（机械工程专业论文）数控机床设计中的人机工程界面研究.pdf

数控机床设计中的人机工程界面研究 摘要 人机工程学是研究人的特性工作条件与机器相配合的科学，是按照人的特 性设计和改善人一一机一一环境系统。它把人和机器视为一个有机结合的系统。 研究这门科学，可以创造出最佳设计和最适宜的条件，使人机系统实现高度协 调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。 机床的界面设计，是将机床的结构设计与外观设计结合起来，不仅确保产 品的技术功能，而且赋予产品更多的人性化设计。机床界面设计也与政治、经 济、文化及科学技术水平密切相关，与新材料的发现、新工艺的采用相互依存， 还受不同的艺术风格及人们审美爱好的直接影响。 数控机床造型必须与功能相结合，更要与环境相适应，进行设计时要充分 考虑安全因素以及数控机床外观设计的自我检验等。 论文运用人机工程学系统研究的方法，从人机系统的角度，对影响数控机 床的人性化设计的人、机和环境等相关因素，进行了深入的分析和研究；论文 分析了国内外机床界面设计的现状，并以数控机床产品为研究对象，总结了现 代数控机床造型的基本特征。 论文对数控机床造型设计应遵循的工业设计原则与要求进行了研究分析， 根据上述的分析研究从数控机床设计的形态设计、色彩设计、人机工程设计、 装饰设计、材质设计等方面总结了数控机床界面设计的方法。研究的重点是控 制面板上的显示一操作的相合性设计。 关键词：人机工程；数控机床；工业设计；人一一机关系 r e s e a r c ho nt h em a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n gi n t e r f a c eo f t hed e s i g no fn cm a c h i n e a b s t r a c t e r g o n o m i c si st h es c i e n c et h a ts t u d i e sp e r s o nc h a r a c t e ra n dw o r kc o n d i t i o n h o wt om a t c hw i t hm a c h i n e s i ti m p r o v e st h es y s t e mo fp e r s o na n dm a c h i n ea n d e n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt op e r s o nc h a r a c t e r i tc o m b i n e sp e r s o na n dm a c h i n et oa s y s t e mo fa no r g a n i s mc o m b i n a t i o n b ys t u d y i n gt h i ss c i e n c eh a r d ，t h eb e s td e s i g n a n dt h em o s ts u i t a b l ec o n d i t i o nc a nb ec r e a t e d m a n m a c h i n es y s t e mi sf o r m e dt h e h i g hm o d e r a t e st ou n i f y , e f f i c i e n t ，e c o n o m ya n ds a f eo r g a n i s ms y s t e mi sb e c a m e t h ed e s i g n e dc o v e ro fm a c h i n en o to n l yi n s u r e st h et e c h n i c a lf u n c t i o no ft h e p r o d u c tb u ta l s oe n d o w sw i t hm o r eh u m a n i z e dd e s i g n ，w h i c hu n i f i e st h es t r u c t u r a l a n dt h ea p p e a r a n c ed e s i g no ft h em a c h i n e t h ed e s i g n e di n t e r f a c eo fm a c h i n e c o n n e c t sw i t hp o l i t i c sa n de c o n o m ya n dc u l t u r ea n dt e c h n o l o g y ，a n dd e p e n d so n e a c ho t h e rw i t ht h ed i s c o v e r yo fn e wm a t e r i a la n dt h eu s eo fn e wc r a f t a n di s e f f e c t e db yd i f f e r e n ta r t i s t i cs t y l ea n dt h ep e o p l ef a n c y t h e m o d e l l i n gm u s tu n i f yw i t h t h ef u n c t i o na n dm u s t a d a p tw i t h t h e e n v i r o n m e n t ，w em u s tc o n s i d e rt h es a f e t yf a c t o ra n de x a m i n e so fn cm a c h i n e s a p p e a r a n c ef u l l yw h e nw ec a r r yo nt h ed e s i g n a sf a ra st h et h e o r yo fe r g o n o m i c si sc o n c e r n e d ，t h ep a p e rt h o r o u g h l ya n a l y s e s s t u d i e sc o r r e l a t i o nf a c t o ra b o u tp e o p l ea n dm a c h i n ea n de n v i r o n m e n tt h a te f f e c t s t h eh u m a n i z e dd e s i g no fn cm a c h i n e ，a n da n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h e d e s i g no ft h em a c h i n e si n t e r f a c eb o t hh e r ea n da b r o a d i na d d i t i o n ，t h ep a p e r s u m m a r i z e st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co ft h em o d e r nn c m a c h i n e m o d e l i n gf r o mt h e s t u d yo fp r o d u c to fn cm a c h i n e a c c o r d i n g t ot h ep r i n e i p i aa n dr e q u e s to fi n d u s t r i a l d e s i g n ，t h ep a p e r s u m m a r i z e st h ed e s i g nm e t h o do ft h en cm a c h i n e si n t e r f a c eo nt h eb a s i co fs o m e a s p e c t ss u c ha st h ed e s i g no fc o n f i g u r a t i o n ，c o l o r ，e r g o n o m i c s ，d e c o r a t e ，m a t e r i a l a n ds oo n t h ee m p h a s i so ft h ep a p e ri st h ec o n g r u e n c ed e s i g no ft h es h o w - o p e r a t e o nt h ec o n t r o lp a n e l k e y w o r d ：e r g o n o m i c s ；n cm a c h i n e ；i n d u s t r i a ld e s i g n ；m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n 插图清单 图2 】不同姿势下手能及的范围6 图3 1经济型数控系统的结构1 3 图4 一1人机关系在数控加工中的作用1 6 图4 2d m g 公司的数控机床- ”1 7 图4 - 3人一机床系统设计过程1 7 图4 4s i e m e n s 手机豹人机界瑟1 9 图4 5 普通的按键2 2 图4 - 6带幽标批牌的按键2 2 图4 7 双位按键2 2 图4 - 8 按键的排列2 3 图4 - 9 保护套2 3 图4 1 0 普通的螺旋形状2 3 图4 1 l 旋钮的操纵力和适宜2 4 图4 1 2 带凸棱的指示型旋钮2 4 圈4 13h 2 5 0 s a 半裔动带锯机床2 4 图4 1 4 普遥的手柄外观2 5 图4 1 5 手柄形状和着力方式比较2 6 图4 1 6 手柄横截面形状对受力的影响2 6 图4 - 1 7 各群形状的控制手牺2 6 图4 18 绿色按键2 7 图4 1 9 波浪型按键2 7 图4 2 0 时片型透明旋锂2 7 图4 2 1 符合手形大手柄”2 7 图4 2 2 人机键盘2 9 图4 2 3v l 1 6 d c r 立式车床2 9 图4 2 4t n c a 系列数控器3 0 图4 2 5 笔记本电脑键盘3 0 图4 2 6 控制升降大按键3 1 图4 2 7 两款控制亟板的比较3 2 图4 2 8s x s k 3 0 0 0 m 数控系统3 2 图4 2 9 人机系统中的操纵与显示3 3 匿4 3 0 控制器一显承器的运动楣合性3 4 图4 3 1 方位按键3 4 图4 3 2 操纵一显示比较3 4 匿5 1三个控制框的比较3 6 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 5 圈5 - 6 图5 - 6 显示屏观察作业岗位尺寸3 6 控制柜外观3 7 面板可调节按制极3 7 储藏室3 8 机底脚踏空间3 8 设计中注意人 ! 导活动空间”3 8 表格清单 表2 1中国入体结构尺寸测艇项舀及其分类6 表4 - 1 人与机器豹功能分配1 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒世王些盍坐 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签p 忙辄 犷啼6年，2 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金魍王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可咀采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 f 凯铂 导师签名： 签字日期：矿易年f2 月f 日 签字日期： 年月日 f 差黧禹激籼氐摹铆乞蝇刈一i 己工作单位：皇 协) 迫“酽圳氐串0 p 乙电话：o 6 乙、z 己彳7 b 黼地锄狮协眵胞2 心邮孙岬b 彦狮协眵胞7 厶 州+ 、 户 贯唔 爵 致谢 这次论文的完成，首先要感谢导师陈远龙副研究员的无微不至 的关怀和精心指导，陈老师在百忙之中，抽出时间，给予作者极大 的也是最重要的鼓励和支持。在完成论文的过程中，导师以他非凡 的学识和严谨的治学精神，给予我无限的智慧和启迪，让我在一年 多准备论文过程中，切实理解了人机工程在高科技产品中的应用以 及在现实生活中的巨大作用，使我获益匪浅，受益终身。 张萍副教授在作者成文的过程中，也给予作者精心的指点和帮 助，她从专业角度给我提出了极其有价值的建议，帮助我纠正了许 多不应该有的错误，使我的论文向前迈了一大步。在此谨向张教授 致以诚挚的谢意。 路漫漫其修远兮，一路走来不容易，再次深深地感谢所有帮助 过我的人。 1 1 研究背景与动机 第一章绪论 自从上个世纪9 0 年代以来，随着以计算机技术为支柱的信息技术的发展， 世界经济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循 环加大、加快，市场竞争日趋激烈。同时，工业产品由传统的机械产品向机电 一体化产品、信息电子产品方向发展，技术含量大为提高；社会的消费观念也 不断发生变化，产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素，产品的创 新性、外观造型、宜人性、环保性等因素愈来愈受到重视，并在竞争中占据突 出地位。 这种趋势促使企业在着手进行新产品开发时把面向产品的创新性、外观造 型、人机工程等的设计提到一个新的高度，从而也迫切要求对工业设计的研究 能有进一步的突破，以提高企业形象、产品设计水平和市场竞争力。 机床产品的发展总趋势是从劳动密集型向技术密集型概述高技术密集型转 变。相应的代表产品为普通机床、数控机床和柔性加工系统。其中数控机床是 现代先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品，也是人机工 程设计系统研究的重点对象。 目前，我国对数控机床的需求在日益增加，数控机床的性能也臼趋完善， 自动化程度和生产率大大提高，从而取代了人的大部分体力劳动和脑力劳动， 但同时也就使得数控机床在更高层次上依赖于人，从而构成技术密集型的人机 系统。对于数控机床来说，人的主要工作不只是体力劳动，而且还包含了一定 程度的脑力劳动，随着数控机床的发展，脑力劳动的负荷越来越大，对操作者 的知识技能水平的要求也就更高。但是，对于操作者来说，体力劳动是依然存 在的，这时人的主要体力作业集中在加工前的准备工作和加工后的一些后续工 作。1 从数控机床的设计、制造、使用过程表明，数控机床的工作质量不但取决 于机器本身的性能和质量，还取决于操作的劳动者，而操作者的劳动质量在很 大程度上又取决于该系统中人机系统的功能质量。人是生产的主体，满足了人 的基本安全需要，使人心情舒畅，才可能充分发挥人的主观能动性，调动人的 积极态度，这对提高生产效率有着重要的意义。比1 数控机床的人性化设计就是 在人机工程的原则的指导下探讨和应用人的行为、能力、本能极限和其他的特 性来对数控机床进行设计，创造一种良好的人机互动关系，体现数控机床对人 性需求的关注。而目前在我国的部分数控机床设计中，没有很好的考虑人机 工程问题，对于人机系统也缺乏必要的实验和研究。 1 2 人机工程学 1 2 1 人机工程学的定义 人机工程学( m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n g ) 是研究人、机械及其工作环境之间 相互作用的学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破了各学科之间的界 限，并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善自身的基本概念、理论体 系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门研究和应用范围都极为广 泛的综合性边缘学科。因此，它具有现代各门新兴边缘学科共有的特点，如学 科命名多样化、学科定义不统一、学科边界模糊、学科内容综合性强、学科应 用范围广泛等。1 人机工程学是研究“人一一机一一环境”系统中人、机、环境三大要素之间 的关系，为解决系统中人的效能、健康问题提供理论与方法的科学。工业设计 和人机工程学在基本思想与工作内容上有很多一致性：人机工程学的基本理论 “产品设计要适合人的生理、心理因素”与工业设计的基本观念“创造的产品 应同时满足人们的物质与文化需求”意义基本相同，侧重稍有不同；工业设计 与人机工程学同样都是研究人与物之间的关系，研究人与物交接界面上的问题， 不同于工程设计( 以研究与处理“物与物”之间的关系为主) 。由于工业设计在 历史发展中溶入了更多的美的探求等文化因素，工作领域还包括视觉传达设计 等方面，而人机工程学则在劳动与管理科学中有广泛应用，因此二者有所区别。 人机工程学是以人的生理、心理特征为依据，以提高人的工作、生活质量 为目的，运用系统工程和信息加工心理学的观点和方法，研究生产领域内人与 机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用，为设计操作简便省力、准确 安全、高效舒适的人一一机一一环境系统提供理论依据和方法的科学。因而在 国内也有人将它称为“人体工程”、“工效学”、“人机环境工程学”等。 构成人机系统三大要素的人、机、环境，可看成是人机系统中三个相对独 立的予系统，分别属于行为科学、技术科学和环境科学的研究范畴。根据系统 学第一定律知道：系统的整体属性不等于部分属性之和，其具体状况取决于系 统的组织结构及系统内部的协同作用程度。因此，研究人机学应该做到既研究 人、机、环境每个子系统的属性，又研究人机系统的整体结构及其属性。力求 达到人尽其力，“机”尽其用，环境尽其美，使整个系统安全、高效，且对人有 较高的舒适度和生命保障功能，最终目的是使系统综合使用效能最高。1 1 2 2 工业设计中的人机工程 人机工程的问题最早发展在远古人类祖先使用简单工具之初，虽然是从远 古就存在的问题，却直到近百年才被人们所注意，而有系统的研究人机工程是 最近五十年的事，在1 9 6 0 年之后，人机工程的发展才逐渐快速起来，受到先进 2 国家的重视与推进。 现代人机工程的发展开始于2 0 世纪初的工业革命时期，最具代表性的人物 是f r a n k 和l 儿l i a ng i l b r e t h ，他们对动作的研究工作可以被认为是现代人机 工程的前身之一。但是早期的研究者主要是强调选择合适的人去适应工作和机 器，属于“机器主导时期”。 1 9 4 5 年到1 9 6 0 年，在这个时期里，人机工程作为一种专业研究出现。1 9 4 5 年，工程心理学实验室由美国空军和海军建立。同期，英国也在进行着相关的 研究。在1 9 4 9 年，人机工程研究学会在英国的成立，标志了人机工程作为一种 专业研究出现了。在1 9 5 9 年，国际人机工程协会成立，将世界各地的人机工程 组织联系在一起。在经历了战争后，人机工程的研究者开始认识到不能在单纯 的让人来适应机器，机器的复杂程度在不断的增加，某些已经超出了人的能力 范围，应该让机器来适应人，从这个时期开始，在人机工程领域，以人为主导 的指导思想逐步确立。“1 1 9 6 0 年到1 9 8 0 年，是人机工程的一个快速发展期。在美国，人机工程被 广泛应用于军事领域，同时为了开拓星际作业，人机工程在太空计划中就变得 非常的重要。在这2 0 年里，最为重要的是，人机工程的应用己不再局限于军事 和太空了，在日常生活的用品中处处可见人机工程的影响。工业界也认识到人 机工程在工作空间和人机系统上的重要性。 1 9 8 0 年到1 9 9 0 年，在这个时期，人机工程得到了进一步的重视和强调， 特别是在电脑、灾难预防和人身伤害起诉三个方面。电脑技术的发展是对人机 工程的新的挑战，人机工程在新技术的各个领域都在起着重要的贡献。2 0 世纪 9 0 年代，全球多起灾难性事件的发生的原因都存在相同的一点，就是对人机工 程缺乏足够的认识和关注。 在中国，人机工程学的研究在2 0 世纪3 0 年代开始即有少量和零星的开展， 1 9 8 0 年4 月，国家标准局成立了全国人类工效学标准化技术委员会，统一规划、 研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。1 9 8 4 年，国防科工委成立 了国家军用人一一机一一环境系统工程标准化技术委员会。这两个技术委员会 的建立，有力地推动了我国人机工程学研究的发展。此后在1 9 8 9 年又成立了中 国人类工效学学会，再在1 9 9 5 年9 月创刊了学会会刊人类工效学季刊。2 0 世纪9 0 年代初，北京航空航天大学首先成立了我国该专业的第一个博士学科 点，随后南京航空航天大学、西北工大、北京理工大学、北大医学部等大学也 先后成立了相应的专业。当前，随着我国科技和经济的发展，人们对工作条件、 生活品质的要求正逐步提高，对产品的人机工程特性也会日益重视。一些厂商 把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产品的卖点，也正是出于对这种新 的需求取向的意识。“1 1 3 数控机床与人机工程学 数控机床是一种高科技的机电一体化产品，是由数控装置、伺服驱动装置、 机床主体和其他辅助装置构成的可编程的通用加工设备，它被广泛应用在加工 制造业的各个领域。与一般机床相比，数控机床最适宜加工结构较复杂、精度 要求高的零件，以及产品更新频繁、生产周期要求短的多品种小批量零件的生 产。”1 当代的数控机床正朝着高速度、高精度化、智能化、多功能化、高可靠 性的方向发展。 数控机床采用人机工程学原则进行设计，以实现美化数控机床外观形象和 改善工作人员工作环境。我国目前工业生产中，机器设计阶段没有很好的考虑 人机工程问题，对人机系统缺乏必要的实验和研究，造成机器生产出来投入使 用时，才发现由于人机系统不合理，使得机器的效率不能很好发挥，甚至危及 人身安全，付出很高的代价，再耗费大量时间对机器进行改造、修补也难以使 人机关系得到彻底改善。从数控机床的设计、改造、使用过程表明，数控机床 的工作质量不但取决于机器本身的性能和质量，还取决于操作的劳动者，而操 作者的劳动质量在很大程度上又取决于该系统中人机系统的功能质量。 传统的数控机床设计以设计产品为主要目标，更多地考虑本身功能的实现， 虽然也或多或少地涉及了人的因素，但主要是考虑如何让人适应机器，而没有 把人作为设计的一个目标，没有规范化地考虑人的因素。这就很难保证机器操 作效率最佳，也不易判断设计质量的高低。人机工程学强调将人和机器作为相 互联系的两个基本部分构成一个整体，形成人机系统。人机工程设计的是人机 系统，是把人作为系统设计的一部分，把人一一机一一环境三者作为一个系统 进行总体设计。人不再是被动地去适应机器，而是与机器共同完成一个系统目 标，从而可以获得系统的最高综合效能。 1 4 本课题的选题的意义及研究重点 本课题的研究目的是通过对数控机床的人机界面设计及其特点的深入研究 和分析，总结数控机床界面设计应遵循的工业设计原则与要求，并在此基础上， 通过对机床产品功能、结构的分析，来进行数控机床部分人机界面方案设计。 特别是对机床人机设计过程的研究工作，提出一种以工业设计理论为基本指导 的数控机床产品人机工程界面设计方法，并在此人机工程界面设计的理论与方 法的基础上，以数字化人体模型为中心的人机工程设计原则与方法，具体对数 控机床的控制台进行了设计实践。 4 第二章人机工程设计概述 2 1 人体测量及数据应用 为了设计和改善人一一机一一环境系统，必须知道人体各部分外观形态特征 及各项测量数据，其中包括人体高度、人体各部分长度、厚度及活动位移范围 等。对于这些参数的测量，叫做人体测量。 2 1 1 人体尺寸测量的分类 人体形态测量数据主要有两类，即静态人体尺寸( 人体构造尺寸) 和动态人 体尺寸( 人体功能尺寸) 1 、静态人体尺寸测量静态人体尺寸测量是指被测者静止地站着或坐着 进行的一种测量方式。静态测量的人体尺寸用作工作空间的大小、家具、产品 界面元件以及一些工作设施等的设计依据。目前我国成年人静态测量项目，国 家标准正文中规定立姿有4 0 项，坐姿有2 2 项。详见g b 3 9 7 5 8 3 人体测量术 语和g b 5 7 0 3 8 5 人体测量方法。【8 1 2 、动态人体尺寸测量动态人体测量是指被测者处于动作状态下所进行 的人休尺寸测量。动态人体测量的重点是测量人在执行某种动作时的身体动态 特征。动态人体尺寸测量的特点是，在任何一种身体活动中，身体各部位的动 作并不是独立完成的，而是协调一致的，具有连贯性和活动性。动态人体测量 通常是对手、上肢、下肢、脚所及的范围以及各关节能达到距离和能转动的角 度进行测量。由于动态人体测量受多种因素的影响，故难以用静态人体测量资 料来解决设计中的有关问题。 2 1 2 常用人体测量参数 1 、人体静态测量参数 人体是一个复杂的生理体系，影响人体尺寸特征的因素很多，如国家、地 区、民族、生活环境和风俗习惯等。 经多年研究，我国成年人人体尺寸的国家标准g b l 0 0 0 0 8 8 己经于1 9 9 8 年 7 月开始实施，它为人机工程设计提供了基础数据。该标准提供了七个类别共 4 7 项人体结构尺寸数据。包括人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸、 人体水平尺寸、人体手部和足部尺寸，并分别按性别、年龄段、百分位数列表。 这4 7 项人体结构尺寸如表2 i 所列：1 9 表2 1 中国人体结构尺寸测量项目及其分类 测量项目分类 主要测量项目 人体主要尺寸身高、体重、上臂长、大腿长、小腿长 立姿人体尺寸眼高、肩高、肘高、手功能高、会阴高、胫骨点高 坐姿人体尺寸坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿 高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长 人体水平尺寸胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽、 胸围、臀围 人体手部尺寸 手长、手宽、食指长、食指近关节指间宽、食指远指关节宽、 人体足部尺寸足长、足宽 另外，因种族等因素的影响，不同国家间人体尺寸的差异也颇为明显。美 国h e n r yd r e y f u s s 事务所发布的人体测量数据种类齐全，己成为国外人机工程 学界的事实标准，具有很高的权威性。该数据包括人体基本尺寸，人体作业姿 态尺寸，人体工作空间尺寸，并按性别，年龄，百分位分类。 2 、人体动态测量参数 ，上节介绍的人体静态测量尺寸参数虽然可以解决不少工业产品造型设计中 有关人体尺寸的问题，但是人在操纵设备或从事某种作业时并不是静止不动的， 而大部分时间是处于活动状态。因此，人们更关心的是以不同姿态工作时人体 的手、脚能活动的范围。 人体四肢活动范围可以分为两类：一是肢体活动的角度大小；另一类是肢 体活动所能及的距离范围。 图2 一l 不同姿势下手能及的范围 人体活动部位有头、肩脚骨、臂、手、腿、小脚和足等。手臂活动范围以 肩关节为圆心，以肩关节到手指指尖( 或手抓握中心) 距离为半径。 在工作中常取的作业姿势有立姿、坐姿、卧姿等。图2 1 为不同姿势条件 下手能及的最大范围。人站姿操作时，为使操作者有舒适的操作状态，获得较 高的工作效率，躯干应处于不动的前提下，考虑手的活动范围。图中a ：为手 臂的最大可及的工作范围；b ：为手臂的正常工作范围：c ：为手臂的有效工作 范围( 活动频数应较低) ；d ：为手臂的有利工作范围。为了避免疲劳和保证较 好的工作效率，一般应当要求各种装置位于人体躯干不活动时手能及范围之内。 3 、人体尺寸数据处理 由于各种客观条件( 如时间、经费等) 的限制，对于某群体而言，常常有部 分人体测量尺寸值缺乏。目前我国国标g b l 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸中， 咿1 不管是对于l8 到6 0 岁、1 8 至2 5 岁中国成年男性这一群体来说，还是对于 l8 至5 5 岁、1 8 至2 5 岁中国成年女性这一群体女性来说，都只进行了有限的身 体尺寸测量，并且其中也只给出了7 个百分位数的测量数据。实际应用中，难 免碰到需要使用其它百分位人体测量值的情况，例如在建立系列百分位的数字 化人体模型时，即是如此。因此，很多身体尺寸值或百分位数据值就只能通过 一定估算方法得出。因此，很有必要对人体测量变量( 参数) 之间的关系和应用 中需要但匮乏的人体测量尺寸值的补充方法等进行讨论。 2 1 3 估算人体测量尺寸值的方法 1 、比例缩放估算方法 比例缩放是一种利用已有测量值估算未知身体尺寸值的方法，也可利用两 个群体的均值来估算其中一个群体的身体尺寸变量值。运用该方法有一个前提： 尽管人们在身体尺度上相差甚远，但在身体比例上极有可能相对类似。当然， 只有在具有一定程度相关性的身体部分之间，这个前提才成立。例如：许多身 体长度尺寸值彼此间是高度相关的；不少围长值之间也是如此。 2 、用回归方程估算的方法 利用回归方程估算是推导身体尺寸间关系的另一种方法。绝大多数回归方 程是二元的，只涉及到两个变量。通常假定所研究的两个变量是线性相关的( 而 不是一般的函数相关关系) ，且变量x ，y 的实际值都是正态分布的。回归方程的 通用形式为： y 2 a + b x( 式2 1 ) 式中，x 是己知的变量均值，y 是被预测的变量均值。 3 、以概率统计值估算的方法 在绝大多数情况下，以相关群体中每个个体进行相关尺寸值测定往往是不 可能的( 如果进行了完全的测量，则用均值和标准差描述整个群体的身体尺寸) 。 如果仅仅测量该群体的一个子群体的相关尺寸值，那么时常从该子群体( 样本) 的尺寸变量值来估算整个群体( 母体) 的尺寸变量值。 4 、用“加减”运算估算的方法 有时为了求出某人体测量尺寸，需对己知人体测量变量进行加或减运算， 例如整个手臂长度是上臂长度和前臂长度的和。如果把两个测量值做加法，如 腿长与躯干( 包含头部) 长度之和，实际上就产生了一个新的关于“身高”的混 合分布。这时必须考虑这两个测量值( 即腿和躯干) 间的协变性，通常( 但也不一 定) 躯干越长头部也越长。 5 、混合群体的方法 有时，需要考察男性与女性使用群体各占一定比例而构成的“混合”群体。 在设计汽车内部空间时，考察男性和女性汽车驾驶员各占一定比例的情形是十 分必要和自然的。 2 1 4 人体尺寸数据在设计中的应用 一般来说，设计和确定作业空间尺寸的根据，必须保证至少9 0 的用户的 适应性、兼容性、操作性和维护性，即人体主要尺寸的设计极限应根据第5 至 9 5 百分位数的值确定。并参照以下原则选用数据： 1 、必须适应或允许身体某些部分通过的空间尺寸( 如通道、出入口、防 触及危险部位的安全距离等) ，应以第9 5 百分位的值作为适用的人体尺寸； 2 、有限度的或受身体延伸所限制的空间尺寸( 如抓握物体的可及距离、 控制器的位移、显示器与测试点位置、安全防护罩上的空隙等) ，应以第5 百分 位的值作为适用的人体尺寸： 3 、可调整的尺寸( 如高度可调的坐椅、工作台、控制器、安全带等) ，应 以第5 百分位至第9 5 百分位的人体尺寸范围作为高度范围适用的人体尺寸；只 能用一种中等尺寸供群体使用时( 如墙壁上的开关高度、门上把手尺寸等) ，应 以第5 0 百分位数作为适用的人体尺寸： 4 、在选用人体尺寸和体形时，首先应搞清该尺寸的适用范围，如适用的 国家、地区、民族、年龄、性别、职业及社会阶层等，否则，盲目选用，设计 出的产品适用性较差； 5 、人体测量数据应用应注意人体尺寸的变化。一方面从事某种工作的劳 动人群的身材有变化时，其最佳适应尺寸也应随之改变；另一方面，世界各国 人体身高有增加的趋势，近2 0 年来世界各国人体的身高平均每1 0 年增加1 c n l ， 我国的人体身高增加更快，所以在收集或选用人体尺寸资料时应注意这种现象。 6 、有关人体测量数据( 如国标g b l 0 0 0 0 8 8 提供的数据表) 为产品设计和工 位等设计提供了主要数据。但这些数据需要以系统的方法加以应用。在设计中 系统地运用人体测量数据的全过程如下： 1 ) 首先确定谁是预期的使用者或者作业者对象，即使用者群体。对于不同 的产品或者作业岗位，使用者群体不同，性别、年龄、种族等方面也不同；对 于不同的用途( 如民用与军用) ，使用者群体也会不同。这些都是要在设计过程 中加以考虑、分析和预测。 2 ) 确定有哪些人体尺寸变量需要考虑，尤其是确定什么尺寸是最需考虑的。 3 ) 确定要适用于第几百分位的使用者群体。要想百分之百地满足使用者群 体的所有个体，这在实际设计活动中往往是不可能的，因为受到财务上的、经 济上的以及设计上的制约因素限制。一般确定为使用尽可能大的百分位值，以 满足尽可能多的使用对象使用。确定百分位时有三个原则：满足使用对象中较 大或者较小身材者的需要，即在产品、工位或在生活环境设计中，在不同情况 下需要使用较大或较小身材者的人体测量值满足；可调节性需要；对于些应 用，确定某一尺寸参数时如果上述两点都不能实现，则可以使用人体测量变量 的平均测量统计值。 4 ) 确定所选人体尺寸变量的百分位值。需要注意的是，并不总是使用所选 定的百分位的值。 5 ) 在不同的情况下，对所有的百分位值给予适当的补偿量。 6 ) 为了确保设计正确，尽可能使用实物模型或计算机模拟对设计加以验证。 2 2 人体模型 2 2 1 人体模型概述 人体模型( h u m a nm o d e l ) 是人机工程设计过程中必不可少的辅助手段。利用 人体结构和尺度关系，将人体尺度用人体模型来代替，通过“机”与人体模型 相关位置的分析，便可以直观地求出人机相对位置的有关设计参数，为合理设 计产品和布置人机系统提供可靠条件。人体模型在产品设计中的作用主要体现 为以下几点： l 、在产品设计阶段，有助于解决如下问题，即开发以人为中心的产品，并 基于人机工程学来评估设计；解决使用者不同身体尺寸的问题；在试制实物模 型和样机之前就在设计中考虑人的因素，还有助于回答有关舒适性、视野、工 位与作业空间的进出、伸及与抓握、脚部操作、作业者间的协作、维修以及劳 动强度评估等方面的问题。 2 、在产品制造阶段，有助于解决优化手工作业流程、改善工人的安全程度、 减少对工人的赔偿代价、降低停工期和再培训成本等问题。也能帮助分析有关 作业单元布局、作业流程仿真、装配作业的可接近性、伸及与抓握、安全分析、 劳动强度评估、搬运、体能消耗以及基于仿真的培训等方面的问题。 3 、在产品维修阶段，有助于解决下列问题，即通过减少维修需要来降低产 品全生命周期的成本，使产品具有更好的可维修性、确保维修人员能够有维修 空间、预计维修作业的劳动强度和时间要求。 9 4 、在人员培训l 中，将帮助工业组织降低制造和维修培训的费用，不需要实 物模型或设备就可进行培训，同时培训处于不同地理位置的人员，也有助于思 考有关制造培训方面的问题。 2 2 2 人体测量模型 人体测量模型也可称为人体骨骼体系模型，它是以人体测量数据为基础。 人体测量模型首先必须尽可能真实地代表人类身体的结构、尺度和形状，但民 用的人体测量数据相对匮乏。另外，目前已有的人体测量数据库，基本不含有 三维身体形体数据。因此在开发人体模型时，只能要么利用多个( 甚至十几个) 现有人体测量数据库，使人体数据相互补充和完善，要么采用一定方法来采集 和补充所缺数据。 t 、利用现有人体测量数据库。人体测量数据的采集和标准化工作早已有之， 以此为基础形成了不少公认的人体测量数据库资源。主要包括中国成年人尺寸 数据库( 国标g b l 0 0 0 - 8 8 ) ，美国h e n r yd r e y f u s s 事务所发布的人体测量数据等 等。尽管如此，开发人体建模c a d 系统中的人体模型时，现有人体测量数据 有时仍显不足。往往采取一些方法加以补充： 1 ) 为了得到多个人体测量模型，可以以第5 0 百分位数据为基础，采用比 例缩放的方法，得到其它百分位的人体数据。但如前所述，由于“平均人”事 实上只是一种理论统计概念，因此此方法受到人们的质疑。 2 ) 以人体测量数据为基础，使用多变量正态分布数学模型，从若干个初始 数据( 如身高、体重、性别等) 计算出其它变量，用于构造数字人体模型。这要 通过设计一定的算法来实现。利用该方法，可以从身高、体重、性别、种族等 四个初始数据计算出2 0 0 个以上的变量，用来数字化地表示人体。 3 ) 使用数据驱动技术控制人体模型的生成。其中人体数据不依赖于任何一 组特定人体数据库资源，而是从均值和标准差方面着手，用专用文件来描述第 几个关节连接的长度，并且这些文件可以由使用者自己建立和修改。 4 ) 采用回归方程可以较为准确和可信地补充缺乏的数据。 另外，也可以使用一些工程数据处理方法获得所需的数据。 2 、运用专门设备采集和补充数据。鉴于现有数据不足，目前国外己经开 发了三维数据测量设备与数据采集技术，记录、收集和分析身体处于静态和运 动状态时的尺寸、数据和形状。 2 2 3 人体几何模型 人体几何模型也可称为人体体表系统模型。它也是以人体测量数据为基础 的。人体测量模型反映了人体骨骼体系中各关节连接的尺寸，人体几何模型则 反映了身体各部分的体积特性( 如身体段的围长) 。在建立人体模型时，人体的 o 关节连接长度尺寸和运动体系由人体骨骼体系模型决定，而采用代表体表形体 的三维几何体建造出人体身体形状。 1 、人体几何形体的较逼真模拟。s a f e w o r k 公司新开发的v i r t u a l m a n 人 体模型，采用多达1 0 0 身体段和6 5 个关节，定义出身体骨骼体系的1 4 8 个自由 度，而体表形体则用十分复杂的几何体表示法来定义，这种表示法基于1 0 4 个 人体测量学变量，整个人体模型相当逼真。 2 、人体几何形体的较简单模拟。英国诺丁汉大学的“s a m m i e ”系统采用 关节点表示法，通过对裸关节、膝关节、臀部、腰椎和胸椎、肩部、肘部、腕 部、颈部、头部和眼部加以建模，模拟复杂的骨骼结构，关节间采取层次数据 结构相连。对代表人体模型的“肉体”部分的体表几何形体，采用较为简单的 表示法。 2 2 4 人体测量模型与人体几何模型的关联 在真实人世界里，骨骼与肌肉的运动是协调发生的。显然，在人体模型的 骨髂体系发生位置和方位上的变化后，需使其人体几何模型( 即人体体表体系) 发生相应的位置和方位变化，产生视觉上真实的人体模型姿势和运动变化。 对人体模型的姿势操纵和运动控制，都是通过操纵人体测量模型( 即人体骨 骼体系) 来实现的。要实现人体测量模型和人体几何模型的关联和协调运动，关 键是要在这两者间建立恰当的空间坐标关系。不同的人体建模系统采用了不同 的具体坐标定义方法，但在本质上是一样的。 2 3 小结 本章通过对人体测量方法的研究分析，提出了建立人体测量模型和几何模 型的具体方法，并适应人体结构和尺度关系，通过“机”与人体模型相关位置 的分析，直观求出人机相对位置的有关参数，为后文合理设计产品和布置人机 系统提供可靠条件。 第三章数控机床特征分析 数控机床是一种高科技的机电一体化产品，是由数控装置、伺服驱动装 置、机床主体和其他辅助装置构成的可编程的通用加工设备，它被广泛应用在 加工制造业的各个领域。与普通机床相比，数控机床最适宜加工结构较复杂、 精度要求高的零件，以及产品更新频繁、生产周期要求短的多品种小批量零件 的生产。当代的数控机床正朝着高速度、高精度化、智能化、多功能化、高可 靠性的方向发展。 3 1 数控机床的基本概念 3 1 1 数控机床的定义 数控机床是一种用数字和符号构成的数值信息控制的自动化机床，简称n c 机床( n u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n e ) 。“”数控机床是一个装有数字式程序控制 系统的机床，该数控系统能够逻辑地处理号码或其他符号编码指令所规定的程 序，这种程序控制系统( 即数控系统) 能自动地阅读输入载体上事先给定的数 字指令，并将其译码和数据进行处理，从而使机床完成规定的动作。该指令是 以数码和文字码的形式记录在控制介质( 如磁盘) 上，控制介质上的信息代码 输入数控装置后，经运算处理由数控装置发出一系列数字控制指令来实现对机 床的自动控制。数控机床是一种典型的机电一体化产品。 3 1 2 数控机床的特点 机床不同于一般的机电装备，它是生产其他机械的工作母机，因此在精度、 刚度、动态方面有其特殊要求。与普通机床相比，数控机床具有以下主要特 点： 1 、提高加工零件的精度，稳定产品的质量。 2 、能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。例如，采用 二轴联动或二轴以上联动的数控