生不应有的
22、运动干涉，保证在前一执行件的动作完成后才可使另一执行件动作。例例：变速箱中不会同时挂两个档；在离合器和制动器配合动作的操纵系统中，应保证 离合器先脱开、制动器后制动，以及制动器先松开、离合器后接合。图7-12，图a两杆互锁，在1和5相对的侧面切槽，并在其间装入一个互锁销2，就构成了一个简单的互锁机构。2的长度是按如下原则设计的：当互锁销2的一端卡入滑杆1的切槽里面时，另一端则应正好退出滑杆5的切槽。这时，变速杆可拨动5，并带动其上的拨叉实现换档，而1则被2锁住；当拨动5使其切槽对准2时，可拨动1，使2右移而卡入5的切槽，从而实现了1与5的互锁。图b三杆互锁。要用三个互锁销。3.操纵环境的不安全
23、因素操纵环境的不安全因素 造成操纵失误的环境因素 机械系统的干扰机械系统的干扰：来自被操作的机械和周围的其他机械，如机械运转时零件损坏或未卡紧的工件飞出伤人或干扰操作，机械磨损和发热造成的操作失灵，机械运转时的振动、噪声、粉尘、油污、高温以及操作位置不适宜给操作者带来的不适宜感觉等。自然环境的干扰自然环境的干扰：对操作安全性影响很大，尤其是室外作业的机械。温度、湿度、粉尘等会使操纵系统提前失效，并且会刺激和影响操作者的生理机能、情绪和心理状态，构成操纵不安全的潜在因素。操作者的干扰操作者的干扰：来自操作者的不安全因素包括人体健康、心情、情绪以及由此而造成的生理和心理的不良变化。如振动和噪声使人
24、烦躁和疲劳，单调乏味的操作容易使人困倦，过冷和过热、光线过强和过弱、风霜雨雪的侵袭等，都会使操作者感到不舒适，使操作者失去操作的耐心和分散操作的注意力。4.操纵环境安全防护的措施操纵环境安全防护的措施 (1)在机械系统中加装保护装置在机械系统中加装保护装置：例：对机械的危险操作区实行安全隔离或加防护罩；在汽车、拖拉机等室外行走机械上安装驾驶室等。图7-13，桑塔纳轿车转向轴分为上、下两段，上段5的下部弯曲，其端面焊有3，盘上装有两个驱动销9与2上端的4上的两孔配合，4的两孔中还装有尼龙衬套和橡胶圈。这种两段式而又保持其同轴度的转向轴结构是采用瑞典伏尔伏公司的专利，其目的是当发生撞车事故驾驶员因
25、惯性而以胸部扑向转向盘时，可迫使转向轴上段5向下运动并使两个驱动销迅速从下段4的销孔中退出，同时在7的推动下，装在仪表板下面的折叠安全装置6被压缩、折叠，从而形成缓冲以减少对驾驶员的伤害。课堂作业：试画出桑塔纳轿车（图7-13）两段式转向轴结构的组件图。(2)提高操作者作业环境的舒适性提高操作者作业环境的舒适性：作业环境的噪声超过劳动安全保护规定的限值时，设置必要的隔声装置或专用的隔声操作室；改善座椅的舒适性；保持操纵环境安静、清洁、明亮、色彩柔和与协调；在行驶机械上采用宽大的前窗，以改善操作时的视野；保持操纵环境有合造的温度、湿度及良好的通风和采光，必要时可在工作室加装采暖、通风和空调等装置
26、。(3)设置指示和警报装置设置指示和警报装置：为引导操作者正确操作，应设置操作指示仪表和信号显示装置，如指示标牌、指示灯和音响信号装置等。当有误操作或机械系统发生故障时，能指示故障部位，发出警报并采取停机措施。7.3 操纵系统与人机工程学操纵系统与人机工程学 合理设计操纵系统的重要前提：依据人的心理、生理特征和规律设计操纵系统。明确：操纵系统是人机系统的子系统。人在人机系统中起主导作用。人发出指令操作机械进入新的状态机械仪表反映信息人从环境或仪表中得到信息大脑作出判断新的操作。人与机械相比，人存在着弱点：体力小、反应速度不快、准确性不高、记忆力有限和易疲劳等。7.3.1 人的体能参数人的体能参
27、数 1.站立时人肢体的能力范围和用力范围站立时人肢体的能力范围和用力范围 (1)站立时人肢体的动作范围站立时人肢体的动作范围 图7-16人手的活动角度 图a最大，图b最有利：单手操作时为侧60方向，双手操作时为左右各侧30方向，正前方向是双手准确轻松操作的方向。(2)站立时人肢体的用力范围站立时人肢体的用力范围 人手作用的力有握力、推力、拉力、提力、扭力和举力等 一般人的右手握力约380N，左手握力约350N。一般青年男子右手瞬时最大握力有560N，左手有430N。握力与手的姿势和持续时间有关，当持续一段时间后，握力显著下降。2.坐势操纵的能力范围和用力范围坐势操纵的能力范围和用力范围 (1)
28、坐势操纵的能力范围坐势操纵的能力范围 图7-18 图a，坐势右手臂伸直在不同高度时手的可及范围，AF表示手离开座椅的高度分别为50、225、560、1170、1015、865mm时手的可及范围；图b，坐势右手臂伸直在不同角度时手的可及范围，AF表示手臂伸展方向与正前方向的夹角分别为45，105，0，15，75时手的可及范围；图c所示为坐势右手臂伸直且离开座椅高度为400mm、作水平活动时手的可及范围，AF代表统计的不同身材人的上肢活动范围，其中B表示男子统计中数，E表示女子统计中数。图7-19表示坐势下肢的活动范围。(2)坐势操纵的用力范围坐势操纵的用力范围 手臂的拉力和推力大小与坐势有关。脚
29、操纵力可较手操纵力大一些。坐势手臂最大拉力可达900N左右，最大推力可达1000N左右。脚的蹬力以右脚屈膝160时为最大，可达2600N左右。3.人的视力范围人的视力范围 视力视力：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。视野视野：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，在水平方向约为120。转动眼球和头部可以放大视野。颜色对视野也有影响，白色的视野最大，其次为黄色和蓝色，绿色的视野最小。视距视距：指人的眼睛清晰辨认物体的正常观察距离。最佳视距：700750mm，最大视距：760mm，最小视距：380mm。视距过远或过近会使
30、辨认与反应速度以及辨认的准确性降低。人的视力规律人的视力规律：眼睛的水平运动比垂直运动快：先看到水平方向的东西，后看到垂直方向的东西。视线习惯于从左到右和从上往下运动，看圆形内的东西时，总是沿顺时针方向看得迅速。眼睛朝上下方向运动比按水平方向运动容易疲劳，对水平方向的尺寸和比例的估计比对垂直方向的尺寸和比例的估计要准确得多。7.3.2 手操纵件的布置原则手操纵件的布置原则 常用的手操纵件：手柄、手轮、旋钮和按键。以人的躯体不动来考虑操纵件的布置以人的躯体不动来考虑操纵件的布置。这是为了保证操作者操作时用力适度和不易疲劳。应尽量采用坐势应尽量采用坐势。这样身体易平衡，且易出力。操纵姿势分立势和坐
31、势两种。一切操纵件都应布置在人的肢体活动最有利一切操纵件都应布置在人的肢体活动最有利的区域内的区域内。最常用的操纵件要布置在最有利工作范围内。最重要的操纵件应布置在最显眼又便操作的最重要的操纵件应布置在最显眼又便操作的方位方位。紧急停车操纵件应与其他操纵件分开布置，并要在手(脚)活动最灵活、反应最灵敏的地方。操纵件的排列应操纵件的排列应适应人的操作习惯适应人的操作习惯，按照操作顺序和逻辑关系进行安排。同一台机器的操同一台机器的操纵件，其操纵运动方向纵件，其操纵运动方向要一致要一致。凡直线运动的操纵件，以右、上、前右、上、前表示开开或增大；左、下、后表示开或减少；例例：扳动手柄开关、按钮、滑杆等
32、。凡旋转运动的操纵件，则以顺时针顺时针方向表示增增大大，逆时针方向表示减少。应使顺时针方向旋转对应于执行机构的工作行程。但是，单个摇把和手轮开停位置垂直布置时，图7-20d。操纵件的空间位置操纵件的空间位置必须考虑操作者的视力范必须考虑操作者的视力范围围。一般应尽量布置在视线内的地方。但在视觉条件较差，或不需要视觉察看的条件下，也可布置在通过人体的触觉功能和操作习惯就能进行有效操作的地方。操纵件之间的距离要适当操纵件之间的距离要适当。为便于操作和互不干扰，操纵件之间应保持一定的距离。为形成流畅的操作路线，依据操作顺序的先后，操纵件相互间尽量安排得接近些。图7-21，作用力的发挥与人体站立姿势以
33、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。图a应使其转轴中心线与人体站立的垂直面成6090夹角；图b转轴中心线应水平放置；图c手柄应位于齐肩高度，以推力操纵为好。7.3.3 手操纵件的造型手操纵件的造型操纵件的作用：完成操纵机械的任务，装饰和点缀，提高整机的价值。手操纵件的造型手操纵件的造型设计应注意以下各点：手柄和手轮手柄和手轮：要重视手柄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应避免手掌与柄部完全贴合。手柄和手轮手柄和手轮的断面形状和线条应简单大方;有特殊操纵要求或起点缀 作用的手轮内壁涂鲜明
34、醒目的颜色。手柄端部装上有色塑料球头或把手，以引人注目。一般宜用朱红、中黄、桔黄、浅蓝等颜色。手柄和手轮应手感舒适，色质柔和，不宜过多地镀亮铬。为了便于识别便于识别和记忆，各操纵件最好采用采用不同形状的柄部不同形状的柄部或不同颜色的按钮不同颜色的按钮 应使旋钮旋钮指明旋转的刻度位置。最好将旋钮上的手捏部分手捏部分设计成一头尖一头尖的形状，或做上醒目的标记标记。旋钮造型造型应具有线条简洁大方的形体，要与机械造型的风格一致。颜色颜色以素雅为宜(除特殊规定外)，多用黑色、金属灰色和乳白色。需要突出标记的旋钮宜涂饱和度高、明亮度大的颜色，如白、浅黄、浅蓝、朱红、黑色等。采用复合多功能操纵件采用复合多功
35、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。键盘式按键开关键盘式按键开关：在按键上可注上文字或图形，便于识别和记忆。键盘式按键开关优点优点：占用空间小，操作时视力范围集中，手的活动范围小，操作省力，反应快以及准确性高。7.3.4 脚操纵件的设计原则脚操纵件的设计原则 应尽量采用右脚应尽量采用右脚。在用力大小、速度和准确性方面，一般人的右脚都优于左脚。根据操纵力较大小选择脚掌着力和脚趾着根据操纵力较大小选择脚掌着力和脚趾着力力。当操纵力较大(大于50N)时，宜用脚掌着力为好，此时实际上脚掌与脚趾同时起作用，脚不经常放在踏板上。图7-22 a、b适用于操作次数不多但用
36、力较大的情况，例：汽车制动踏板。当操纵力较小(小于50N)或需快速连续操纵时，宜用脚趾操作为佳，此时脚后跟要维持不动，脚可不离开踏板。图7-22 c、d适用于操纵频繁而用力不大的情况，例：脚踏电气开关。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起动阻应使脚操纵件具有一定的起动阻力力。此力应大于脚自由放在踏板上的力，当不操作而脚仍需停放在操纵件上时操纵件至少要有40N的阻力，以防止脚的无意蹬动。当用脚踏开关或者手脚一起操作时，下肢下肢活动范围不允许太大活动范围不允许太大。7.4.5 显示器的布置显示器的布置 1.对显示器的基本要求对显示器的基本要求：容易认读；
37、观察不易疲劳；读取精度高。2.布置区域的划分布置区域的划分:见图7-23 3.布置原则布置原则 操纵件与显示器应尽量布置在同一平面内，并布置在视区和操作区的最佳范围内布置在视区和操作区的最佳范围内。操纵件与显示器配合使用时，无论它们是在同一平面或不在同一平面，操纵件的操纵方向操纵件的操纵方向都要与显示器的指示方向相一致都要与显示器的指示方向相一致，并要布置在显在显示器的下方或右方示器的下方或右方(右手操作)，以避免操作时手遮挡了显示器(图7-24)。图7-25为左右手同时操作时的对应关系。操纵件与显示器的数量较多时，要按功能进行按功能进行分组布置分组布置。每一组都用线条或颜色(颜色要整体协调)
38、分隔，各组应有明显的轮廓，使之易于操作和检核。其布置顺序是由左至右由左至右或由上至下由上至下。图7-26。成排的由上至下布置时，每排中的次序是由左至右。图7-27。若是同心成层的操纵件同心成层的操纵件，则显示器可围绕操纵件布置成半月形围绕操纵件布置成半月形或由左至右排成直线形由左至右排成直线形，上层上层的小旋钮控制左边左边的显示器，中间旋钮控制中间的显示器，下层的大旋钮控制右边的显示器。应把多个仪表布置在中心视力范围和正常视野之内，并用色彩来增强视觉，尽量减少头部和身体转动，以减轻疲劳。根据仪表的数量和控制室的容量，选择不同的布置方式：图7-27。(a)直线形布置：结构简单，安装方便，但视觉条
39、件较差，且眩光耀眼现象较难解决。适用：仪表较少的小型小型控制室。(b)弧形布置：结构和安装较复杂，但视觉条件较好，眩光不严重。适用：10个以上仪表的中型中型控制室。(c)弯折式布置：结构和安装比较简单，视觉条件较好，眩光较少，可根据需要和仪表的多寡灵活地组合。7.4 控制系统的作用、组成和分类控制系统的作用、组成和分类 7.4.1 控制系统的作用控制系统的作用 使各执行机构按一定的顺序和规律运动；改变各运动构件的运动方向和速度大小；使各运动构件间有协调的动作，完成给定的作业环节要求；对产品进行检测、分类以及防止事故，对工作中的不正常现象及时报警并消除。各种不同类型的机械系统对控制系统的要求差异
40、较大。对于自动化程度不高的机械系统，很多控制作用是由人工完成的，而对于自动化程度高的机械系统，大部分控制作用是由自动控制系统完成的，故其控制系统较复杂。早期机械系统中，人作为控制系统的一个关键环节起着决定作用。自动控制系统中，人的作用被某些控制装置所取代。自动控制系统自动控制系统：指由控制装置和被控对象所构成的，能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。7.4.2 控制系统的组成控制系统的组成 控制系统的种类很多，其组成各不相同。就控制系统的作用来看，控制系统组成：控制部分：接受指令信号和被控对象的反馈控制部分：接受指令信号和被控对象的反馈信号，并对被控部分发出控制信号信号，并对被控部分发出
41、控制信号。被控对象：接受控制信号，发出反馈信号，被控对象：接受控制信号，发出反馈信号，并在控制信号的作用下实现被控运动并在控制信号的作用下实现被控运动。控制系统的每一个控制作用是由一定的控制环节完成。各控制环节由中央控制器联系成为自动控制系统。中央控制器，如自动车床的凸轮轴，可以通过杠杆、拨叉、连杆和滑块等使各部件按预定的先后顺序动作，实现自动控制作用。通常认为，一般控制系统由以下3个基本环节组成：发令环节发令环节：其作用是发出控制的原始指令。按指令的能量形式不同，发令环节有机械的、电气的、光电的、气动或液压的等。例例：档块行程开关、凸轮、靠模、自动化量仪、继电器、磁带等。执行环节执行环节：它
42、是最终完成控制作用的环节，也有机械的、电气的、气动或液压的以及它们的组合等多种形式。即被控部分。例例：拨叉、离合器、电磁铁、电动机等。转换环节转换环节：它的作用是将发令环节所发出的控制指令传给执行环节。这个传递过程可以是简单的传递，也可以是在传递过程中改变指令的量或质。所谓量的转换是指将指令位移能量放大或缩小，或将指令传到执行器官的时间滞后于发令时间等。质的转换是指能量形式的转移，如将电的原始指令转换成液压指令，再传给执行环节。例例：各种机械传动机构、电磁阀、电液放大器、时间继电器等。控制系统按有无反馈分为两类按有无反馈分为两类：开环控制系统开环控制系统：特点是指令的程序和特征是预先设计好的，
43、不因被控对象实际执行指令的情况而改变。例例：图图7-29所示为数控线切割机的进给系统。输入信号x(t)经控制器控制步进电机转角，再经齿轮、丝杠和螺母驱动工作台作y(t)直线运动。在这一系统中未对工作台的实际位移进行测量，更未将y(t)反馈给控制器，故这是一个开环控制系统。图7-30为开环控制系统的框图。其优点是比较简单；缺点是被控对象实际运动的情况和指令要求的运动情况可能有差异，其精度和可靠性，受各环节工作精度和干扰的影响，一般较低。闭环控制系统闭环控制系统：也称自动调节系统。在这种系统中有比较装置和测量装置。测量装置将被控对象的实际运动情况转换成与原始指令信号相同的能量形式的反馈信号，送到比
44、较装置对两种信号进行比较，当两者不相符时就产生误差信号，驱使被控对象沿减少误差的方向运动，直到运动误差为零或极小为止。闭环控制系统的优点：精度和可靠性高；缺点是复杂，费用大。图7-31所示为机床的工作台位移闭环控制系统示意图。微机从输出端口将指令信号以脉冲形式输给步进电机，通过其转动的角度，驱动工作台位移，检测元件(回转编码器)测出输出量(电脉冲数)送到比较元件(计数器)与输入信号进行比较，得出偏差信号，再用以控制输出量。图7-32为闭环控制系统的框图。典型的闭环控制系统的组成如下：(1)给定环节：给出与反馈信号同样形式和因次的控制信号，确定被控对象“目标值”。(2)测量环节：用于测量被控变量
45、，并将被控变量转换为便于传送的另一物理量(一般为电量)。它一般是一个非电量的电测量环节。(3)比较环节：将输入信号X(s)与测量环节发出的有关被控变量Y(s)的反馈量信号B(s)进行比较。经比较后得到一个小功率的偏差信号E(s)X(s)B(s)。(4)校正及放大环节：将偏差信号作必要的校正，然后进行功率放大以便推动执行环节。(5)执行环节：接收放大环节的控制信号，驱动被控对象按预期规律运动。给定环节、测量环节、比较环节、校正放大环节和执行环节一起，组成了控制系统的控制部分，实现对被控对象的控制。7.4.3 控制系统的分类控制系统的分类1.按指令发出的次序分类按指令发出的次序分类 时间控制系统时
46、间控制系统：特点是按时间次序发出原始指令，即由中央控制器每隔一定时间发出指令来控制各工作部件的运动。这种系统在机械驱动方案中应用广泛。其优点是发令环节集中在一起，调整方便，系统也较简单；缺点是各工作部件的运动无联系，若某一部件出现故障对，其它部件依然运动，会造成碰撞或干涉等事故。继动控制系统继动控制系统：特点是只有当上一个工作部件已完成了预定的任务后，才能发出接通下一个工作部件的指令，使各部件依次运动。这种系统没有中央控制器。此种系统的优点是具有连锁作用，工作安全可靠；缺点是较复杂，发令环节过于分散，使调整不便。常用于控制较简单的工作循环。2.按给定量分类按给定量分类 恒值控制系统恒值控制系统
47、：又称自动调整系统。特点是被控量保持恒定或基本恒定。在恒值控制系统中，即，给定值为恒定值，它和被控量所要求的值是对应的。被控量是电网电压、频率等电量和原动机的转速等 例例：电阻炉温控制系统。电源自动稳压系统。(2)程序控制系统程序控制系统：特点是被控量按预先确定的规律变化。即，给定量是已知的时间函数或按预定规律变化。又称过程控制系统。这里过程是指在某设备中将原材料经过一定处理而获得产品的生产过程。被控量通常是温度、压力、流量、液位、粘度等过程控制量。例例：金属冶炼炉温控制系统。高炉程序加料系统。(3)伺服控制系统伺服控制系统：特点是与被控量相应的给定值的变化规律预先不能确定，即，给定量是未知变
48、化规律的任意函数。被控量是力、力矩、位移、转角、速度、加速度等力学量。在这种系统中，执行环节的运动跟随控制环节的运动(或输入信号)的改变而变化，且被控量能迅速而精确地响应给定值的变化，所以，又称随动控制系统，或称自动跟踪系统。该类系统的作用通常是用小功率信号去推动大功率装置并令其跟随变动。例例：数控机床的进给驱动系统。炮瞄雷达天线控制系统。3.按系统的元件特性、信号作用特点元件特性、信号作用特点分类 (1)连续控制系统与断续控制系统 连续控制系统：不包含断续元件，各个组成元件输出量都是输入量的连续函数。断续控制系统：包含有断续元件。断续控制系统又可分成：继电控制系统和离散控制系统。离散控制系统
49、又分为：脉冲控制系统：采样控制系统，包含脉冲元件 数字控制系统：包含数字逻辑元件。(2)线性控制系统与非线性控制系统 线性控制系统：各组成元件或环节不包含非线性元件。线性系统用线性方程来描述，并符合叠加原理。非线性控制系统：包含有非线性元件或环节，其输入量与输出量之间是非线性关系。非线性系统用非线性方程来描述，不符合叠加原理。(3)定常(常系数)控制系统与时变(变系数)控制系统 定常控制系统：各元件及环节的参数都不随时间而变化。时变控制系统：包含有变系数环节、元件或对象，其参数随时间而变化，如化学反应器控制系统。4.按系统结构特点结构特点分类 按回路 单回路控制系统；多回路控制系统 按反馈 开
50、环控制系统：系统内不存在主反馈回路 闭环控制系统：具有主反馈回路。复合控制系统：既有主反馈又有前馈的开环、闭环结合的系统。按级数 单级控制系统；多级控制系统 按结构 固定结构控制系统；变结构控制系统 5.按控制系统的功能功能分类 自动调节系统；最优控制系统；自学习控制系统；自适应控制系统 6.按自动化技术工具特点工具特点分类 常规仪表常规仪表控制系统；计算机计算机控制系统。7.按元器件及装置的能源能源分类 机械控制系统；液压控制系统；气压控制系统；电力拖动系统；电气控制系统；混合控制系统 例例：数控机床的进给系统是线性、定常、多环(闭环)、连续(或离散)的伺服系统。7.5 常见的自动控制系统常
