人機(jī)工程學(xué)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要本文綜述了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的兩個(gè)思想和主要設(shè)計(jì)方法。特別強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新思維和“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)觀及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 嘗試應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論去指導(dǎo)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并對(duì)此進(jìn)行一些探討。

關(guān)鍵詞現(xiàn)代機(jī)械;設(shè)計(jì)思想;方法;人機(jī)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)TB18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1673-9671-(2009)121-0044-01

1現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)思想

1.1創(chuàng)新思維和方法

思維是人腦對(duì)于客觀事物間接的、概括的反映，創(chuàng)新思維則是產(chǎn)生新穎性思維結(jié)果的思維。創(chuàng)新思維的基本要素是:敏銳的觀察力，豐富的想象力，廣博的知識(shí)結(jié)構(gòu)以及鍥而不舍的追求達(dá)到目標(biāo)的注意力。根據(jù)創(chuàng)新思維過程的分析，總結(jié)出如下的創(chuàng)新思維法則(原理)，在設(shè)計(jì)中主動(dòng)運(yùn)用，可以提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。(1)分析與綜合思維法則，(2)發(fā)散與收斂思維法則，(3)對(duì)應(yīng)與聯(lián)想思維法則，(4)分解與組合思維法則，(5)換元與移植思維法則，(6)正向、迂回與反向思維法則。

1.2 “人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)觀

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)是以“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)觀統(tǒng)一處理設(shè)計(jì)中的問題。該系統(tǒng)觀要求設(shè)計(jì)者不僅要考慮機(jī)器功能實(shí)現(xiàn)，而且要考慮人的因素和環(huán)境因素，協(xié)調(diào)融合三者的關(guān)系，將機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展成為“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者必須充分考慮以下問題:明確“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)運(yùn)行情況及其相互作用;“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)的功能合理分配;重視人的生理和心理因素及人的行為科學(xué);重視可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略觀。

2現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法

2.1設(shè)計(jì)方法

1)基于功能原理的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此方法以機(jī)械設(shè)計(jì)為主，輔助考慮人、環(huán)境與機(jī)的關(guān)系。用功能分析與綜合的原理確定機(jī)械系統(tǒng)方案，并借助價(jià)值工程評(píng)價(jià)選優(yōu)。

2)人機(jī)工程學(xué)。在“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)中，人與機(jī)之間形成一個(gè)界面，系統(tǒng)是否運(yùn)轉(zhuǎn)的良好。與這個(gè)界面的好壞有很大的關(guān)系。人機(jī)工程學(xué)的重點(diǎn)就是界面設(shè)計(jì)。人與機(jī)在界面上的耦合可以歸納為基于感覺器官的耦合、基于人體形態(tài)的耦合、基于力的耦合、以及人腦和作為現(xiàn)代機(jī)械主控設(shè)備——計(jì)算機(jī)之間的耦合。這些耦合涉及人和機(jī)各自的特征，界面設(shè)計(jì)的任務(wù)就是深刻認(rèn)識(shí)這些特征，并在界面上建立雙方最佳耦合關(guān)系。

3)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)。它是科學(xué)、美學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，以產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)為主要對(duì)象的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)是現(xiàn)代產(chǎn)品具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的要素之一。造型設(shè)計(jì)研究產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、紋理、裝飾等內(nèi)容，將造型要素按照一定的原則和方法組合成美的形體，使產(chǎn)品不僅具有實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，而且具有良好的人—機(jī)—環(huán)境的協(xié)調(diào)性，給人以強(qiáng)烈時(shí)代信息的美感、舒適感和安全感。

4)綠色設(shè)計(jì)?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略從環(huán)境的角度，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了全新的要求。綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是把產(chǎn)品視為與人類環(huán)境生存的生命體。以其廣義生命周期為研究對(duì)象，并行的考慮生命周期內(nèi)每一階段產(chǎn)品與人、環(huán)境的相互影響，擬定相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略，優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。

2.2機(jī)械學(xué)理論和方法

機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)、傳動(dòng)機(jī)械學(xué)等，及計(jì)算機(jī)輔助分析(有限元法、模態(tài)分析、專家系統(tǒng)等)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械的方案設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)、工作能力(強(qiáng)度、變形、振動(dòng)、摩擦與潤(rùn)滑等)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題能作出很好的處理，一系列新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法正在形成。

2.3可靠性設(shè)計(jì)

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的可靠性已成為其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵指標(biāo)之一?？煽啃栽O(shè)計(jì)是綜合可靠性數(shù)學(xué)、可靠性物理及可靠性工程等學(xué)科知識(shí)的新興設(shè)計(jì)方法。它研究產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)質(zhì)量指標(biāo)變化規(guī)律，對(duì)零部件和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

2.4優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程就是一個(gè)優(yōu)化的過程。產(chǎn)品的優(yōu)化是一個(gè)從宏觀到微觀，從全局到局部，從總體方案到零部件設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程，即可分為參數(shù)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化及總體方案優(yōu)化三個(gè)層次。對(duì)于三者優(yōu)化的處理方法還有所不同，但隨優(yōu)化理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，日趨形成完整的優(yōu)化方法體系。

2.5計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是把計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到設(shè)計(jì)過程，利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。它能夠減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)，縮短設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。CAD技術(shù)使得機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)生巨大的變化，并成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)重要組成部分。

3人機(jī)系統(tǒng)理論在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)工作者在設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮的六大主要因素有:

1)必須堅(jiān)持總體考慮?？刹扇蓚€(gè)途徑來設(shè)計(jì)生產(chǎn)設(shè)備以提高人類的操作技能;第一，正確合理地分配人和機(jī)器的工作任務(wù)。第二，設(shè)計(jì)設(shè)備使其符合人的能力范圍從而使操作人員能得心應(yīng)手。

2)可維護(hù)性。機(jī)械設(shè)備從開始設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮可維護(hù)性問題。因?yàn)殡S著科技的發(fā)展系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，并且系統(tǒng)內(nèi)各部分相互依賴性更加增強(qiáng)，維護(hù)必要性的評(píng)價(jià)和及時(shí)提供故障檢修方面的幫助變得及其重要，不可忽視。提供有關(guān)維護(hù)性必要信息的最佳人員是深受劣質(zhì)設(shè)計(jì)影響的維護(hù)技工。

3)顯示器的設(shè)計(jì)的要求。為了提高生產(chǎn)設(shè)備的工作效率，必須及時(shí)準(zhǔn)確的向操作者提供機(jī)器設(shè)備工作狀態(tài)的信息并使其能及時(shí)使用機(jī)器上的控制器對(duì)這些信息作出相應(yīng)恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng).，生產(chǎn)系統(tǒng)中之所以使用顯示器，其根本目的是給操作者提供關(guān)于設(shè)備功能狀況或過程的信息，這些信息可分為:必須知道的信息，最好知道信息還有歷史信息。

4)控制器的設(shè)計(jì)的要求。信息是通過顯示器提供給操縱者，這可以是動(dòng)態(tài)視覺顯示器如VDT或指示燈，靜態(tài)顯示器如標(biāo)牌，符號(hào)或指令，或者是聽覺，觸覺顯示器。機(jī)器操作者對(duì)顯示的反應(yīng)可以通過控制器或資料輸入裝置來實(shí)現(xiàn)，這可能是一個(gè)開關(guān)，操縱桿，踏板，鍵盤，書寫筆等任何一種由操作者使用來影響一個(gè)系統(tǒng)特征的工具。如果控制器的操作與人們的習(xí)慣性一致，它的尺寸也與人體相適應(yīng)，并且它們的運(yùn)行特征在大多數(shù)人的力量和精確度很容易達(dá)到的范圍內(nèi)，那么系統(tǒng)的性能將得到極大的加強(qiáng)。

5)工具設(shè)計(jì)。在大多數(shù)工作中手持工具是用于執(zhí)行所要求的精度和力度非人手可完成的任務(wù)，這些工具可能是電動(dòng)的(如氣槍、鏈鋸、研磨機(jī))或是手持的(如螺絲刀、鉗子、扳手、夾鉗)，并且可能緊偶爾使用(開閥門)或者在一項(xiàng)裝配操作中不停地使用，如打磨金屬零件的毛邊。很少有手持工具的大小設(shè)計(jì)可同時(shí)滿足不同操作者的首部特征;把柄的大小常常根據(jù)電動(dòng)工具產(chǎn)生的扭矩而定，而雙炳工具的跨距設(shè)計(jì)要求與所使用的扣件大小必須相匹配。

6)設(shè)備的選擇和評(píng)價(jià)。不管是識(shí)別工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)中的缺陷還是計(jì)劃購(gòu)買新的工具，對(duì)所選擇的干預(yù)措施或候選工具的評(píng)估都將有助于做出更合理的決定。

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