虚拟建模对于机械产品设计研究

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321 第1章 绪论第1章 绪 论在过去的数十年中，虚拟技术逐渐从幼小走向成熟，它的广泛应用给人们创建了一个未来技术的框架。随着计算机软硬件技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，虚拟技术自身的发展将更为广阔，并将使CADCAMCAF技术向更深入、更高级的阶段发展，将由现在的与传统设计系统的连接使用，逐渐过渡到取代传统的设计系统。本文从虚拟技术的概念，发展历程，技术特点以及关键等几方面入手，结合人机工程学的相关知识，通过分析现有机械产品虚拟设计存在的缺陷，得出以人机工程学为基础的虚拟建模对于机械产品设计的重要性以及其他改进方法。1.1 .研究的目的和意义随着科学技术的加速发展，对机械系统的设计与开发技术要求越来越高，而且由于工作环境的复杂化，在系统建立之前很难对其做出恰当的事前评估，为此特别需要在机械设计时对机械运动方案以及各类传动机构进行加工前计算机模拟仿真，将其整个过程加以综合分析，在模拟出的运动系统中，设计者通过人机对话对所设计的机械进行制造前判断，从而更快更好地做出机械运动方案的决策 。虚拟现实技术就是适于这些方面的要求，应用先进软件进行计算机形象的模仿机构的运动，并通过组合给原动件加以动力，再给各个零件赋上不同的材质、参数，则整个机构就可以按预定的方式运动，于是各点的动力学参数及运动学参数就可通过计算机自动生成。该技术把人和计算机以一种直觉而自然的方式加以统一，极大地提高了人们的工作效率，在以往的设计成果中实验再设计是必不可少的步骤，现在虚拟制造、虚拟运动等仿真技术可以使我们的设计成果在正式加工前得到检验，提高了设计成功率。该技术在机械设计制造中是非常重要的，特别是复杂的大型机械非常需要这种仿真技术，它不但可以在机构运动学上加以仿真，还可以通过有限元分析优化设计等方法对机构的动力学加以分析、仿真，对各构件参数进行优化。机械产品的虚拟设计是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。是从90年代开始为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。虚拟技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。基于虚拟技术的特点，它可以应用于多种领域当中，对于机械产品的设计，制造以及装配领域都将产生深刻的变革。 机械设计的最终目的是设计出产品，即设计出一个装配体，传统的装配体设计是一个自底向上的设计过程，即先设计出各个零件，并制造出来，再把实实在在的零件装配起来，形成一个完整的装配体或机械设备。这样，很容易出现装配体各部件的干涉及与设计目的不符等缺陷。虚拟设计就是为了克服这些缺陷而出现的。它不仅可以让设计师看到甚至“摸”到自己的设计成果，还能简化设计流程，缩短设计时间，而且方便随时修改。这种设计方法大概步骤包括三个，建立虚拟产品模型，建立虚拟环境以及运动仿真，其中虚拟建模是其中的第一个阶段，机械产品最终将为人所使用，于是，便形成一个人-机-环境系统，在这个系统中，只有人机相互协调，才能满足产品的可使用性，所以研究在人机协同环境下的虚拟设计，既能充分发挥操作者的效能,又能保障操作者的安全与健康。计算机辅助设计升级到具有交互效果的“虚拟设计”，虚拟现实技术是一种“富有价值的工具”，可以提升传统产业层次、挖掘其潜力。机械产品虚拟设计的程序可表示如下: 经过分析，机械产品虚拟设计的意义主要表现在以下三方面：(1)建立虚拟模型将减少或者消除对昂贵的实际模型所需要的费用。一些复杂的系统工程如飞船、机器人的设计，需要投入巨大的资金，若用VR技术建立仿真系统代替实物模型进样机设计，可以大大节约资金、人力和物力、优化系统设计。(2)进行性能和人机工程方面的研究时，将允许人直接参与操作模拟。在虚拟环境中所进行的虚拟制造过程，用户可通过方便的接口进行干预，从制造的角度考察设计，为设计的更改和优化提供制造方面的依据。(3)对装配、制造和维修等工作进行虚拟仿真模拟，可在设计过程的t初阶段发现可能存在的缺陷和问题，减少不必要的浪费。 本题目主要研究机械产品的设计过程当,在人机工程学分析的基础上,对于虚拟设计应用的探索。1.2. 国内外研究现状1.2.1.虚拟技术的发展 1965年，Sutherland在篇名为的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的Jaron Lanier 在80年代初正式提出了“Virtual Reality”一词。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站（VIEW）项目中，他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥控设备。进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。例如1993年的11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777获得成功，是近年来引起科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥控操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满期待。1.2.2.虚拟技术现状我国最早开展VRT技术试验的是西北工业大学的虚拟现实工程技术研究中心。之后，北京航空航天大学计算机系、清华大学计算机科学和技术系等单位开展了大量研究工作。目前，山东有关高校相继建成了VRT试验室。虚拟现实系统已经具备对多维信息的处理功能，是人类进行思维和创造、深化概念和获取新概念的有力工具。根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能四种类型。其中虚拟设计被列入智能设计的类别当中。我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。 计算机的发展提供了一种计算工具和分析工具，并因此导致了许多解决问题的新方法的产生。虚拟现实技术的产生与发展也同样如此，就虚拟现实本身而言，它主要涉及到三个研究领域： 通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果； 建立对虚拟世界的观察界面； 使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。 在有关虚拟模型的建立上,主要集中在以下几方面的研究: (1)基于微机的虚拟环境体系结构:计算机硬件发展的日新月异为基于微机的普及型虚拟环境体系结构的建立提供了物质基础。 (2)基于几何建模和图像相结合的建模方法和相关算法:采用虚物实化、实物虚化、虚实结合、增强现实的方法既可以使模型的真实感强，又可以有效地减少模型的数据量，以满足实时交互性的要求。 (3)基于图像的虚拟现实关键技术:图像建模具有模型简单、数据量小的优点，适合于微机环境的实时建模和浏览。如何建立快速图像压缩和解压缩算法，实现基于图像的机械产品模型的三维重建等是关键。43第2章 机械设计方法简述第2章 机械设计方法论简述2.1.机械设计概念机械设计方法是一个综合的机械设计概念。所谓机械包括从广义到狭义两个方面。广义的机械设计应当包括所有的机械内容，即所有含盖机械的领域，如机械工业、电子工业、航天工业等。大到各种重型机械，小到微型仪器仪表、家用电器。狭义的机械内容应主要包括起重运输机械，冶金机械，纺织机械，印刷机械，轻工机械，橡塑机械，汽车制造业，造船业等。不论是广义的机械概念还是狭义的机械内容，在各个行业的各种机械都具有其共性的属性，即通过机构完成某项运动或位移或者是力的变化而实现其在某一领域机械产品的功能。 各种机械产品我们可以把它们定义为某一个机械对象，每一个对象有它的属性。这些属性应当包括针对不同行业或领域的各种机械产品的功能要求、计算方法、设计标准与规范。虽然都属于机械类的产品，应用的基础理论为理论力学、材料力学、机构力学、机械原理和机械零件，但在不同行业的机械产品中具体专业上的差距是巨大的。在遵循一般机械设计原理的同时还要遵循某一领域的机械产品的特殊性进行机械设计。这种特殊性是具有针对性的设计。 在产品的机械设计中还要贯穿到电气拖动和控制、液压驱动、气动、高温高压、流体力学、化学等跨学科的技术基础。产品的设计中要深入细致的研究这些技术基础。需要大量的时间去将这些特殊性的东西同机械基础理论结合起来而设计成需要的某一领域的机械产品。 在具有一定的机械设计基础理论后如果要实现针对某一领域产品的设计尚需要大量的时间去深入细致的进行研究和总结，找出其特有的规律。并且许多规律需要进行一定的科学试验方可找到。这一时间有时会相当长达几年或十几年。有些产品需要几代人的努力才能达到一定的技术高度。 机械产品的设计是模仿、总结、借鉴和创造多方面结合的技术工作。在合理的外部条件下，采用合理的设计哲学、设计准则和方法才可设计和创造出优秀的机械产品设计。 机械产品的设计还应当包括采用现代设计方法，除强度计算还要考虑参数优化、结构优化、方案优化。要进行可靠性分析、人机工程学、工业美学、绿色设计等准则。 现代机械设计还会应用到有限元设计、虚拟设计、稳健设计、并行设计、机电一体化设计、计算机辅助设计等最新的计算机软件进行机械产品的设计。 机械产品的设计最重要的部分应当包括以下几个方面：1、功能设计；2、主参数设计；3、主体机构设计；4、主体结构设计。 机械产品的设计工作是一项创造性的劳动，需要长期深入细致的进行研究才可以设计出让用户或业主满意的产品。 最初的设计往往使设计者摸不到头绪，不知从何处下手。因此，最初的设计也是设计的最困难的时候。这时需要勤思考，进行多方案的比较和计算。如果所确定的方案能够实现就可以设计出成功的产品。2.2.工程机械产品设计与趋势工程机械产品人性化的设计 1）环保安全关怀型驾驶室的设计： 如采用防紫外线辐射玻璃的全密封整体式、经减震降噪处理的“安全环保型”驾驶室，室内配置无氟环保型冷暖空调，并设计FOPS及POPS驾驶室以确保驾驶员的安全；充分运用人机工程学设计原理，如司机座椅可全方位调节、功能集成的单操纵手柄、可调式转向驱动器、全自动换挡装置、电子监控与故障自诊断系统，再辅以合理美观的颜色搭配，可大大改善司机的工作环境，缓解疲劳，提高作业效率。2）自动加脂装置或集中润滑系统的配置： 传统的手动加注润滑脂费时费力，而且通常有多余的油液溢出来污染周边环境。因此研制环保型工程机械就能自动定时加注润滑脂的设备，如集中润滑系统就能自动定时给各铰销加注黄油，其加油量经过仔细计算后设定，可很好地保证各销轴得到足够的润滑而又没有多余的油溢出，既环保又方便。另外对于小型机械，鉴于降低设计成本，可采用密封的销轴或使用新型材料的特殊轴套、或设计二级防尘结构等防止外部异物的进入和内部油脂的排出，从而延长加注润滑油的间隔，减少对环境的污染。 3）外观美学设计：传统的工程机械产品一直是外形粗放、笨重的形象，环保型产品更应注重外观美学和车身的流线型设计，达到机器的环境的谐和，给人以视觉上的美感。如发动机机罩就可进行造型别致美观的流线型设计，整机的标识标牌应精心布置、设计，良好地体现环保特色。4）人性化设计：工程机械控制技术的电子化代表了当今技术的发展趋势，采用微机控制技术，实现了各种工况下自动判断、挖掘机器发动机的功率输出，达到发动机的最佳功率匹配，减少发动机的燃油消耗，并自动诊断机器状态，使机器使始终能保持良好状态，因此控制和操纵的人性化能大大提高作业的安全性和舒适性。5）系统可靠性设计 尽量运用高可靠性的成熟技术和借用经市场考验后的成熟系列零部件可延长各关键系统或零件的使用寿命，减少更换次数。例如降低制动元件的更换频率就相当于减轻了对周围环境的破坏与污染。 第3章 机械产品的人机系统分析第3章 机械产品的人机系统分析3.1.人机工程学的含义以及国内部分人机交互学术机构3.1.1.关于人机工程学人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机器和人的相互关系，以提高整个系统工效的新兴边缘科学。 人机工程学研究在设计人机系统时如何考虑人的特性和能力，以及人受机器、作业和环境条件的限制。人机工程学 还研究人的训练，人机系统设计和开发，以及同人机系统有关的生物学或医学问题。对于这些研究，在北美称为人因工程学或人机工程学，苏联称为工程心理学，欧洲，日本和其他国家称为工效学。 人开始使用机器就构成了人机系统。第二次世界大战期间，人们认识到对制造出来的各种高效能的新式机器和机器系统(生产、运输、通信、武器和航空飞行器等)进行操纵和控制时，整体系统的工作效率在很多情况下是由其中人的活动来决定的。如雷达运行时，要求操纵人员接收和分辨出显示器上显示的各种信息，根据这些信息在很短时间内作出决策和进行操作。若雷达设备的全部潜力没有发挥出来，至少部分原因是操纵人员不能掌握这个电子设备的复杂操作。 经验和教训提醒人们，有时飞机弄错方向坠毁，炸弹误中友船，就是因为设计时没有考虑人的各种长处和短处。电子计算机发展的初期，计算机运算速度很快，输入数据、编制程序和打印结果很慢，机器经常处于空闲状态，也是因为没有考虑和研究人机接口系统和人机功能分配等因素引起的。 人的能力和机器的潜力很好地配合，能提高管理和控制效率。随着机械化、自动化和电子化的高度发展，人的因素在生产中的影响越来越大，人机协调问题也就越来越显得重要，人机工程学就是在这样的背景下创立和发展起来的。 在人机系统中操纵人员被看作系统中的一个元件。操作人员通过感觉器官(视、听、触、嗅、味)接收来自机器的信息，了解其意义并予以解释，或先进行计算，再把结果与过去的经验和策略进行比较，然后作出决策。 作出决策后，人通过控制器官(手、脚等)去操纵机器的操纵器，如开关、按钮、操纵杆、操纵盘、光笔或呼口令等，来改变机器的运转情况。机器随即发出新的信息，如此重复不断。人机系统不是孤立存在的，而是存在于某种环境之中。环境特性影响人的效率和行为。环境因素包括温度、湿度、噪声、照明、加速、振动、污染和失重等。 设计人机系统时，要把人和机器作为一个整体来考虑，合理地或最优地分配人和机器的功能，保证系统在环境变动下达到要求的目标。有些人机系统能用定量的系统分析和系统综合的方法进行设计。一个简单系统，如一位操纵人员和一台机器构成的单参数跟踪系统，操纵人员被看作是系统中一个元件，可用定量方法，即用传递函数或其他数学方法近似表达操纵人员的动态特性，建立操纵人员的准线性数学模型；用控制理论方法对操纵人员的传递函数，和机器的传递函数进行综合，便可得到调节品质合乎要求的稳定的人机跟踪系统。 建立人机系统，必须考虑以下五个方面：人员选择训练(包括训练设备)、设备设计、操作程序和环境。建立复杂的人机系统，除了这五个方面外，还要考虑人机系统的系统性能、人和机器的特性等，采用系统科学或信息科学的方法来设计和分析，然后进行系统试验，检查系统性能和操纵人员操纵的难易程度。 一般说来，人机系统要反复试验和使用才能逐渐完善。人机系统中，操纵人员是人机系统中的主体，设计和运用人机系统时应当充分发挥人在人机系统中的能动和主导作用。设计人员要和操纵人员密切配合，使人机系统达到要求的性能和指标，同时保证操纵人员操纵简便。安全舒适和提高系统工效。 人机工程学是一门年轻的科学。人机系统中人的特性、能力和限制已经有大量测试数据可查。从系统分析角度研究人机系统，在原有设备基本不变的情况下，由于考虑了人的动态特性而进行系统分析，再适当改动设备，就能显著提高工效。如手动控制系统，即操纵人员直接参与的用手连续控制的系统，在飞机、火炮、雷达、汽车、舰船和航天飞机等方面已广泛应用，在工业生产中也得到广泛应用。 人机接口系统，即人和计算机之间相互作用的系统，已是电子计算机发展的必不可少的重要组成部分。人机接口系统不仅在硬件上，而且在软件上也取得了进展-特别是在人机对话(或人机通信)方面，已研究出许多高级语言，正在研究采用自然语言进行人机对话，加快人机对话的速度，提高通信效果，发挥计算机的潜力。 人机接口系统中人承担越来越多的功能，操纵人员执行许多操作，进行人机对话，处理大量信息，作出各种决策。指挥控制通信系统是一种多操纵人员、多台机器的复杂的人机系统。即使是一个非常简单的设备，在操纵人员的问题上也会产生常规工程实践无法解决的问题。因此人机工程学具有重要的应用价值。 人机工程学的应用领域有电话、电传、计算机控制台、数据处理系统、高速公路信号、汽车、航空、航海 、现代化医院、环境保护、教育等，人机工程学甚至可用于大规模社会系统。 3.1.2.人机工程的应用领域有以下：（1）工作事故，健康与安全包括事故与安全；事故调查；事故改造；健康与安全；健康人机工程；危险分析；健康与安全课题；健康与安全规则的应用；工业工作压力；机器防护；安全文化与安全管理；安全文化评价与改进；警示与提醒技术；安全概率分析；（2）人体工作行为解剖学和人体测量解剖学；人体测量；人体测量和工作空间设计；生物力学；残疾人设计；姿势和生物力学负荷研究；工作中的滑倒、差错研究；背部疼痛；听觉障碍研究；（3）认知工效学和复杂任务认知技能和决策研究；法律人机工程；团队工作；过程研究；（4）计算机软件人机工程软件设计；软件发展；软件人机工程；执行和可用性；（5）计算机终端：设计与布局计算机产品和外设的设计与布局；计算机终端工作站；显示屏设备与规则；显示屏健康与安全；DSE和手动操作；顺从测量；DSE人机评价；VDUs 和办公环境人机工程研究；（6）显示与控制布局设计显示与控制信息的选择与设计（7）控制室设计控制台和控制室的布局设计；控制室人机工程；（8）环境人机工程环境状况和因素分析；噪音测量；工作中的听力损失；热环境；可视性与照明；工作环境人机工程；振动；（9）专家论证：多工作环境专家论证调查研究；法律人机工程；工业赔偿申诉；伤害诉讼；伤害原因；诉讼支持；（10）人机界面设计与评价人机界面的设计与发展；知识系统；人机界面形式；HCI/MMI原型；GUI原型；（11）人的可靠性人的失误和可靠性研究；人的失误分析；人因审查；人因整合；人的可靠性评价；（12）工业设计应用信息设计；市场/用户研究；医疗设备；坐的设计与舒适性研究；座椅设计与分类；家具分类与选择；（13）工业/商业工作空间设计工业工作空间设计；工业人机工程；工作设计与组织；人体测量学与工作空间设计；工作空间设计与工作站设计；警告、标签与说明；工作负荷分析； （14）管理与人机工程变化管理；成本-利益分析；突发事故应变研究；人机战略实施；操作效能；操作负荷分析；标准化研究；人力资源管理；工作程序；人机规则和实践；（15）手工操作负荷：安全与培训手工操作评价与培训；手工操作与举力；手工操作负荷（16）办公室人机工程与设计办公自动化；办公室和办公设备设计；办公室设计人机工程；DSE人机工程；（17）生理学方面和医学人机工程生理学；生理能力；医学人机工程；医学设备；心理生理学；行为期望；行为标准；（18）产品设计与顾客人机工程销售与市场；产品设计与测试；产品中人机工程；产品发展；产品可靠性与安全性；产品缺陷；产品材质；服装人机工程；（19）风险评估：多种工作状况风险与成本-利益分析；风险评估与风险管理；风险预测；总体骨骼、肌肉风险研究；（20）社会技术系统与人机工程组织行为；组织变化；组织心理学；人机工程战略；社会技术系统；暴力评估与动机；（21）系统分析系统分析与设计；系统整合；系统需求；电信系统与产品；人机系统；Manprint；人员配备研究；三维人体模型；实验设计；系统设计标准与类别；通信分析；（22）任务分析任务分析与工作设计；任务分析与综合；团队协作；（23）管理培训与人员培训人机工程培训；整体培训；认知技能/决策分析；工程师培训；STUDIO中 的训练；训练模型；培训需求分析；（24）可用性评估可用性评估与测试；可用性审核；可用性评估；可用性培训；试验与验证；仿真与试验；仿真研究；仿真与原型；（25）用户需求与用户指导用户文档；用户指导；用户手册与说明；用户界面设计与原型；用户需求分析与类别；用户实验管理；（26）车辆与交通人机工程航空；直升机人机工程；头盔显示；乘客环境；铁路车辆与系统；交通设计；车辆设计；车辆人机工程；车辆安全性 （27）与工作有关的骨骼、肌肉问题骨骼、肌肉紊乱；重复劳动的疲劳损伤；与工作有关的骨骼、肌肉管理问题；上肢损伤；（28）其它特殊的人机工程应用原子能；军队人机工程；军队系统；过程控制；文化调查；调查与研究方法；自动语音识别；3.2.机械产品的人机系统分析人机关系由人操纵工具、人适应机器、机器适合于人，发展到了现代的人机协调。人适应机器的能力是有一定限度的，人机关系进一步的解决办法是改善机器，让它适合于人操纵。 精益生产表明，常见的浪费中，动作的浪费也是其中之一。 人机系统设计，是以系统工程的观点来设计整个系统的。这个设计过程有个主要特征：首先是功能和物理问题的分离，分析功能问题是设计活动最初的一个独立的和明确的阶段，这个阶段主要是建系统要求的模型：第二个特征是把人作为一个整体系统的一个有机组成部分。工程设计的原则不能直接用于机器或设备，而不考虑使用和保管这些机器的人的因素。在分配和确定机器的功能时，应充分考虑到人的能力；第三个特征是要对设计进行条理性的定义和分类，保证能够给予设计人员一个系统的框架，以减少可能疏忽的细节。 研究的对象是人机环境系统的整体状态和过程。它与系统工程以系统为对象，着眼于整体的状态与过程的观点是一致的。因此，要运用系统工程的观点来分析人机系统。 3.2.1.人机系统评价内容与原则： 评价内容：评价必须对人机系统的人、机、环境三大要素的整体和各要素特性与功能等进行综合评价，包括有： （）确定适用的评价方法、评价目标和评价标准。 （）依据给定的评价程序和方法，对系统进行客观、定性或定量的评价，结合整体性、技术性、宜人性、安全性、经济性等目标及经验数据，找出系统的最优方案和最佳的工作条件。 （）在技术经济条件难以或不可能达到预期目的时，应该对规划或设计方案进行可行性研究，反复评价，以符合最优化的目的。 人机系统设计的评价目的在于：根据评价结果对系统进行调整，发扬优点，改善薄弱环节，消除不良因素或潜在危机，以达到系统的最优化。 3.2.2.评价原则： 人机系统是产品系统的一个分系统，因此，其评价要从整个系统出发，遵循局部利益与整体利益相结合、当前利益与长远利益相结合、内部条件与外部条件相结合、定性分析与定量分析相结合等原则，对设计方案的质量进行综合评定。在评价方法上要注意以下原则： （）评价方法的客观性：评价时防止评价者主观因素的影响，因此应该提供可靠的数据，其数据取值范围不可过大，否则将使评价者无所适从，同时对调查结果进行检查。 （）评价方法的通用性：评价方法适应评价同一级的各种系统。 （）评价方法的综合性：能反映评价对象各方面的重要功能和因素，这样才能真实的反映被评价对象的实际情况。 3.2.3.评价目标的建立 评价目标 评价的第一步是设计评价目标，由此可导出评价要素，并可按照评判结果设计方案。设定目标一般都有多个，可概括为以下三个主要方面的内容。 （）技术评价目标。 （）经济评价目标 （）设计评价目标 建立目标的前提条件 建立目标时，应尽可能的满足下列条件： （）目标中应尽可能包括对判断有重大关系的要求和一般条件，以免在评价时忽略重要依据。 （）在进行评价时依据的各个目标，必须是相互独立的，即对某一个目标的价值有影响的措施不影响其他目标的价值。 需评价的系统中各个目标的特性应该简单明确，尽可能定量的表达，至少也要用明确的问题定性表达 3.2.4.人机操作程序图的定义 人机操作程序图：是记录在同一时间坐标上、反应操作者与机器的配合关系的一种图表。它可以清楚的显示人的工作周期与机器的工作周期在时间上的配合关系，因此，通过对人机操作程序图的分析，可减少人机空闲时间，提高人机效率的新方法。 3.2.5.工作合理化检验表 有关人的检核表 是否适合该项作业的身体素质； 能力是否充分，是否持有操作证； 有没有工作研究的知识； 有没有正确的操作指导书； 作业员本身能否做好作业准备，工具的选定； 有没有利用的工具； 要不要改变工作条件； 有没有难任务性工作； 工作是否长时间紧张； 有没有考虑防止危害； 工作服务是否轻快。 有关机器的检核表 机器是否符合使用目的； 能不能更为简化，有没有专用机器； 由何人维护机器； 能不能提高机器周转数； 能不能由一人操作多台机器； 机器的动作率是否良好； 有没有做好预防保养，由何人担任； 有没有修理班； 手轮、按钮的操作是否轻易； 开关、手轮的位置是否在适当的作业范围内； 操纵部分人手的多少； 操作部分的防热、防寒是否足够； 没有经验的生手是否能够操作； 在机构上是否能够避免不适当的作业方法； 有没有危险的部位，有没有危险防止装置； 机器的启动开关是否在动作范围内。 在进行机械产品人机分析的过程中，经常需要绘制人机图，人机图的绘制步骤如下： 人机图的绘制步骤 首先须明确作业员、过程作业之内容； 必须明确这些作业的先后顺序及其同时关系； 测定各作业所需要的时间； 找作业员与机器的作业在何处同时开始或同时完成，并考虑其先后顺序及同时关系，而基于现状绘制人机图； 注视作业员机器的时间，并考虑各作业的先后顺序及同时关系，设法改变作业顺序以减少其等待时间； 根据改变作业顺序所绘制的人机图，再详予探讨改善的对策，并预估其改善效果。 绘制人机图可以了解事项： 在过程中的作业中，各作业员与机器的作业内容，及其顺序关系； 作业员与机器的作业关联状态； 掌握作业员与机器的“等待时间”，及占有百分比的状况。 因此，利用人机图可以探讨下列问题 ：作业员或机器有显著的等待状态，或作业率低落； 虽知各个作业时间，但未能确知一过程的需要时间； 员或机器台数的安排，对过程时间有何影响，其作业率如何。 通过以上分析，可以绘制机械产品的人机系统图，对设计进行改进，协调尺寸，提高效能。第4章 虚拟技术第4章 虚拟技术4.1.虚拟现实的技术特征（1）多感知性 ：所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。（2）存在感又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。（3）交互性交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。（4）自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。4.2.虚拟现实系统的构成：虚拟现实系统主要由以下几个模块构成：（1）检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。 （2） 反传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境；另一方面 将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。（3） 控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作用。 （5）3D模块：实现世界各组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。（6）建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。4.3.虚拟现实系统的技术关键虚拟现实的关键技术可以包括以下几个方面：（1）动态环境建模技术虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。在机械产品的设计与制造过程中所涉及的模型主要有以下几种：生产模型：可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。 产品模型：是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。 工艺模型：将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。（2）实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。（3）立体显示和传感器技术虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实还远远不能满足系统的需要，例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。（4）应用系统开发工具虚拟现实应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造力。选择适当的应用对象可以大幅度地提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。为了达到这一目的，必须研究虚拟现实的开发工具。例如，虚拟现实系统开发平台、分布式虚拟现实技术等。（5）系统集成技术由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。虚拟技术的虚拟现实技术的应用前景是很广阔的。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、医学、艺术与娱乐等多个方面。具体应用举例如下：用于遥控机器人的遥控技术；飞机仿真系统；与虚拟生物对话；作战仿真系统；虚拟风洞；虚拟物力实验室；虚拟电力控制室等等。虚拟设计是一种新兴的多学科研究成果交叉技术。它涉及多方面的专业技术，通过以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象，使得设计人员把传统设计与多维的信息环境进行交互，同时利用这项技术也可以大大地减少实物模型和样同的制造。虚拟设计按照配置的档次可分为两大类：一种是基于PC机的廉价设计系统；另一种是基于工作站的高档产品开发设计系统。虽然是两种系统，但它们的工作原理是基本相同的。人们对虚拟现实技术在机械产品设计方面的应用进行广泛的探讨研究后发现，这项技术（虚拟设计）对缩短产品开发周期，节省制造成本有着重要的意义。当今在不少大公司的产品设计中都采用了这项先进技术，例如通用汽车公司、波音公司、奔驰公司、福特汽车公司等。随着科技日新月异的高速成发展，虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学等方面必将发挥更加重大的作用。4.4. 虚拟环境虚拟现实(Virtual Reality，简称VR;又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术。VR是一 项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计 算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世 界进行体验和交互作用。VR主要有三方面的含义：第一，虚拟现实是借助于计算机生成逼真 的实体，“实体”是对于人的感觉(视、听、触、嗅)而言的；第二，用户可以通过人的自然 技能与这个环境交互，自然技能是指人的头部转动、眼动、手势等其他人体的动作；第三， 虚拟现实往往要借助于一些三维设备和传感设备来完成交互操作。近年来，VR已逐渐从实验 室的研究项目走向实际应用。目前在军事、航天、建筑设计、旅游、医疗和文化娱乐及教育 方面得到不少应用。在国内，有关VR的项目已经列入计划，VR的研究和应用正在全面展开。 “虚拟现实技术”对全球大多数企业来说都是一个新名词，但由于“虚拟现实技术”的巨大应用价值，已为宝马、GE（通用）、Boeing（波音）、Sukhoi（苏霍伊）等全球500强中的大型工业企业广泛应用于设计、营销、培训、客户服务等诸多领域。4.5.多通道环幕立体投影系统4.5.1.展示系统通道环幕立体投影系统，或柱面立体投影系统是指：采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统： 多通道环幕立体投影系统，或柱面立体投影系统是指：采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统，它比普通的标准投影系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。多通道环幕（立体）投影系统由于其技术含量高、价格昂贵，以前一般用于虚拟仿真、系统控制和科学研究，近来开始向科博馆、展览展示、工业设计、教育培训、会议中心等专业领域发展。其中，科博馆是该技术的最大应用场所，目前，已经在国内许多科博馆得到推广和应用，这种全新的视觉展示技术更能彰显科博馆的先进性和创新性。 4.5.2. VR-Platform多通道处理系统特性：1. VRP-Blender 多通道边缘融合模块边缘融合始终是环幕系统所要解决的关键技术之一，VRP可以将这一过程在PC端完成，避免使用价格昂贵的硬件融合机，从而实现多通道画面的融合，从画面上几乎看不出融合区。2. VRP-Rectify 多通道曲面几何矫正模块由于柱面投影的特殊性，在没有曲面矫正的情况下，无法保证两个投影画面的完全重合。VRP的曲面矫正模块，可以使得投影机投影在任何曲面上，都可以经过矫正以获得一个正规的图象。4.5.3.VRP-Sync 多PC级联网络计算模块VRP抛弃了过去那种使用价格昂贵的多头显卡进行多通道计算，进而采用具有极高性价比的多主机联网方式，不仅使得整个系统的运算能力获得大幅度提升，而且系统价格也大幅下降。经测试，同等价格下，采用我公司的设计方案，其三维运算能力是多头显卡方案的5倍以上。 第5章 基于人机工程学的机械产品虚拟建模设计第5章 基于人机工程学的机械产品虚拟建模设计 同仿真技术一样，虚拟设计的建模是开发VR应用的核心。首先从数字上定义基本过程，并配备已有的硬件资源。建立起设备零件的几何模型，在将之转换成能在计算机上实现和运行的仿真模型。第二步，开发对象数据库和优化模型，即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的IO工具映射到仿真的世界。虚拟现实技术的建模过程如下：(1)几何建模：描述虚拟对象的形状和外表，可通过照片扫描或图像绘图软件建立。 (2)运动建模：表示虚拟对象在虚拟世界中的动态特性，有关对象位置变化、碰撞、伸缩、手抓握和表面变形等方面的特性就属于运动建模问题。(3 )物理建模：反映对象的质量、重 量、惯性、表面粗糙度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型，我们可用虚拟手握住这个实体，就能够真实地感受到该物体的重量、表面光滑程度等。度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型，我 图1 VR建模过程。(4)声音建模：根据听觉机理提供声音模拟。(5)模型分割：在不失真的条件下，减少模型的复杂度，提高显示实时性。在机械产品的概念设计阶段，将虚拟设计的方法放在人机协同的环境当中，或者说，将人机工程学的分析与虚拟建模结合起来，以安全科学，系统科学为核心，通过人、机、环境三大要素的关联与制约、人的特性与数学模型、机的特性与人机界面的设计，环境特性与作业空间的设计，人、机、环境系统的总体性能分析与安全评价计算等，得出尺寸参数等，进而在这个基础上进行虚拟建模设计。5.1. 各种方法比较总结与分析目前机械产品的虚拟设计主要集中在以下几种方法的研究上: 需要传送数据的虚拟设计;不需要传送数据的虚拟设计; 虚拟菜单的建造等.5.1.1.需要传送数据的虚拟设计 参数化的CAD/CAM系统经过“数据集成器”将CAD/CAM 中所建造的模型数据，经过处理并传送到虚拟环境中，以适应在虚拟环境中进行设计、装配和制造的需要。用户可根据从CAD 系统传来的参数化模型进行观察、标注尺寸、修改或改进评价。用户要通过主界面及数据集成器和进行数据交换后的图形进行交互。这种虚拟设计中的CAD/CAM 可以选择各种商品化的系统，例如：Pro/Egineer,CARTIA,AtoCAD 等。 数据集成器是模型管理器的一部分，负责在虚拟环境和CAD/CAM 系统之间双向数据传送的任务，一方面接收从CAD/CAM 传过来的产品模型数据，另一方面要将在虚拟环境中对产品参数化模型进行修改后的数据返回CAD/CAM系统中。如果需要，数据集成器可以再读入新数据，并在虚拟环境中反应修改后的效果。数据集成器可在虚拟环境中创建图像，在主界面上显示。 主界面是用户和虚拟环境交互的主要界面，它可以是头盔中的显示器，也可以是计算机屏幕、大投影屏幕。 在需要传送数据的虚拟设计环境中，数据表达非常重要，它提供一种方法，使数据可以在系统中不同模块之间储存和传送数据。CAD/CAM系统因为所使用的软件的不同所建立模型数据是各种各样的。 需要传送数据的虚拟设计系统中有两大分支，一是用于建立虚拟环境主界面的对象类，二是用于开发虚拟环境中的软件工具的对象类。开发这个虚拟设计系统可参考以下步骤：1、确定一个设计的产品；2、选定一个和虚拟环境协同工作的CAD/CAM系统。3、了解其数据表达和传送机制，并用它来建造所要设计产品的零件和部件的三围模型；4、确定一个需要建立的虚拟环境，明确其功能、规模和使用的硬件设备、工具软件、编程语言及数据表达；确定CAD/CAM系统和所要建立的虚拟环境之间的数据交换方式；5、建立各对象类的模块，明确各模块之间的关系，集成起来进行测试。测试双向数据传送的效果和考核整体效果。5.1.2.不需要传送数据的虚拟设计（VR-CAD） VR-CAD最主要的特点是用户直接在3-D虚拟环境中造型。基于这个特点，VR-CAD系统的组成和结构的内容可归纳如下：1、建立一个基本体系库，包括：长方体、圆柱体、圆锥体、棱形体、球体、圆环体等。选择一个在虚拟环境中的建模软件。2、确定在虚拟环境中基本体素之间的交互方法。选择合适的硬件来完成交互操作，同时，可以用软件对体素进行编辑和进行布尔运算。3、确定用基本体素完成机械零件零部件造型之后所要求的精度。4、建造一个交互界面，观察造型过程及结果，选用不同的图形显示装置，例如选用PC或立体眼镜。5.2.现有方法、技术存在的问题或需要解决的问题通过对机械产品虚拟设计的现有方法及技术的分析与总结，发现存在以下几个方面的问题：一、 在需要数据传送的虚拟设计系统中，用户要针对从CAD系统传来的参数化模型进行观察、评价，修改，必要时要将数据返回到CAD 系统进行修改设计，这样在一个机械产品的设计中可能要出现多次的数据传送。耗时费力。解决的办法是在虚拟设计的初始建模阶段进行机械产品的人机工程学分析，提高虚拟原型评价符合要求的可能性，减少数据双向传送以及修改的次数。二、一般建模的缺点是不可管理性、不可扩展性和无序性。解决的办法是在虚拟环境中采用面向对象的建模方法。这种方法是将复杂的设计问题采用现实环境中面向对象的分解方法，将整个系统分解成若干个对象，每个对象除了反映本身外，还可以向其他对象传送信息或接收其他