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摘要本文综述了现代机械设计的两个思想和主要设计方法。特别强调创新思维和“人-机-环境”系统观及可持续发展战略。 尝试应用人机工程学系统设计理论去指导机械系统的设计并对此进行一些探讨。
关键词现代机械;设计思想;方法;人机系统
中图分类号TB18文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)121-0044-01
1现代机械设计思想
1.1创新思维和方法
思维是人脑对于客观事物间接的、概括的反映,创新思维则是产生新颖性思维结果的思维。创新思维的基本要素是:敏锐的观察力,丰富的想象力,广博的知识结构以及锲而不舍的追求达到目标的注意力。根据创新思维过程的分析,总结出如下的创新思维法则(原理),在设计中主动运用,可以提高创新设计能力。(1)分析与综合思维法则,(2)发散与收敛思维法则,(3)对应与联想思维法则,(4)分解与组合思维法则,(5)换元与移植思维法则,(6)正向、迂回与反向思维法则。
1.2 “人-机-环境”系统观
现代机械设计是以“人-机-环境”系统观统一处理设计中的问题。该系统观要求设计者不仅要考虑机器功能实现,而且要考虑人的因素和环境因素,协调融合三者的关系,将机械设计发展成为“人-机-环境”系统的设计。设计者必须充分考虑以下问题:明确“人-机-环境”系统运行情况及其相互作用;“人-机-环境”系统的功能合理分配;重视人的生理和心理因素及人的行为科学;重视可持续发展的战略观。
2现代机械设计方法
2.1设计方法
1)基于功能原理的机械系统设计。此方法以机械设计为主,辅助考虑人、环境与机的关系。用功能分析与综合的原理确定机械系统方案,并借助价值工程评价选优。
2)人机工程学。在“人—机—环境”系统中,人与机之间形成一个界面,系统是否运转的良好。与这个界面的好坏有很大的关系。人机工程学的重点就是界面设计。人与机在界面上的耦合可以归纳为基于感觉器官的耦合、基于人体形态的耦合、基于力的耦合、以及人脑和作为现代机械主控设备——计算机之间的耦合。这些耦合涉及人和机各自的特征,界面设计的任务就是深刻认识这些特征,并在界面上建立双方最佳耦合关系。
3)产品造型设计。它是科学、美学与艺术的结合,以产品造型设计为主要对象的创新设计方法。产品造型设计是现代产品具有市场竞争力的要素之一。造型设计研究产品的功能、结构、形态、色彩、纹理、装饰等内容,将造型要素按照一定的原则和方法组合成美的形体,使产品不仅具有实用性、经济性,而且具有良好的人—机—环境的协调性,给人以强烈时代信息的美感、舒适感和安全感。
4)绿色设计。可持续发展战略从环境的角度,对产品设计提出了全新的要求。绿色产品设计就是把产品视为与人类环境生存的生命体。以其广义生命周期为研究对象,并行的考虑生命周期内每一阶段产品与人、环境的相互影响,拟定相应的设计策略,优选设计方案。
2.2机械学理论和方法
机构学、机械动力学、摩擦学、机械结构强度学、传动机械学等,及计算机辅助分析(有限元法、模态分析、专家系统等)的不断发展,对机械的方案设计、运动设计、动力设计、工作能力(强度、变形、振动、摩擦与润滑等)设计等关键技术问题能作出很好的处理,一系列新的设计准则和方法正在形成。
2.3可靠性设计
现代机械产品的可靠性已成为其市场竞争力的关键指标之一。可靠性设计是综合可靠性数学、可靠性物理及可靠性工程等学科知识的新兴设计方法。它研究产品全寿命周期内质量指标变化规律,对零部件和整个系统进行可靠性设计。
2.4优化设计
机械产品设计的过程就是一个优化的过程。产品的优化是一个从宏观到微观,从全局到局部,从总体方案到零部件设计的优化过程,即可分为参数优化,结构优化及总体方案优化三个层次。对于三者优化的处理方法还有所不同,但随优化理论和计算机技术的发展,日趋形成完整的优化方法体系。
2.5计算机辅助设计
计算机辅助设计(CAD)是把计算机技术引入到设计过程,利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。它能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。CAD技术使得机械设计发生巨大的变化,并成为现代机械设计重要组成部分。
3人机系统理论在现代机械设计中的应用
机械设计工作者在设计中必须重点考虑的六大主要因素有:
1)必须坚持总体考虑。可采取两个途径来设计生产设备以提高人类的操作技能;第一,正确合理地分配人和机器的工作任务。第二,设计设备使其符合人的能力范围从而使操作人员能得心应手。
2)可维护性。机械设备从开始设计时就要考虑可维护性问题。因为随着科技的发展系统变得越来越复杂,并且系统内各部分相互依赖性更加增强,维护必要性的评价和及时提供故障检修方面的帮助变得及其重要,不可忽视。提供有关维护性必要信息的最佳人员是深受劣质设计影响的维护技工。
3)显示器的设计的要求。为了提高生产设备的工作效率,必须及时准确的向操作者提供机器设备工作状态的信息并使其能及时使用机器上的控制器对这些信息作出相应恰当的反应.,生产系统中之所以使用显示器,其根本目的是给操作者提供关于设备功能状况或过程的信息,这些信息可分为:必须知道的信息,最好知道信息还有历史信息。
4)控制器的设计的要求。信息是通过显示器提供给操纵者,这可以是动态视觉显示器如VDT或指示灯,静态显示器如标牌,符号或指令,或者是听觉,触觉显示器。机器操作者对显示的反应可以通过控制器或资料输入装置来实现,这可能是一个开关,操纵杆,踏板,键盘,书写笔等任何一种由操作者使用来影响一个系统特征的工具。如果控制器的操作与人们的习惯性一致,它的尺寸也与人体相适应,并且它们的运行特征在大多数人的力量和精确度很容易达到的范围内,那么系统的性能将得到极大的加强。
5)工具设计。在大多数工作中手持工具是用于执行所要求的精度和力度非人手可完成的任务,这些工具可能是电动的(如气枪、链锯、研磨机)或是手持的(如螺丝刀、钳子、扳手、夹钳),并且可能紧偶尔使用(开阀门)或者在一项装配操作中不停地使用,如打磨金属零件的毛边。很少有手持工具的大小设计可同时满足不同操作者的首部特征;把柄的大小常常根据电动工具产生的扭矩而定,而双炳工具的跨距设计要求与所使用的扣件大小必须相匹配。
6)设备的选择和评价。不管是识别工作场所设计中的缺陷还是计划购买新的工具,对所选择的干预措施或候选工具的评估都将有助于做出更合理的决定。
参考文献
[1]王成焘 主编.现代机械设计[M].上海:上海科学文献出版社,1999.
[2]张鄂 主编.现代设计方法[M].西安:西安交通大学出版社,1999.
[3]朱龙根 主编.机械系统设计(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2001.
[4]丁玉兰 编著.人机工程学(第三版)[M].北京:北京理工大学出版社.
[5]高世杰 等.机械设计及作业中的人机工程学研究[J].中国科教创新导刊,总第469期.
关键词现代机械;设计思想;方法;人机系统
中图分类号TB18文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)121-0044-01
1现代机械设计思想
1.1创新思维和方法
思维是人脑对于客观事物间接的、概括的反映,创新思维则是产生新颖性思维结果的思维。创新思维的基本要素是:敏锐的观察力,丰富的想象力,广博的知识结构以及锲而不舍的追求达到目标的注意力。根据创新思维过程的分析,总结出如下的创新思维法则(原理),在设计中主动运用,可以提高创新设计能力。(1)分析与综合思维法则,(2)发散与收敛思维法则,(3)对应与联想思维法则,(4)分解与组合思维法则,(5)换元与移植思维法则,(6)正向、迂回与反向思维法则。
1.2 “人-机-环境”系统观
现代机械设计是以“人-机-环境”系统观统一处理设计中的问题。该系统观要求设计者不仅要考虑机器功能实现,而且要考虑人的因素和环境因素,协调融合三者的关系,将机械设计发展成为“人-机-环境”系统的设计。设计者必须充分考虑以下问题:明确“人-机-环境”系统运行情况及其相互作用;“人-机-环境”系统的功能合理分配;重视人的生理和心理因素及人的行为科学;重视可持续发展的战略观。
2现代机械设计方法
2.1设计方法
1)基于功能原理的机械系统设计。此方法以机械设计为主,辅助考虑人、环境与机的关系。用功能分析与综合的原理确定机械系统方案,并借助价值工程评价选优。
2)人机工程学。在“人—机—环境”系统中,人与机之间形成一个界面,系统是否运转的良好。与这个界面的好坏有很大的关系。人机工程学的重点就是界面设计。人与机在界面上的耦合可以归纳为基于感觉器官的耦合、基于人体形态的耦合、基于力的耦合、以及人脑和作为现代机械主控设备——计算机之间的耦合。这些耦合涉及人和机各自的特征,界面设计的任务就是深刻认识这些特征,并在界面上建立双方最佳耦合关系。
3)产品造型设计。它是科学、美学与艺术的结合,以产品造型设计为主要对象的创新设计方法。产品造型设计是现代产品具有市场竞争力的要素之一。造型设计研究产品的功能、结构、形态、色彩、纹理、装饰等内容,将造型要素按照一定的原则和方法组合成美的形体,使产品不仅具有实用性、经济性,而且具有良好的人—机—环境的协调性,给人以强烈时代信息的美感、舒适感和安全感。
4)绿色设计。可持续发展战略从环境的角度,对产品设计提出了全新的要求。绿色产品设计就是把产品视为与人类环境生存的生命体。以其广义生命周期为研究对象,并行的考虑生命周期内每一阶段产品与人、环境的相互影响,拟定相应的设计策略,优选设计方案。
2.2机械学理论和方法
机构学、机械动力学、摩擦学、机械结构强度学、传动机械学等,及计算机辅助分析(有限元法、模态分析、专家系统等)的不断发展,对机械的方案设计、运动设计、动力设计、工作能力(强度、变形、振动、摩擦与润滑等)设计等关键技术问题能作出很好的处理,一系列新的设计准则和方法正在形成。
2.3可靠性设计
现代机械产品的可靠性已成为其市场竞争力的关键指标之一。可靠性设计是综合可靠性数学、可靠性物理及可靠性工程等学科知识的新兴设计方法。它研究产品全寿命周期内质量指标变化规律,对零部件和整个系统进行可靠性设计。
2.4优化设计
机械产品设计的过程就是一个优化的过程。产品的优化是一个从宏观到微观,从全局到局部,从总体方案到零部件设计的优化过程,即可分为参数优化,结构优化及总体方案优化三个层次。对于三者优化的处理方法还有所不同,但随优化理论和计算机技术的发展,日趋形成完整的优化方法体系。
2.5计算机辅助设计
计算机辅助设计(CAD)是把计算机技术引入到设计过程,利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。它能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。CAD技术使得机械设计发生巨大的变化,并成为现代机械设计重要组成部分。
3人机系统理论在现代机械设计中的应用
机械设计工作者在设计中必须重点考虑的六大主要因素有:
1)必须坚持总体考虑。可采取两个途径来设计生产设备以提高人类的操作技能;第一,正确合理地分配人和机器的工作任务。第二,设计设备使其符合人的能力范围从而使操作人员能得心应手。
2)可维护性。机械设备从开始设计时就要考虑可维护性问题。因为随着科技的发展系统变得越来越复杂,并且系统内各部分相互依赖性更加增强,维护必要性的评价和及时提供故障检修方面的帮助变得及其重要,不可忽视。提供有关维护性必要信息的最佳人员是深受劣质设计影响的维护技工。
3)显示器的设计的要求。为了提高生产设备的工作效率,必须及时准确的向操作者提供机器设备工作状态的信息并使其能及时使用机器上的控制器对这些信息作出相应恰当的反应.,生产系统中之所以使用显示器,其根本目的是给操作者提供关于设备功能状况或过程的信息,这些信息可分为:必须知道的信息,最好知道信息还有历史信息。
4)控制器的设计的要求。信息是通过显示器提供给操纵者,这可以是动态视觉显示器如VDT或指示灯,静态显示器如标牌,符号或指令,或者是听觉,触觉显示器。机器操作者对显示的反应可以通过控制器或资料输入装置来实现,这可能是一个开关,操纵杆,踏板,键盘,书写笔等任何一种由操作者使用来影响一个系统特征的工具。如果控制器的操作与人们的习惯性一致,它的尺寸也与人体相适应,并且它们的运行特征在大多数人的力量和精确度很容易达到的范围内,那么系统的性能将得到极大的加强。
5)工具设计。在大多数工作中手持工具是用于执行所要求的精度和力度非人手可完成的任务,这些工具可能是电动的(如气枪、链锯、研磨机)或是手持的(如螺丝刀、钳子、扳手、夹钳),并且可能紧偶尔使用(开阀门)或者在一项装配操作中不停地使用,如打磨金属零件的毛边。很少有手持工具的大小设计可同时满足不同操作者的首部特征;把柄的大小常常根据电动工具产生的扭矩而定,而双炳工具的跨距设计要求与所使用的扣件大小必须相匹配。
6)设备的选择和评价。不管是识别工作场所设计中的缺陷还是计划购买新的工具,对所选择的干预措施或候选工具的评估都将有助于做出更合理的决定。
参考文献
[1]王成焘 主编.现代机械设计[M].上海:上海科学文献出版社,1999.
[2]张鄂 主编.现代设计方法[M].西安:西安交通大学出版社,1999.
[3]朱龙根 主编.机械系统设计(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2001.
[4]丁玉兰 编著.人机工程学(第三版)[M].北京:北京理工大学出版社.
[5]高世杰 等.机械设计及作业中的人机工程学研究[J].中国科教创新导刊,总第469期.