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[组图]人机工程学理论在机械设计中的应用           ★★★ 【字体：小 大】
人机工程学理论在机械设计中的应用
作者：佚名    文章来源：机械工程    点击数：    更新时间：2003-05-19    
设计理论和方法与产品设计密切相关。在工业生产中产品设计是关键环节，目前，现代企业中已越来越多地应用人机工程学这种先进的设计理论和方法进行产品的开发和设计。如何把人机工程学设计方法应用于学生的毕业设计是摆在我们面前的一个新课题。笔者根据人机工程学系统设计原理，尝试运用人机工程学方法指导机械、机电专业学生进行毕业设计。　

    一、人机系统设计方法

    传统的机械设计以设计产品为主要目标，更多地考虑产品本身功能的实现，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—机—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。
    图１是人机系统模型。它的意义是指出人机之间存在着信息环路，人机相互联系，具有信息传递的性质。这个系统能否正常工作，取决于信息传递过程是否持续有效地进行。人机系统设计把模型中的人、人机界面和机器共同作为目标进行设计。传统设计往往忽略左半部分———人的设计。

图1  人机系统模型

    二、TSD设计法

    １总体设计
    人机系统总体设计又称为TSD（Total System Design）设计法，是美国学者贝雷提出的。犜犛犇法的中心设计思想是系统设计必须分为一系列具有明确定义的设计阶段，而每个阶段的设计活动和任务必须是明确的。这是典型的系统化解决问题策略。“总体”的意义是强调人机系统的各个成份，如人、硬件、软件，都要给予全面的考虑，以改变长期以来工程设计忽略人和人的效能问题。设计的最终目标是，使系统的每个成分都能为实现系统目标而协调一致地发挥各自的功能。良好的系统设计必须遵循两个原则：第一是明确定义“问题”；第二是制定和实施某种策略来寻找解决问题的满意方案。为了有效地制定设计策略和实施设计，需要一套专门的设计程序。

    ２阶段设计程序
    根据TSD法的设计思想，把设计过程分为以下几个阶段，即阶段设计程序。（１）定义系统目标和作业要求阶段；（２）系统定义阶段；（３）初步设计阶段；（４）人机界面设计阶段；（５）作业辅助设计阶段；（６）系统验证阶段。
    一些设计研究证明，应用传统设计方法的设计者，甚至是有经验的设计者，常会先设想一个设计，然后再凑和一个系统目标和作业要求。这种“异程序”设计存在两个主要问题：第一，它是用目标来适应设计。第二，它限制了其它也许是更好设计方案的产生。而优秀设计的产生必定是多方案比较的结果，这也是一条设计原则。犜犛犇法要求，各种设计方案必须在定义系统目标和作业要求后提出并选择，以确保设计方案的最优化，同时避免了上述两个问题。　

    三、机床的人机系统设计程序

    根据TSD法，设计常见机床时，可执行系统总体设计程序（图２）。

图2  人机工程系统设计程序图 

    综上所述，机器整机人机工程设计可分为三个主要阶段，构成一个设计程序（如图３）。
    研究阶段是分析和定义“问题”的过程，设计者采用一定的技术和方法，观察系统存在的人机关系。设计阶段针对定义的问题，按人机工程学方法解决。评价阶段同样采用一定的技术和方法比较新旧设计，作出结论。
    以上设计程序具有原则性和概括性，但直接用于人机系统设计就显得不具体，可操作性差。　

    四、设计实施

    在机械、机电专业学生的毕业设计中，应用上述犜犛犇法和人机工程（系统）设计程序（如图２、图３），可设计出一个具体的人机系统设计流程图，如图４。

 

图3  机床整机人机工程设计程序 

    利用该流程图进行系统设计与传统设计的区别在于它始终强调人机系统的设计，而不仅仅是机器的设计。这个设计过程并不繁琐，也并非在传统机械设计的基础上增加一些关于人的设计内容，而是把设计内容按人机工程学原理有机地编程，体现了系统化的设计原则，使设计更加完整、方便、有据可循。
    设计者拿到任务书后，即可按流程图展开设计：
    １．定义系统目标和作业要求阶段是要确定系统做什么，对系统提出了具体的要求。在此基础上提出多种设计方案进行分析比较，选择符合要求的最佳方案进入下一阶段的设计。有些时候，毕业设计的目标定义和作业要求（参数）已由任务书形式提供，使某些步骤简化。
    ２．系统定义阶段是“实质性”设计工作的开始，即确定系统的功能是什么。不必把功能分配给人或机器，也不定义怎样实现功能。
    ３．初步设计阶段的主要工作是按人、机特点的不同进行功能分配。将系统的各个功能，按输入和输出联系起来，用框图表示，即系统的功能流程图。科学的功能分配应使系统有利于发挥人的决策能力，同时减少人为错误的发生；要注意不能过分强调自动化而过多地依赖于机器，特别是对于发生事故的处理过程，要充分发挥人的作用。
    ４．人机界面的设计是确定机器尺寸参数的开始。这个阶段主要根据人体特性和尺寸参数确定显示器、控制器的类型和尺寸以及作业空间的有关数据。之后，可参考这些数据进行机器内部过程的设计。
    ５．作业辅助设计是为了获得高效能的作业而设计的各种作业辅助技术和手段。作业辅助只能在作业过程中使用。设计的具体内容和步骤已在流程图中列出，此不赘述。

图4  机械产品入机系统设计流程图

　　６．系统验证是要检验系统是否达到系统定义和设计的各种目标，是以人的作业效能为主要验证标准的。人机系统必须保证人的作业符合作业要求的各个项目，我们可根据作业要求逐一验证。
    验证合格的同时，各种文字资料，工程图纸也完成齐备，可进一步整理，得到所要的设计结果。
    在图４中，人、硬件、软件的设计活动都全面展开，并始终注意人机工程的要求与各个硬件及设计决策的协调一致。图中要求每一个子程序的最后都要进行检验，这是保证最终系统检验合格的基础，同时也使设计少走弯路，有序进行。　

    五、结束语

    机械产品人机系统设计流程图在设计过程中具有实用性和可行性，使设计内容具体、明确，设计过程更加规范化。设计说明书等文件资料可参照流程图的顺序和内容编写；设计过程中可依图方便、准确地找到出现问题或有差错的具体步骤，及时进行局部修改，不致影响总体设计；根据此图还可判断设计质量的高低，对应流程图可清楚地指出设计欠缺和出现失误的地方，也能找到设计独到之处，为客观评判设计的优劣提供了依据。
 
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