手電鉆鉆孔輔助裝置人機工程學(xué)分析與研究

周濤　王海艦　劉行健

摘 要：為減少傳統(tǒng)手電鉆鉆孔難以保證垂直度的發(fā)生以及提高鉆孔效率，設(shè)計了一種符合人機工程學(xué)的手電鉆鉆孔輔助裝置。該裝置成本低，與手電鉆配裝快捷、簡便，兩者配合可提供高質(zhì)量、安全的鉆孔作業(yè)，降低操作者疲勞程度，有效地減少了震動和用力方向影響鉆孔質(zhì)量的問題并提高了鉆孔效率，為手電鉆鉆孔并提高效率保證質(zhì)量提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：手電鉆 輔助裝置 疲勞 人機工程學(xué)

1手電鉆鉆孔作業(yè)現(xiàn)狀

縱觀現(xiàn)有研究，國內(nèi)外針對手電鉆的人機工程學(xué)的研究與優(yōu)化，大多著重于對手電鉆本身的設(shè)計入手，而對脫離手電鉆本體直接對手電鉆加裝輔助配件的研究與產(chǎn)品設(shè)計卻相當(dāng)罕有，因此，設(shè)計一個成本低、配裝快捷的手電鉆輔助裝置，使其具有提供減少震動和用力方向?qū)︺@孔質(zhì)量影響的功能，能夠有效提高鉆孔效率與質(zhì)量并消除一定安全隱患的工具。

2手電鉆鉆孔輔助裝置整體設(shè)計

手電鉆鉆孔輔助裝置設(shè)計主要分為三部分：安裝設(shè)計、外觀設(shè)計和內(nèi)筒設(shè)計。

2.1安裝設(shè)計

手電鉆在使用過程中，手部距離鉆孔位置應(yīng)該保持一定距離，而在安裝外掛輔助裝置之后，應(yīng)該保持這個安全距離。同時結(jié)合手電鉆實際使用時的操作方式，負責(zé)穩(wěn)持電鉆的那只手通常是抓握在機身前端但距離最前端的轉(zhuǎn)子有一小段距離的部位。

因此，得到結(jié)論：輔助裝置應(yīng)該將除手柄以外的部位完全包括在內(nèi)，同時緊貼機身前端凸出的部位。這樣，可以為手部提供抓握地點，在不影響原始操作的情況下，最大限度的保障鉆孔時手部的安全。

2.2 外觀設(shè)計

輔助裝置外觀設(shè)計應(yīng)考慮的因素包括：長度，外形，厚度，顏色。

2.2.1 長度設(shè)計

從研究的幾款常見的手電鉆得到的數(shù)據(jù)來看，人手抓握手柄部位距離手電鉆最前端的鉆頭夾具部位最小距離≥90mm。

手電鉆常用的鉆頭主要為麻花鉆。根據(jù)《GBT 1438.1-1996 錐柄麻花鉆 第1部分莫氏錐柄麻花鉆的型式和尺寸》與《GB-T 1438.2-1996錐柄麻花鉆 第2部分：莫氏錐柄長麻花鉆的型式和尺寸》，家用手電鉆最常用的幾種鉆頭，長度在30mm-150mm不等。

因此得出結(jié)論：目前常見的家用手電鉆設(shè)計時，抓握手柄部位離鉆孔孔位最近距離應(yīng)≥120mm，同時≤300mm，所以裝置長度應(yīng)設(shè)計在120mm至300mm之間。

2.2.2 外形設(shè)計

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場上常見的家用手電鉆結(jié)構(gòu)，前端均為一個不規(guī)則的近圓形。

人手掌在抓握圓柱形物體時，物體對手產(chǎn)生的壓迫力最小，手掌受力最均勻，因此，圓柱形設(shè)計對于使用者而言抓持風(fēng)險最低，產(chǎn)生傷害最小。

同時，鉆孔作業(yè)中不可避免的有用力反復(fù)推進的重復(fù)操作，輔助裝置應(yīng)有凸緣或卡座以防止手掌滑落。

想要減少鉆孔時因反復(fù)推動而產(chǎn)生的震動，裝置與被鉆孔物體接觸部分應(yīng)有一個穩(wěn)定機身用的結(jié)構(gòu)。

鉆孔時震動不可避免，因此表面因有相應(yīng)的減震結(jié)構(gòu)，來緩解反復(fù)震動對手腕造成的傷害。

固得出以下結(jié)論：輔助裝置應(yīng)設(shè)計為一個圓筒形的結(jié)構(gòu)。裝置中段的表面應(yīng)黏貼一些增加摩擦力的結(jié)構(gòu)，如橡膠、海綿等。裝置末端向外延出一圓形的平面座，用于提高穩(wěn)定性。

2.2.3 厚度與顏色設(shè)計

根據(jù)人機工程學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在鉆孔時，人的最佳視野區(qū)為60°，即中心孔上下30°。

因此，所選材料應(yīng)為透明材料，能夠直接透過筒壁觀察到孔的狀況；同時材料的抗震與抗壓性能應(yīng)該較好。

最終，我們決定選用直徑在5-10cm之間，筒壁厚度為8mm的亞克力材料。以同時確保透明度與耐壓能力。

2.3 內(nèi)筒結(jié)構(gòu)

根據(jù)原始設(shè)計，預(yù)計在外筒內(nèi)加裝一個內(nèi)筒，以內(nèi)筒頂住手段鉆機身前端，同時以彈簧來配合鉆孔的推進與收縮復(fù)位。

（1）內(nèi)筒的形狀問題

由于內(nèi)筒需要同時與外筒內(nèi)壁和手電鉆進行配合，所以內(nèi)筒外壁截面應(yīng)為圓形，內(nèi)壁截面則需根據(jù)所配合的手電鉆決定。由于手電鉆機身可視為近似圓，所以內(nèi)筒內(nèi)壁設(shè)計為圓形也是合理的。

（2）彈簧強度問題

此裝置彈簧的位置關(guān)鍵在于輔助復(fù)位，因此彈力不能太強，否則影響鉆孔時的推進，同時不能太弱，否則無法輔助復(fù)位。

根據(jù)數(shù)據(jù)查找，一個成年人的最大推力為自身體重的1.5倍左右，即800N-1200N范圍內(nèi)，所以彈簧的彈力不應(yīng)大于最大推力的1/10，也不應(yīng)小于所需拔出力的1/2。所以彈力范圍應(yīng)該在30N-120N之間。

3 實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對手電鉆鉆孔輔助裝置作進一步的說明。

手電鉆鉆孔輔助裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，使用時，內(nèi)筒1套接在手電鉆殼體7上，手電鉆的手柄8從缺口3中置于引導(dǎo)外筒2外，蓋上端蓋6，與手電鉆配裝的鉆頭9可隨內(nèi)筒1的滑動在引導(dǎo)外筒2的前端進行伸縮運動，平面座5貼合作業(yè)面，手持手電鉆手柄8往前用力，鉆頭9在作業(yè)面上鉆孔，鉆孔完成后停止用力，手電鉆在復(fù)位彈簧4的作用下向引導(dǎo)外筒2后端運動，鉆頭9脫離作業(yè)面，完成鉆孔。打開端蓋6，將手電鉆從引導(dǎo)外筒2的后端取出，再將套接的內(nèi)筒1從手電鉆的殼體7上拿下即可。

4 結(jié)論

本裝置結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)、手電鉆實際市場與操作人員需求，綜合運用工業(yè)工程思想，設(shè)計和研發(fā)出了一種符合人機工程學(xué)的手電鉆鉆孔輔助裝置，這種鉆孔輔助裝置成本低，與手電鉆配裝快捷、簡便，配裝了這種鉆孔輔助裝置的手電鉆鉆孔質(zhì)量高、速度快，能夠有效提高手電鉆操作的安全性與工作效率。本裝置的預(yù)期技術(shù)產(chǎn)品具有實用性，可形成面向市場產(chǎn)品和具有市場推廣的空間，項目技術(shù)具有新穎性和創(chuàng)造性已申請國家專利。

參考文獻：

[1] 郭伏，錢省三主編.人因工程學(xué).機械工業(yè)出版社， 2014， 7.

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