手電鉆鉆孔輔助裝置人機工程學分析與研究

周濤　王海艦　劉行健

摘 要：為減少傳統手電鉆鉆孔難以保證垂直度的發生以及提高鉆孔效率，設計了一種符合人機工程學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量、安全的鉆孔作業，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量提供了新的思路。

關鍵詞：手電鉆 輔助裝置 疲勞 人機工程學

1手電鉆鉆孔作業現狀

縱觀現有研究，國內外針對手電鉆的人機工程學的研究與優化，大多著重于對手電鉆本身的設計入手，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品設計卻相當罕有，因此，設計一個成本低、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對鉆孔質量影響的功能，能夠有效提高鉆孔效率與質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計

手電鉆鉆孔輔助裝置設計主要分為三部分：安裝設計、外觀設計和內筒設計。

2.1安裝設計

手電鉆在使用過程中，手部距離鉆孔位置應該保持一定距離，而在安裝外掛輔助裝置之后，應該保持這個安全距離。同時結合手電鉆實際使用時的操作方式，負責穩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子有一小段距離的部位。

因此，得到結論：輔助裝置應該將除手柄以外的部位完全包括在內，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 外觀設計

輔助裝置外觀設計應考慮的因素包括：長度，外形，厚度，顏色。

2.2.1 長度設計

從研究的幾款常見的手電鉆得到的數據來看，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《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。

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

2.2.2 外形設計

根據調查發現，目前市場上常見的家用手電鉆結構，前端均為一個不規則的近圓形。

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

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

想要減少鉆孔時因反復推動而產生的震動，裝置與被鉆孔物體接觸部分應有一個穩定機身用的結構。

鉆孔時震動不可避免，因此表面因有相應的減震結構，來緩解反復震動對手腕造成的傷害。

固得出以下結論：輔助裝置應設計為一個圓筒形的結構。裝置中段的表面應黏貼一些增加摩擦力的結構，如橡膠、海綿等。裝置末端向外延出一圓形的平面座，用于提高穩定性。

2.2.3 厚度與顏色設計

根據人機工程學研究發現，在鉆孔時，人的最佳視野區為60°，即中心孔上下30°。

因此，所選材料應為透明材料，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 內筒結構

根據原始設計，預計在外筒內加裝一個內筒，以內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位。

（1）內筒的形狀問題

由于內筒需要同時與外筒內壁和手電鉆進行配合，所以內筒外壁截面應為圓形，內壁截面則需根據所配合的手電鉆決定。由于手電鉆機身可視為近似圓，所以內筒內壁設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鍵在于輔助復位，因此彈力不能太強，否則影響鉆孔時的推進，同時不能太弱，否則無法輔助復位。

根據數據查找，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，所以彈簧的彈力不應大于最大推力的1/10，也不應小于所需拔出力的1/2。所以彈力范圍應該在30N-120N之間。

3 實施方式

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

4 結論

本裝置結合實際測量數據、手電鉆實際市場與操作人員需求，綜合運用工業工程思想，設計和研發出了一種符合人機工程學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。本裝置的預期技術產品具有實用性，可形成面向市場產品和具有市場推廣的空間，項目技術具有新穎性和創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.機械工業出版社， 2014， 7.

[2] 易樹平，郭伏主編.基礎工業工程（第2版）.機械工業出版社， 2013.8.