基于人机工程学的蜂窝芯零件清洁装置设计

2018-12-05袁信满赵清泉侯天棋

组合机床与自动化加工技术 2018年11期

高清，袁信满,，赵清泉，侯天棋，盛雷

(1.成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610092；2.西南石油大学机电工程学院，成都 610500)

0 引言

随着新一代航空装备技术的发展，蜂窝芯零件因具有耐腐蚀、抗冲击、抗疲劳，吸收振动能量和热稳定性好，以及优良的绝缘性能和透电磁波等一系列特性，已经广泛应用于航空结构件上[1-2]。蜂窝芯零件结构不同于实心金属，仅由厚度为0.05～0.1mm的芳纶纸围成的多个6方孔格组成，孔格边长2～5mm[3]。蜂窝芯沿6方孔格的纵向有一定的强度，其横向伸缩性大[4]。因此，蜂窝芯零件作为各向异性多孔结构材料，其加工机理不同于传统金属材料的加工，是典型的难加工材料[5]。

目前，比较成熟的蜂窝芯零件成形方法是采用组合式铣刀高速铣削加工，铣刀的底部刀片切断蜂窝芯材料，蜂窝切屑被刀具上部分锯齿粉碎，但是粉碎蜂窝切屑的过程中产生了大量的粉尘，给操作人员的健康带来了严重的危害。谢坤等对蜂窝芯零件的制备过程进行了阐述，指出了蜂窝芯零件加工中产生的粉尘对人体的极大危害[6]，李炎等在文中说明蜂窝芯零件在加工过程中产生的有毒粉尘对操作人员健康造成的影响[7]，高涛等在对蜂窝芯零件的加工现状和存在的问题中说明蜂窝芯零件加工环境的恶劣[8]。为了保护工厂环境和工人的健康，加工厂不得不采取一系列的措施来封闭加工区域并增添除尘设备。即便如此，高速铣削加工后产生的大量粉尘，除了机床的吸尘装置把一部分粉尘吸附走外，还有很大一部分存留于蜂窝芯表面及晶格内，这给蜂窝芯零件的清理带来了难题。

本文针对蜂窝芯零件清理过程中出现粉尘大、清理不彻底、劳动强度大，人易疲劳等问题，通过现场调研，基于人机工程学原理，提出了一款蜂窝芯零件切屑清理装置。改善了蜂窝芯零件的清理条件和环境，保护了工人的身心健康，降低了工人的疲劳强度。

1 蜂窝芯零件清理现状

蜂窝芯材料作为一种新型高性能材料,其整个生产过程一直被国外的相关企业视为核心技术，对外并未公布。国内也仅有几家单位能对其进行加工制造，而针对蜂窝芯零件加工完后的切屑清理问题，国内还没有相关学者对其展开研究。因此，为了解蜂窝芯零件的清理现状，笔者深入现场展开了调研，得出目前蜂窝芯零件的清理大多为如下两种方式。

1.1 蜂窝芯零件的落地清理

图1为蜂窝芯零件的落地清理示意图，是目前各加工厂蜂窝芯零件清理现场最常用的方法。它是在蜂窝芯零件加工完后，将其放置在纸板上，然后依靠工人采用清洁器对蜂窝芯切屑进行清理。该方法基本上能满足零件的清理，但是存在以下几个方面的问题:

(1)清理过程中需要工人抬起清理部位进行吸附清理，不然会造成清洁器和纸板之间形成吸附闭环，零件清理不干净。

(2)零件摆放在纸板上清理，清理过程中掉落粉尘会散落纸上，粉尘难以回收，对周边操作人员的身体健康带来了极大危害，也影响周边环境。

(3)操作工人需要采取弯腰或蹲下的姿势清理蜂窝零件内部，劳动强度大。

(4)清理时间长，效率低，操作人员易疲劳。

图1 蜂窝芯零件的落地清理

1.2 蜂窝芯零件的压缩空气清理

图2为采用压缩空气对蜂窝芯零件清理示意图，采用压缩空气能快速完成对蜂窝芯零件的清理，清理效果好，但是压缩空气清理蜂窝芯零件易将粉尘扬起，零件清理完后，操作人员身上已是一层粉尘，给操作者的健康带来极大的隐患；压缩空气清理零件，其冲击力大，真空喷头易滑落碰伤零件，造成零件故障。

图2 蜂窝芯零件的压缩空气清理

2 蜂窝芯零件清洁装置人机关系分析

人机工程学把人的因素作为产品设计的重要条件和原则，研究人-机-环境的相互作用，以达到人-机-环境系统总体性能的最优化。研究表明，在设计和生产中应用人机工程学是必要和有效的[9]。在这样一种人-机系统中，人是核心因素，蜂窝芯零件清洁装置设计时应全面考虑“人的因素”提供的人体结构尺度、人体生理尺度和心理尺度等数据，并将这些数据有效地运用到设计中去，从而设计出适合人使用的产品[10]。

本文将蜂窝芯零件清洁装置置于人-机-环境系统中，按人机工程学原理进行设计，主要从蜂窝芯零件清洁装置中清洁车的整体结构、尺寸、切屑排除口，以及吸尘防护套等方面探讨蜂窝芯零件清洁装置的人机工程学的设计问题，以使蜂窝芯零件清洁装置的设计更成熟，使用者在操作时更方便、舒适。

2.1 蜂窝芯零件清洁装置的结构设计

图2为蜂窝芯清洁装置示意图，由吸尘器和清洁车两大部分构成，其中清洁车采用符合人机学站位的漏斗形设计，这样设计，可以提高站立操作的舒适性，大大减少操作人员的腰部疲劳，其由线棒、万向轮、转接头、切屑排除口、挡板组成；其中吸尘器由吸尘主机、吸尘软管、吸尘防护套组成。

转接头将不同长度的线棒固定在一起形成线棒框架，在线棒框架下方安装万向轮，在线棒框架四周安装挡板通过胶带将所有缝隙粘住，通过吸尘软管连接吸尘器该装置，即可对蜂窝零件进行彻底清理。

1.线棒 2.万向轮 3.转接头 4.切屑排除口 5.挡板 6.吸尘软管 7.吸尘器 8.蜂窝零件 9.吸尘防护套图2 蜂窝芯清洁装置结构简图

2.2 蜂窝芯零件清洁装置的人机设计

2.2.1 清洁车尺寸设计

在清洁车的尺寸设计中，在考虑到人机关系的同时，综合零件尺寸进行设计，才能达到以人为本的实际生产需要。

(1)清洁车水平作业面的面积

蜂窝芯零件的清理是在清洁车的水平作业面上进行，水平作业面必须符合人体尺寸的适应域。如图3所示，人员在操作平面作业时，作业区域分为正常作业区域和最大作业区域。对于正常作业区域，作业者应能在小臂正常放置而上臂处于自然悬垂状态下舒适地操作；对最大作业区域，应使在臂部伸展状态下能够操作，且这种作业状态下不宜持续很久，当人站立操作时，上身可以倾斜，所以最大操作区域应再加上100～200mm的修正值[11]。

上述讨论的是单边单手作业区域，实际工况中，由于底部安装了万向轮，可以通过四周来实现蜂窝芯零件的清洁，清洁车水平作业面的宽度应为正常作业区域半径或最大作业区域半径的两倍；同时现场实测得出蜂窝芯零件的最大宽度为1200mm，最大长度为1600mm，结合零件尺寸，清洁车水平作业面的长度选择1700mm，宽度选择为1300mm。

图3 蜂窝芯清洁人员水平作业示意图

(2)清洁车高度

图4为蜂窝芯零件清理三维示意图，由于蜂窝芯材料加工环境的特殊性，作业人员均为男性，因此男性的肘部高度数据在清洁车高度设计中必不可少。据调查研究表明，我国成年男性的平均立姿肘高为H1=1024mm[12]。工作人员在立姿情况下，工作平面最合适的高度是低于人的肘部高度H0=76mm[13]。依据人体尺寸数据标准，把立姿肘高(H1)作为基准，推导出清洁车高度与H1的关系式，为清洁车高度设计提供科学的数据标准。考虑到鞋高修正值H2=25mm、立姿修正值H3=10mm、工人手握吸尘软管长度H4=40mm以及蜂窝芯零件高度修正值H5=60mm，清洁车的高度关系式为：

H=H1+H2-H3-H4-H5-H0

得出清洁车高度为860mm，取20mm的余量值，故清洁车的设计高度范围为840～880mm符合人体在站姿情况下的生理尺寸。

图4 清洁车高度设计三维示意图

2.2.2 清洁车排屑口设计

在对NOMEX蜂窝芯材料进行高速铣削加工后，工作人员在利用吸尘器清理蜂窝芯材料表面及芯格中的切屑时，必然会导致粉末掉落在清洁车中。若利用扫帚等工具对清洁车内部进行清扫，会引起切屑粉末的扬起，它将给工作人员的身心健康带来极大的威胁，同时也污染了车间环境。为了避免粉末扬起，如图5所示，将排屑口与吸尘器相连，利用吸力强大的吸尘器从清洁车底部将掉落的粉尘吸入吸尘器中，以减少粉末扬起所带来的危害。

图5 蜂窝芯清洁装置排屑口放大图

2.2.3 清洁车吸尘防护套设计

在国外，设计心理学开始广泛注意研究人在操作使用机器和工具时的心理因素[14]。蜂窝芯材料的应用领域对零件的清洁度做出了较高的要求，而人工清洁正是蜂窝芯清洁的“精加工”过程。现场调研发现，人员在清理切屑的过程中，吸尘软管必须紧贴零件上作业，否则切屑清理不彻底，若用力过度，加之蜂窝芯材料的特殊性，易损伤零件表面，给工作人员造成心理负担。从人的行动特性出发，当工作人员将注意力持续集中于清洁蜂窝芯零件时，难以注意到零件的保护，用力过度就会成为无意识的动作。如图3中零件9所示，设计一款质地较软的蜂窝芯清洁专用防护套，在吸尘软管末端添加此防护套，在保护零件的同时，舒缓工作人员的心理压力。与此同时，防护套可增大吸尘口的面积，提高工作效率，缓解人员工作疲劳。