基于人機工程學(xué)的橢圓機設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)論文中文摘要</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文外文摘要</b></p><p>　基于人機工程學(xué)的橢圓機設(shè)計摘要隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，未來的設(shè)計是基于研究和以三維造型為基礎(chǔ)的設(shè)計。在以后的設(shè)計中會更加多的加入人機工程學(xué)的內(nèi)容，而人機工程學(xué)的研究也呈現(xiàn)出了很多嶄新的面貌，其定義的范圍也在不斷拓

2、展。本次設(shè)計是通過人機工程學(xué)與實際相結(jié)合，以Pro/E為基礎(chǔ)，結(jié)合人體尺寸來設(shè)計運動器材橢圓機的。其中大量的運用到Pro/E技術(shù)來設(shè)計，以實現(xiàn)橢圓機的三維造型。橢圓機的設(shè)計實現(xiàn)了在小范圍內(nèi)達(dá)到科學(xué)鍛煉身體的目的，其操作簡單明了，噪音小，無污染，使用安全可靠。關(guān)鍵詞 橢圓機 人機工程學(xué)Pro/E軟件</p><p><b>　　目錄</b></p><p>

3、;<b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1人機工程學(xué)概論和Pro/ENGINEER軟件介紹1</p><p>　　1.1.1人機工程學(xué)概論1</p><p>　　1.1.2Pro/ENGINEER軟件介紹3</p><p>　　2橢圓機的理論設(shè)計4</p><p&g

4、t;　　2.1基于機械設(shè)計原理軸的設(shè)計（包括套筒的設(shè)計，軸承的選擇）4</p><p>　　2.1.1軸Ⅰ的結(jié)構(gòu)設(shè)計4</p><p>　　2.1.2軸Ⅱ的結(jié)構(gòu)設(shè)計6</p><p>　　2.1.3軸Ⅲ的結(jié)構(gòu)設(shè)計7</p><p>　　2.2螺母的選擇及其主要尺寸9</p><p>　　2.3橢圓

5、機的人機工程設(shè)計9</p><p>　　2.3.1橢圓機的簡介及其設(shè)計要求9</p><p>　　2.3.2人體尺寸的選擇9</p><p>　　2.3.3踏板間距和踏板大小的確定11</p><p>　　2.3.4外觀及色彩設(shè)計12</p><p>　　3橢圓機三維模型的建立12</p&g

6、t;<p>　　3.1軸的三維模型形成13</p><p>　　3.2軸承的三維模型形成14</p><p>　　3.3墊圈的三維模型形成15</p><p>　　3.4螺母的三維模型形成15</p><p>　　3.5踏板的三維模型形成16</p><p>　　3.6底座及其連接部

7、分三維模型的形成17</p><p>　　3.7軸連接三維模型形成18</p><p>　　3.8桿連接部分三維模型的形成18</p><p>　　3.9軸三維模型的形成19</p><p>　　3.10桿連接三維模型的形成19</p><p>　　3.11橢圓機總裝配圖的三維模型20</p

8、><p><b>　　結(jié)論21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p>　　基于人機工程學(xué)的橢圓機設(shè)計</p><p><b>　　1引言</b>

9、</p><p>　　近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，生活質(zhì)量不斷改善。越來越多居民的生活觀念由“力求溫飽”向“永保健康”轉(zhuǎn)變，以期擁有健康的體魄。達(dá)到高效學(xué)習(xí)，工作，實現(xiàn)享受生活并達(dá)到延年益壽。人們健康意識不斷高漲，促進(jìn)了我國健身器材產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。</p><p>　　橢圓機作為一中重要的健身器材，其主要功能有增強人體肌肉力量，提高人體柔韌性和靈活性，增強人體平衡能力，改善血液循環(huán)

10、，可預(yù)防失眠。橢圓機的設(shè)計與人有著緊密聯(lián)系?，F(xiàn)代設(shè)計研究中與人機工程學(xué)聯(lián)系最大的研究之一，是在以用戶為中心的設(shè)計基礎(chǔ)上提出的。人與用戶雖然僅一字之差，卻反應(yīng)了更加人性化的設(shè)計理念。用戶是一種使用，操作和完成任務(wù)的概念，“人”的概念比用戶的概念更強調(diào)人的全面需求，人的價值。因此，除了用戶參與這類研究方法以外，以人為中心的設(shè)計提出了將文化，文脈等因素全面地納入設(shè)計研究，形成了所謂的宏觀人際工程學(xué)。</p><p>　

11、　隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，未來的設(shè)計是基于研究和以三維造型為基礎(chǔ)的設(shè)計，國外許多著名的CAD軟件公司紛紛進(jìn)入中國市場。未來的設(shè)計是以創(chuàng)新和創(chuàng)新力為核心設(shè)計，而設(shè)計創(chuàng)新在本質(zhì)上是以人為中心的創(chuàng)新，設(shè)計是關(guān)于人的物質(zhì)和精神生活的，所以，任何一項科學(xué)性的設(shè)計研究必然涉及人機工程學(xué)；同樣可視化設(shè)計，裝配設(shè)計，設(shè)計分析，運動仿真等方面的設(shè)計研究就要用到三維造型設(shè)計。</p><p>　　1.1人機工程學(xué)概論和Pro/

12、ENGINEER軟件介紹</p><p>　　1.1.1人機工程學(xué)概論</p><p>　　人機工程學(xué)的起源是由于人與物（工具）之間的關(guān)系變化。</p><p>　　傳統(tǒng)人機工程學(xué)的定義是：人機工程學(xué)研究人—機—環(huán)境系統(tǒng)中人、機和環(huán)境這三大要素之間的關(guān)系，為解決系統(tǒng)中人的作業(yè)效能、安全、生理和心理健康問題提供理論和方法。</p><p>　

13、　新的人機工程學(xué)定義：人機工程學(xué)是研究系統(tǒng)中人與其他組成部分的交互關(guān)系的一門科學(xué)，并運用其理論、原理、數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行設(shè)計，以優(yōu)化系統(tǒng)的工效和人的健康幸福之間的關(guān)系。也就是說，新的人機工程學(xué)的科學(xué)性定義是，研究系統(tǒng)中人與其他組成部分的交互關(guān)系的一門科學(xué)。這種研究是建立在實驗科學(xué)的方法之上的，是系統(tǒng)地分析、實驗、研究和因果關(guān)系的假設(shè)和驗證。研究對象是系統(tǒng)中人與系統(tǒng)其他部分的交互關(guān)系。既要獲得最高的系統(tǒng)效率，又要保證人的健康舒適。新定義與傳統(tǒng)

14、定義見并沒有本質(zhì)的區(qū)別，但更加強調(diào)了“交互”的概念，這符合人機工程學(xué)的發(fā)展趨勢。</p><p>　　根據(jù)國際人機工程學(xué)會的定義, 人機工程學(xué)(ergonomics) 是人機工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素; 研究人和機器及環(huán)境的相互作用; 研究在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科。人機工程學(xué), 在美國有人稱之為人類工程學(xué)“HUM

15、AN ENGINEERING”, 人因工程學(xué)“HUMAN FACTORS ( ENGINEERING) ”, 在歐洲有人稱之為“ERGONOMICS”, 生物工藝學(xué), 工程心理學(xué), 應(yīng)用實驗心理學(xué)以及人體狀態(tài)學(xué)等, 日本人稱之為“人間工學(xué)”。目前, 我國除使用上述名稱外,還有譯成工效學(xué)、宜人學(xué)、人體工程學(xué)、人機學(xué)、運行工程學(xué)、機構(gòu)設(shè)備利用學(xué)、人機控制學(xué)等。人機工程學(xué)的命名已經(jīng)充分體現(xiàn)了該學(xué)科是“人體科學(xué)”與“工程技術(shù)”的結(jié)合。實際上,

16、這一學(xué)科就是人體科學(xué), 環(huán)境科學(xué)不斷向工程科學(xué)滲透和交叉的產(chǎn)物, 它是以人體科學(xué)中的人類學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、解剖學(xué)、生物力學(xué)、人體測量學(xué)等為“一肢”;以環(huán)境科學(xué)中的環(huán)境保護(hù)學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)、環(huán)境衛(wèi)生學(xué)、環(huán)境心理學(xué)、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)等學(xué)科為“另一肢</p><p>　　美國二十一世紀(jì)信息技術(shù)計劃中的基礎(chǔ)研究內(nèi)容為4 項: 軟件、人機交互、網(wǎng)絡(luò)、高性能計算機。其中, 人機建模研究在信息技術(shù)中被列為與軟件技術(shù)和計算機技

17、術(shù)等并列的六項國家關(guān)鍵技術(shù)之一,并被認(rèn)為“對于計算機工業(yè)有著突出的重要性, 對其他工業(yè)也很重要”。美國國防關(guān)鍵技術(shù)計劃不僅把人機交互列為軟件技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一, 而且還專門增加了與軟件技術(shù)并列的人機界面這項內(nèi)容。日本也提出了FPIEND21 計劃( Future Personalized Information Environment Development) , 其目標(biāo)就是要開發(fā)二十一世紀(jì)個性化的信息環(huán)境。</p>

18、<p>　　我國人機工程學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)工作是在工業(yè)心理學(xué)和工程心理學(xué)的領(lǐng)域內(nèi)開始的。20世紀(jì)30年代，清華大學(xué)開設(shè)了工業(yè)心理學(xué)課程?！豆I(yè)心理學(xué)概觀》（陳立，1935）是我國最早系統(tǒng)地介紹工業(yè)心理學(xué)的著作。70年代后期，人機工程學(xué)開始發(fā)展，其標(biāo)志性發(fā)展是中國科學(xué)院心理學(xué)研究所、航天醫(yī)學(xué)工程研究所、空軍醫(yī)學(xué)研究所和杭州大學(xué)等分別建立了工效學(xué)或工程心理學(xué)研究機構(gòu)。1989年成立了中國人類工效學(xué)協(xié)會（Chinese Ergonomic

19、s Society）。同時，在工業(yè)設(shè)計（industrial design）領(lǐng)域，人機工程學(xué)的發(fā)展幾乎與設(shè)計的發(fā)展是同步的，這成為我國人機工程學(xué)發(fā)展的特色之一。</p><p>　　1.1.2Pro/ENGINEER軟件介紹</p><p>　　Pro/ENGINEER（簡稱Pro/E）是美國參數(shù)技術(shù)公司推出的使用全參數(shù)化特征造型技術(shù)的大型CAD/CAM/CAE集成軟件，它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)

20、品從概念設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖的輸出、生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機械、NC加工、電子等諸多行業(yè)。由于其強大而完美的功能，Pro/ENGINEER幾乎是CAD/CAM領(lǐng)域應(yīng)用最廣的軟件。它在國外大學(xué)里已經(jīng)成為工程類學(xué)生必修的專業(yè)課程，也成為工程技術(shù)人員必備的技術(shù)。</p><p>　　Pro/ENGINEER是一套由設(shè)計到生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新

21、一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，是一套使用3D實體模型的設(shè)計工具，其最基本的實用功能就是構(gòu)建零件的3D實體模型，其他功能都以此為基礎(chǔ)。Pro/ENGINEER的主要功能優(yōu)點歸納如下：</p><p>　?。?）工業(yè)設(shè)計（CAID）模塊</p><p>　　工業(yè)設(shè)計模塊主要用于對產(chǎn)品進(jìn)行造型設(shè)計。在三維設(shè)計軟件產(chǎn)生以前，不制造出零件或模型，無法觀看零件的形狀，只能通

22、過二維平面圖進(jìn)行想象?，F(xiàn)在，用一些軟件可以生成實體模型，但生成的模型在工程實際中是“中看不中用”。用Pro/E生成的實體模型，不僅中看，而且相當(dāng)管用。</p><p>　?。?）機械設(shè)計（CAD）模塊</p><p>　　機械設(shè)計模塊是一個高效的三維機械模塊，它可繪制任意復(fù)雜的零件。用Pro/E生成曲面僅需2~3步即可完成，如果和數(shù)控機床連接，可以生成數(shù)控程序，加工出美觀大方的產(chǎn)品。Pro

23、/E生成曲面的方法很多，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、掃描、網(wǎng)絡(luò)、點陣等，因此使用它可以迅速建立任何復(fù)雜曲面。</p><p>　?。?）功能仿真（CAE）模塊</p><p>　　功能仿真模塊主要是指進(jìn)行有限元分析。有限元分析使我們有了一雙慧眼，能“看到”零件的內(nèi)部受力狀態(tài)。利用該功能，在滿足零件受力要求的基礎(chǔ)上，可以充分優(yōu)化零件的設(shè)計。</p><p>　?。?）制造（C

24、AM）模塊</p><p>　　在機械行業(yè)中用到的CAM制造模塊中的功能主要是NC Machining（數(shù)控加工）。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)管理（PDM）模塊</p><p>　　數(shù)據(jù)管理模塊是在計算機上對產(chǎn)品性能進(jìn)行測試仿真，找出造成產(chǎn)品各種故障的原因，幫助設(shè)計師對癥下藥，排除產(chǎn)品故障，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計。它通過一定的機制保證了所有數(shù)據(jù)的安全及存取方便。<

25、/p><p>　?。?）數(shù)據(jù)交換（Geometry Translator）模塊</p><p>　　在實際中還存在一些別的CAD系統(tǒng)，如UGNX、EUCLID、CIMATRTON、MDT等，由于它們門戶有別，所以自己的數(shù)據(jù)都難以被對方所識別。但在實際的工作中，往往需要接受別的CAD數(shù)據(jù)。這時幾何數(shù)據(jù)交換模塊就會發(fā)揮作用。</p><p>　　與眾多三維CAD軟件相比，功

26、能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是Pro/E的三大特點，使得Pro/E成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Pro/E能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。Pro/E不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。</p><p>　　本文將基于人機工程學(xué)和機械設(shè)計的理論，對橢圓機這種室外健身器材的外形輪廓、色彩選擇、各部分參數(shù)等特征進(jìn)行設(shè)計與確定；運用Pro/EN

27、GINEER軟件的各種相關(guān)的功能模塊對橢圓機各個零件、部件等進(jìn)行三維建模設(shè)計，通過Pro/ENGINEER的三維建模功能對橢圓機的設(shè)計做出更加直觀、可視的設(shè)計與分析。這種基于人機工程學(xué)和機械設(shè)計理論，并運用Pro/E軟件對健身器材的設(shè)計研究已有較好的發(fā)展，這種方法也將適用其他工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計研究，對以后機械產(chǎn)品的設(shè)計研究、開發(fā)運用將提供一個很好的思路和方向，未來的設(shè)計將會更加可視化、直觀化、人性化。</p><p>

28、;　　2橢圓機的理論設(shè)計</p><p>　　2.1基于機械設(shè)計原理軸的設(shè)計（包括套筒的設(shè)計，軸承的選擇）</p><p>　　2.1.1軸Ⅰ的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　?。?）裝配方案，如圖2-1所示。</p><p><b>　　圖2-1 軸Ⅰ</b></p><p>　　（2）根據(jù)軸

29、向定位的要求確定各段軸的長度、直徑</p><p>　?、?為了滿足軸向定位要求，軸Ⅰ應(yīng)設(shè)計成如圖形狀，因為它既要滿足軸的需要，又要起到軸向定位的作用。AB軸段制造出有螺紋的形狀，取AB軸段總長=25㎜，非螺紋部分=10㎜，取螺紋部分長度為=15㎜，=M10，左端倒角為0.545°。</p><p>　?、?選擇滾動軸承。因為軸承只承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承（GB/T 2

30、76-1994），參照工作要求并根據(jù)=17㎜，由軸承產(chǎn)品目錄中選取軸承代號6003，其尺寸為=17㎜35㎜10㎜，故BC段軸，=17㎜。</p><p>　　③ 右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由軸肩高度一般為=（0.07~0.1），取系數(shù)為0.1，因此，取=20.4㎜。</p><p>　?、?取右端DE段軸（類似螺栓頭）=5㎜，=30㎜，其端面具體尺寸如圖2-2所示。</p&g

31、t;<p>　　圖2-2 軸Ⅰ端面尺寸 </p><p>　　⑤ 因為軸所裝的位置左右兩擋板的距離為145㎜，擋板厚度為4㎜，所以取軸肩段=5㎜。</p><p>　?、?為使軸承所裝位置對稱以及與其他零件的配合，取=40㎜。</p><p>　?。?） 確定軸上各軸肩處的圓角半徑為0.5㎜，取軸端倒角為0.545°。</p>

32、<p>　　（4） 因為軸所裝的位置長度較大，為了保證其穩(wěn)定性應(yīng)選用兩個軸承?？紤]到軸承的對稱、軸向的定位、此配合要求的精度不高、軸轉(zhuǎn)速非常?。ㄖ皇窃谝粋€較小的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動），故兩軸承間套筒的長度=（145+4-10-10-10-10）㎜=109㎜，內(nèi)徑=17.5㎜，外徑=22.5㎜（滿足配合要求）；與擋板配合端套筒的長度=10㎜-4㎜=6㎜，內(nèi)徑=17.5㎜，外徑=22.5㎜。</p><p>　　2

33、.1.2軸Ⅱ的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　?。?）裝配方案，如圖2-3所示。</p><p><b>　　圖2-3 軸Ⅱ</b></p><p>　?。?）根據(jù)軸向定位的要求確定各段軸的長度、直徑</p><p>　?、?為了滿足軸向定位要求，軸Ⅱ應(yīng)設(shè)計成如圖形狀，因為它既要滿足軸的需要，又要起到軸向定位的作用。AB軸

34、段制造出有螺紋的形狀，取AB軸段總長=15㎜，非螺紋部分=5㎜，取螺紋部分長度為=10㎜，=M10，左端倒角為0.545°。</p><p>　?、?選擇滾動軸承。因為軸承只承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承（GB/T 276-1994），參照工作要求并根據(jù)=17㎜，由軸承產(chǎn)品目錄中選取軸承代號6003，其尺寸為=17㎜35㎜10㎜，故BC段軸，=17㎜。</p><p>　?、?/p>

35、 右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由軸肩高度一般為=（0.07~0.1），取系數(shù)為0.1，因此，取=20.4㎜。</p><p>　?、?取右端DE段軸（類似螺栓頭）=10㎜，=30㎜，其端面具體尺寸如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 軸Ⅱ端面尺寸</p><p>　　⑤ 因為軸所裝的位置左右兩擋板內(nèi)側(cè)間的距離為45㎜，擋板厚度為4㎜，所以取軸肩段=5

36、㎜。</p><p>　?、?為使軸承所裝位置對稱以及與其他零件的配合，故取=（45+8-10-4-1）=40㎜。</p><p>　?。?） 確定軸上各軸肩處的圓角半徑為0.5㎜，取軸端倒角為0.545°。</p><p>　　（4） 因為軸所裝的位置長度較大，為了保證其穩(wěn)定性應(yīng)選用兩個軸承。考慮到軸承的對稱、軸向的定位、此配合要求的精度不高、軸轉(zhuǎn)速非常

37、?。ㄖ皇窃谝粋€較小的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動），故兩軸承間套筒的長度=（45+8-10-10-10-10）㎜=13㎜，內(nèi)徑=17.5㎜，外徑=22.5㎜（滿足配合要求）；與擋板配合端套筒的長度=10㎜-4㎜=6㎜，內(nèi)徑=17.5㎜，外徑=22.5㎜。</p><p>　　2.1.3軸Ⅲ的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　?。?）裝配方案，如圖2-5所示。</p><p><b&

38、gt;　　圖2-5 軸Ⅲ</b></p><p>　?。?）根據(jù)軸向定位的要求確定各段軸的長度、直徑</p><p>　　① 為了滿足軸向定位要求，軸Ⅲ應(yīng)設(shè)計成如圖形狀，因為它既要滿足軸的需要，又要起到軸向定位的作用。AB軸段制造出有螺紋的形狀，取AB軸段總長=15㎜，非螺紋部分=5㎜，取螺紋部分長度為=10㎜，=M10，左端倒角為0.545°。</p>

39、<p>　?、?選擇滾動軸承。因為軸承只承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承（GB/T 276-1994），參照工作要求并根據(jù)=17㎜，由軸承產(chǎn)品目錄中選取軸承代號6003，其尺寸為=17㎜35㎜10㎜，故BC段軸，=17㎜。</p><p>　?、?右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由軸肩高度一般為=（0.07~0.1），取系數(shù)為0.1，因此，取=20.4㎜。</p><p>

40、　?、?取右端DE段軸（類似螺栓頭）=5㎜，=30㎜，其端面具體尺寸如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 軸Ⅲ端面尺寸</p><p>　　⑤ 因為軸所裝的位置左右兩擋板內(nèi)側(cè)間的距離為96㎜，擋板厚度為4㎜，所以取軸肩段=5㎜。</p><p>　?、?為使軸承所裝位置對稱以及與其他零件的配合，故取=40㎜。</p><p>　?。?/p>

41、3） 確定軸上各軸肩處的圓角半徑為0.5㎜，取軸端倒角為0.545°。</p><p>　?。?） 因為軸所裝的位置長度較大，為了保證其穩(wěn)定性應(yīng)選用兩個軸承?？紤]到軸承的對稱、軸向的定位、此配合要求的精度不高、軸轉(zhuǎn)速非常?。ㄖ皇窃谝粋€較小的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動），故兩軸承間套筒的長度=（96+8-10-10-10-10）㎜=64㎜，內(nèi)徑=17.5㎜，外徑=22.5㎜（滿足配合要求）；與擋板配合端套筒的長度=10㎜

42、-4㎜=6㎜，內(nèi)徑=17.5㎜，外徑=22.5㎜。</p><p>　　2.2螺母的選擇及其主要尺寸</p><p>　　由于軸端的螺紋=M10，考慮其連接和配合固定的要求，選擇Ⅰ型普通六角螺母（GB/T 6170 2000）。其主要尺寸為=M10，材料為鋼，螺紋公差為6H，表面不經(jīng)處理。</p><p>　　2.3橢圓機的人機工程設(shè)計</p>&

43、lt;p>　　2.3.1橢圓機的簡介及其設(shè)計要求</p><p>　　橢圓機是利用人站立在踏板上，雙手緊握把柄，身體挺直，通過手臂曲伸及腳踏板反復(fù)的橢圓形運動達(dá)到鍛煉的目的。通過橢圓機的鍛煉可以增強肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的柔韌性，促進(jìn)血液循環(huán)，增強心肺功能，發(fā)展人體上、下肢及腰部肌群的力量。</p><p>　　橢圓機的基本設(shè)計要求為：</p><p>　　橢圓機的

44、結(jié)構(gòu)尺寸符合鍛煉者的人體尺寸；</p><p>　　設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證橢圓機運動慣性舒暢；</p><p>　　橢圓機的運動負(fù)載符合力學(xué)原理。</p><p>　　除了上述運動功能設(shè)計要求外，還有外形美觀、符合運動心理學(xué)等設(shè)計要求。</p><p>　　2.3.2人體尺寸的選擇</p><p>　　為

45、了設(shè)計出符合人的生理和心理特點的橢圓機，使人們在健身運動時處于舒適的狀態(tài)和宜人的環(huán)境之中，以達(dá)到疲勞程度最低、效率最高和健身成效良好的目標(biāo)。在設(shè)計橢圓機的主要構(gòu)架時就充分考慮機械的使用范圍和人體各部的尺寸范圍，正確使用人體尺寸數(shù)據(jù)。人體各尺寸的比例關(guān)系，因不同種族、民族、國家和地區(qū)的人群而不同。因此，設(shè)計此產(chǎn)品時根據(jù)各地區(qū)人體尺寸差異來確定產(chǎn)品最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。我國于1988年發(fā)布了《中國成人人體尺寸》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T10000～1988

46、)，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)人機工程學(xué)要求提供了我國成人人體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此，在設(shè)計橢圓機時，這方面應(yīng)得到充分考慮。</p><p>　　根據(jù)表2-1可知中國六個區(qū)域人體尺寸相差不大，故設(shè)計的橢圓機尺寸應(yīng)滿足大多數(shù)人的健身要求。橢圓機屬于男、女通用的產(chǎn)品，可用男性18～60歲年齡組的第95百分位數(shù)和女性18～55歲年齡組的第5百分位數(shù)，作為尺寸上下限的依據(jù)，它考慮了絕大多數(shù)的使用群體。</p><p>

47、　　表2-1 中國六個區(qū)域人體尺寸的均值和標(biāo)準(zhǔn)差</p><p>　　表2-2 我國成年男女人體部分功能尺寸 （單位：mm）</p><p>　　2.3.3踏板間距和踏板大小的確定</p><p>　　根據(jù)人機工程學(xué)原理，不自然的姿勢會影響人的平衡感，甚至人體會失去平衡，故設(shè)計應(yīng)考慮人體在運動過程中保持姿勢的舒適。為此，要控制運動時兩腳之間的距離，即橢圓機的踏板間

48、距。踏板間距太大，對使用者而言，其健身運動的方式就不自然，容易出現(xiàn)對臀部和下背部的壓迫和損傷。</p><p>　　圖2-7 踏板示意圖</p><p>　　踏板材料選用鋼板，長度350㎜，寬度為150㎜，高度為30㎜。其截面的具體形狀如圖2-7所示。</p><p>　　2.3.4外觀及色彩設(shè)計</p><p>　　產(chǎn)品給人的第一印象中，

49、色彩占80％ ，造型占20％。熟悉產(chǎn)品之后，兩者各占50％。而好的色彩往往有先聲奪人之功效，在設(shè)計中不可忽視。健身器材整體的色彩、操縱部件的色彩及工作場所的色彩都對人的生理和心理產(chǎn)生很大影響。色彩生理因素包括色彩與聲音、色彩與味覺、色彩與形狀；心理因素包括色彩的嗜好、色彩的聯(lián)想、色彩的象征等范圍。對產(chǎn)品進(jìn)行色彩設(shè)計時，應(yīng)注重運用色彩的生理學(xué)、心理學(xué)等相關(guān)科學(xué)理論，考慮產(chǎn)品的不同使用者、不同場合、不同地點等因素要求，科學(xué)地選擇色彩，正確地

50、使用色彩，充分發(fā)揮色彩的視覺心理作用，為人們創(chuàng)造一個良好的色彩環(huán)境，從而提高人們活動和健身效率。色彩配置一般不超過4種，太多太雜使人產(chǎn)生花俏、雜亂的感覺。合理利用色彩對人們心理的影響，可以使用戶第一眼就對產(chǎn)品產(chǎn)生一種信任感。</p><p>　　產(chǎn)品設(shè)計不僅是功能、性能等技術(shù)設(shè)計，還融合了外觀造型設(shè)計。而產(chǎn)品外觀部件的位置、尺度比例、色彩、材質(zhì)、裝飾等都會在使用者心中產(chǎn)生不同感受，或明朗、愉快，或沉悶、壓抑，影響

51、人的情緒，產(chǎn)生冷暖感、興奮感、平靜感、輕重感、大小感與疲勞感等，進(jìn)而影響產(chǎn)品功能的發(fā)揮和使用積極性。</p><p>　　橢圓機主要構(gòu)架的設(shè)計用材都選用圓形鋼管。色彩的感覺是指人對色彩的直覺。人對色彩的冷暖感基本取決于色調(diào)；色彩的輕重感主要取決于明度；暖色、高明度的色彩有膨脹感；冷色、低明度的色彩有收縮感。無色彩中白色最有膨脹感，黑色最有收縮感。故橢圓機在色彩方面主要使用紅、黃、藍(lán)三種常見顏色，讓人感到平靜、舒服

52、、輕松，不會讓人感到沉重、壓抑以及影響人的情緒等。</p><p>　　3橢圓機三維模型的建立</p><p>　　Pro/ENGINEER是一款功能強大的計算機輔助繪圖和設(shè)計軟件系統(tǒng)，作為一種基于三維建模的實體造型工具，其設(shè)計過程實際上和零件形體分析的過程相似，是將若干簡單形體按照一定的相對位置進(jìn)行堆積或挖切形成的。實體形成過程中，有些是在基本形體的基礎(chǔ)上加材料，有些是減材料，最后形成

53、符合要求的形體。Pro/ENGINEER可以拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、等特征形式形成實體。</p><p>　　3.1軸的三維模型形成</p><p>　　因為橢圓機所用到的五根軸的基本外形相似，在此選擇軸Ⅱ作為代表建立三維模型。用Pro/ENGINEER繪圖時，首先要設(shè)置工作目錄，此后將不再敘述。</p><p>　?。?） 軸Ⅱ的基本參數(shù)</p><

54、;p>　　=15㎜，=10㎜；=40㎜，=17㎜；=5㎜，=20.4㎜；=5㎜，=30㎜。其中螺紋部分=13㎜。其簡圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 軸Ⅱ示意圖</p><p><b>　?。?）三維模型建立</b></p><p>　　在Pro/ENGINEER中，階梯軸的形成比較容易實現(xiàn)。首先，新建一個零件圖并命名為“

55、zhou1”，“草繪”并選擇一個草繪平面，可以逐節(jié)“拉伸”形成，也可以完成軸的縱截面草繪，然后一次“旋轉(zhuǎn)”完成。圓角半徑為0.5㎜，兩端倒角為0.545º。</p><p>　　左端螺紋的形成。應(yīng)用Pro/ENGINEER中的“螺旋掃描切口”命令，草繪旋轉(zhuǎn)軸和掃描軌跡并標(biāo)注掃描軌跡線和旋轉(zhuǎn)軸間距為10㎜；然后在合適的位置草繪掃描截面即螺紋槽的尺寸，截面為邊長1.2㎜的等邊三角形，點擊“確定”按鈕完成掃描

56、截面的繪制；然后，輸入節(jié)距值為“2”，點擊螺旋掃描對話框中的“預(yù)覽”按鈕，確定無誤后單擊“確定”按鈕，最后點擊“保存”按鈕保存所畫的圖形。</p><p>　　軸右端用“拉伸”命令。繪制所要切除部分的尺寸，兩側(cè)距圓心的距離為12㎜，所繪圖形把軸端的圓包括在內(nèi)，點擊“確定”按鈕完成草繪；單擊“拉伸工具”命令按鈕，修改拉伸的深度為10㎜，然后，單擊“去除材料”按鈕完成；單擊“預(yù)覽”按鈕，確定無誤后單擊“確定”按鈕完成

57、整個軸的三維模型建立，單擊“保存”按鈕。</p><p>　　軸的三維模型，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 軸的三維模型圖</p><p>　　3.2軸承的三維模型形成</p><p><b>　　軸承的基本參數(shù)</b></p><p>　　軸承代號為6003，基本尺寸為=17㎜

58、35㎜10㎜。</p><p><b>　　三維模型建立</b></p><p>　　軸承的建模是在完成外圈、內(nèi)圈和其中一個滾珠后，在新建的陣列組中以一定的陣列關(guān)系，完成軸承的三維模型。</p><p>　　首先，新建一個零件圖并命名為“zhoucheng”，“草繪”并選擇一個草繪平面繪出軸承外圈和內(nèi)圈和旋轉(zhuǎn)軸，標(biāo)注尺寸并且修改尺寸，單擊“確定

59、”按鈕；單擊“旋轉(zhuǎn)工具”按鈕，“預(yù)覽”所建的模型確定無誤后單擊“確定”按鈕。</p><p>　　其次，繪制軸承內(nèi)的小圓珠。之前先建立一個基準(zhǔn)平面，單擊“基準(zhǔn)平面工具”，選擇軸承的軸和一個合適的平面，選擇旋轉(zhuǎn)角度為45º，新建的基準(zhǔn)平面系統(tǒng)默認(rèn)為“DTM1”。在DTM1平面上草繪圓并修改尺寸。按住Ctrl鍵選擇DTM1平面和剛草繪的圓，長按鼠標(biāo)右鍵，在下拉菜單中選擇“組”將所選項構(gòu)建成一個組。</

60、p><p>　　最后，單擊所建的組并單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“陣列”選項，修改角度和陣列的個數(shù)，完成操作，確定無誤后保存。建立的軸承的三維模型如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 軸承的三維模型圖</p><p>　　3.3墊圈的三維模型形成</p><p>　?。?） 墊圈的基本參數(shù)</p><p>　　內(nèi)徑=10

61、.5㎜，外徑=20㎜，厚度=2㎜。</p><p>　?。?） 三維模型建立</p><p>　　建立一個零件圖并命名為“dianquan”，點擊“草繪”按鈕并選擇一個草繪平面，繪制兩個同心圓并修改尺寸，單擊“確定”按鈕完成草圖的繪制；然后，單擊“拉伸工具”按鈕，修改拉伸深度并單擊 “預(yù)覽”按鈕，確定無誤后單擊“確定”按鈕完成操作。最后，單擊“保存”按鈕保存所繪的圖形。墊圈的三維模型如圖3

62、-4所示。</p><p>　　圖3-4 墊圈的三維模型圖</p><p>　　3.4螺母的三維模型形成</p><p>　?。?） 螺母的基本參數(shù)</p><p>　　=M12，=10.8㎜，=14.6㎜，=17.77㎜，=16㎜。</p><p>　?。?） 三維模型建立</p><p>

63、　　首先，新建一個零件圖并命名為“l(fā)uomu”，選取一個草繪平面并按照螺母的基本參數(shù)繪制一個正六邊形和一個螺母孔所需的圓，標(biāo)注尺寸并修改尺寸，單擊“確定”按鈕完成草繪。</p><p>　　其次，單擊“拉伸工具”按鈕并修改拉伸深度，單擊“預(yù)覽”按鈕確定無誤后，單擊“確定”按鈕完成。</p><p>　　最后，應(yīng)用“螺旋掃描切口”選項，草繪旋轉(zhuǎn)軸和掃描軌跡并標(biāo)注掃描軌跡線和旋轉(zhuǎn)軸間距；然后在

64、合適的位置草繪掃描截面即螺紋槽的尺寸，截面為邊長1.2㎜的等邊三角形，點擊“確定”按鈕完成掃描截面的繪制；然后，輸入節(jié)距值為“2”，點擊螺旋掃描對話框中的“預(yù)覽”按鈕，確定無誤后單擊“確定”按鈕，最后點擊“保存”按鈕保存所畫的圖形。螺母的三維模型如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 螺母的三維模型圖</p><p>　　3.5踏板的三維模型形成</p><p

65、>　?。?） 踏板的基本參數(shù)</p><p>　　長度350㎜，寬度為150㎜，高度為10㎜，板厚為5㎜。</p><p>　　（2） 三維模型形成</p><p>　　新建一個零件圖并命名為“taban”，單擊“草繪”按鈕并選取一個草繪平面，繪制踏板的截面形狀并標(biāo)注尺寸、修改尺寸，單擊“確定”按鈕完成草繪；然后，單擊“拉伸工具”按鈕并修改拉伸深度，單擊“預(yù)覽

66、”按鈕確定無誤后，單擊“確定”按鈕完成繪制，最后保存。踏板的三維模型如圖3-6所示。 </p><p>　　圖3-6 踏板的三維模型圖</p><p>　　3.6底座及其連接部分三維模型的形成</p><p>　　底座包含的各個零件的三維模型的形成與以前的過程大同小異，在此不作敘述。在此介紹由各個零件通過各種約束和配合，最后組裝成底座這一大的組件。</p&g

67、t;<p>　　圖3-7 底座及其連接部分的三維模型圖</p><p>　　首先，設(shè)置工作目錄，新建一個組件圖，單擊“將元件添加到組件”按鈕，在所存零件的文件夾中選擇“l(fā)an1”，單擊“確定”按鈕完成第一個零件的放置；再單擊“將元件添加到組件”按鈕，在所存零件的文件夾中選擇“l(fā)an2”，按照其所處底座的位置和相關(guān)的約束命令完成第二個零件的放置，在消息欄中將顯示“完全約束”。如果約束不正確或者不合適等

68、，在消息欄中也會顯示相應(yīng)的消息，提醒操作者進(jìn)行修改等。第三個零件及其他各零件的組裝過程與前面相似，按照以上的方法一次組裝，直到完成底座整個部件的組裝，最后保存。整個底座及與其連接部分的組裝圖如圖3-7所示。</p><p>　　3.7軸連接三維模型形成</p><p><b>　?。?）基本參數(shù)</b></p><p>　　長度260㎜，寬度

69、為65㎜，板厚為15㎜。</p><p>　　（2） 三維模型形成</p><p>　　新建一個零件圖并命名為“zhoulianjie”，單擊“草繪”按鈕并選取一個草繪平面，繪制桿的截面形狀并標(biāo)注尺寸、修改尺寸，單擊“確定”按鈕完成草繪；然后，單擊“拉伸工具”按鈕并修改拉伸深度，單擊“預(yù)覽”按鈕確定無誤后，單擊“確定”按鈕完成繪制，最后保存。三維模型如圖3-8所示。</p>

70、<p>　　圖3-8 軸連接的三維模型圖 </p><p>　　3.8桿連接部分三維模型的形成</p><p>　　新建一個零件圖并命名為“l(fā)ianjiegan”，單擊“草繪”按鈕并選取一個草繪平面，繪制桿的截面形狀并標(biāo)注尺寸、修改尺寸，單擊“確定”按鈕完成草繪；然后，單擊“拉伸工具”按鈕并修改拉伸深度，單擊“預(yù)覽”按鈕確定無誤后，單擊“確定”按鈕完成繪制，最后保存。三維模型如

71、圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 連接桿的三維模型圖Ⅰ</p><p>　　3.9軸三維模型的形成</p><p><b>　?。?）基本參數(shù)</b></p><p>　　長度120㎜，直徑為30㎜，螺紋長度40㎜。</p><p>　?。?） 三維模型形成</p>&

72、lt;p>　　新建一個零件圖并命名為“zhou”，單擊“草繪”按鈕并選取一個草繪平面，繪制軸的截面形狀并標(biāo)注尺寸、修改尺寸，單擊“確定”按鈕完成草繪；然后，單擊“旋轉(zhuǎn)”按鈕，單擊“預(yù)覽”按鈕確定無誤后，單擊“確定”按鈕完成繪制，最后保存。三維模型如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10軸的三維模型圖</p><p>　　3.10桿連接三維模型的形成</p>

73、<p><b>　?。?）基本參數(shù)</b></p><p>　　長度830㎜，直徑為50㎜，孔直徑30㎜。</p><p>　　（2） 三維模型形成</p><p>　　新建一個零件圖并命名為“l(fā)ianjiegan”，單擊“草繪”按鈕并選取一個草繪平面，繪制桿的截面形狀并標(biāo)注尺寸、修改尺寸，單擊“確定”按鈕完成草繪；然后，單擊“拉伸工

74、具”按鈕并修改拉伸深度，單擊“預(yù)覽”按鈕確定無誤后，單擊“確定”按鈕完成繪制，最后保存。三維模型如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11桿連接的三維模型圖Ⅱ</p><p>　　3.11橢圓機總裝配圖的三維模型</p><p>　　圖3-12橢圓機總裝配圖的三維模型</p><p><b>　　結(jié)論</b>&

75、lt;/p><p>　　人機工程學(xué)是一門研究人、機、環(huán)境之間相互作用的新興前沿性學(xué)科，它將人、機和環(huán)境看成是一個相互作用、相互依存的具有特定目標(biāo)的系統(tǒng)。將人機工程學(xué)原理應(yīng)用于橢圓機的設(shè)計中，提出橢圓機的人機工程學(xué)設(shè)計準(zhǔn)則，進(jìn)一步完善了橢圓機的設(shè)計理論。當(dāng)前，健身器材的使用越來越普遍。但是，我國的健身器材起步較晚，產(chǎn)品檔次和技術(shù)含量低，與世界先進(jìn)水平相比還有較大差距。橢圓機的人機工程學(xué)設(shè)計準(zhǔn)則的提出及其主要設(shè)計參數(shù)選擇

76、范圍的研究，Pro/ENGINEER軟件的三維建模、三維向二維的轉(zhuǎn)化和運動仿真等方法的運用，為橢圓機的設(shè)計提供了更加直觀、更加人性化的設(shè)計研究方法。而這種同樣的方法和理論也適用于類似工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計，這種研究將是我國健身器材以及相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的人機工程設(shè)計趕超世界先進(jìn)水平的前提研究工作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張峻

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