自行車鞍座的人機工程設計_畢業(yè)論文設計說明書

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)目錄前 言 .3第一章 緒論 . . 41.1課題研究背景 . .41.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .41.3課題研究的內(nèi)容 .61.4課題的意義 .61.5論文結(jié)構(gòu) .71.6本章小結(jié) .7第二章 自行車鞍座的人機工程設計 . 82.1人機工程學 .82.2人機工程學的定義 .82.3人機工程學的內(nèi)容 .92.4人機工程在自行車鞍座設計中的應用.102.4.1自行車鞍座對舒適性的影響.102.4.2鞍座的人機工程分析.112.4.3現(xiàn)有鞍座的人機特點分析.122.4.4人機工程學指導下的鞍座設計. .152.5本章小結(jié) .17第三章 自行車鞍座逆

2、向設計 .183.1逆向工程學 .183.2逆向工程學的定義 .183.3逆向工程學的發(fā)展 .183.4逆向工程學的作用 .193.5自行車鞍座設計中逆向工程的運用.193.5.1三坐標測量儀 .203.5.2點云圖的生成 .203.6 imageware軟件的逆向建模 .233.6.1 imageare軟件的簡介 .233.6.2鞍座點云圖的導入imageware 軟件 .243.6.3點云的多邊形化 .243.6.4云多邊形化參數(shù)的設定.253.6.5點云噪點的分析 .253.6.6點云噪點的刪除 .253.6.7曲面構(gòu)造分析 .263.6.8曲面 SurfA 、 SurfB 、 Surf

3、C 、 SurfD和 SurfE的構(gòu)造 .273.7本章小結(jié).34第四章 UG 軟件對鞍座表面局部造型.364.1導入 UG6.0 中進行鞍座表面的設計.364.1.1將鞍座模型導入到UG NX6.0 軟件中.364.1.2基準平面的建立 .364.1.3鞍座上表面草圖的構(gòu)造.374.1.4改進后的鞍座模型.384.2本章小結(jié).39第五章總結(jié)與展望 .405.1工作總結(jié).405.2展望 .40參考文獻： .42致謝.43前言隨著人類社會的向前發(fā)展，綠色無碳生活慢慢的影響著全世界人們的衣、食、住、行。人們在競相購買舒適，環(huán)保，高檔轎車的同時，自行車以其獨特的魅力吸引著越來越多的消費者的青睞。并且

4、受到全世界各國的重視，紛紛增設自行車道來提高人們的生活質(zhì)量和幸福指數(shù)。雖然人們能夠在很短的時間里設計出各種創(chuàng)新型的自行車，但是人們對產(chǎn)品的需求并不只滿足于其功能上的用途。人們越來越注重自行車人性化的設計，所以人機工程學的思想就此應運而生。自行車作為現(xiàn)代人生活和休閑的一種普通工具，它給人們帶來了很多的交通方便和快樂。但是在現(xiàn)代社會中各種自行車的設計仍然存在著很多的缺陷比如自行車鞍座的舒適性，把手設計的合理性等。這些因素都嚴重的影響到消費者的審美心理，波及到自行車以后的發(fā)展前景。正因為如此基于人機工程的自行車改進和設計才顯得更有必要性，才能更好的推動自行車的發(fā)展，更綠色的保護我們的環(huán)境。在現(xiàn)代制造

5、業(yè)高速發(fā)展的年代，自行車作為制造業(yè)中的一個代表，其從某種程度上反映了一個時代的科學技術發(fā)展水平，尤其是在人機工程學方面的運用，更將自行車的設計推向了人性化的過程。更加人性化的自行車設計即將登上歷史的舞臺，并能很好的改變自行車的發(fā)展史，更快更好的推動整個制造業(yè)產(chǎn)品人性化的生產(chǎn)。第一章緒論1.1 課題研究背景隨著人類社會的發(fā)展，人們不管在物質(zhì)還是精神上都得到了很大的滿足和提高。雖然在相當一段長的時間里自行車曾一度被人們遺忘，但是隨著人們不斷追求精神生活的豐富，自行車備受人們的青睞，進而推動了自行車的飛速發(fā)展，全世界都掀起了一種騎行自行車的狂潮。既然自行車給人們帶來了這么多的快樂和方便，理所當然其改

6、進和設計就顯得越來越有必要。在過去，人們對自行車的改進和設計只是僅存在于外觀的設計和更多的力學構(gòu)造分析，而忽略了人性化的設計。相反，在現(xiàn)在人們越來越注重人性化的產(chǎn)品設計。所以人機工程的思想就顯得尤其重要。而鞍座作為構(gòu)成自行車的重要組成部件，其設計的合理性，舒適性及美觀性就會嚴重的影響著購買者的購買欲望，影響騎行者騎行時的安全和身體的各項組織結(jié)構(gòu)。中國以“自行車王國”著稱于世，自行車曾經(jīng)在很長一段時間內(nèi)成為中國老百姓主要交通工具。雖然現(xiàn)在我國自行車產(chǎn)量，出口量均占世界總量60%以上，國內(nèi)消費量也居世界第一，但是我國生產(chǎn)的自行車仍然存在著很多的問題 1 。比如：長時間騎自行車的人會感覺到腰酸背疼，

7、腹部墜脹，陰部脹疼和出現(xiàn)腱鞘炎等癥狀。針對以上各種情況，課題從人機工程的角度對自行車的鞍座進行分析，同時提出了自己的改進方法和設計理念。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，自行車的鞍座和把手的改進和設計主要是從人因工程入手。隨著計算機技術的發(fā)展，普遍采用的改進和設計理念是利用人體工效學和人體解剖學的知識同時結(jié)合著反求工程進行曲面建模。由于我國的工業(yè)工程起步較晚，所以與國外對自行車的鞍座和把手的改進和設計還是存在著一定的差距，不少國內(nèi)的自行車生產(chǎn)商雖然意識到人因工程這一方面的知識對自行車設計和改進的重要性，但是他們卻很少將自行車的改進和設計落實到實處，僅僅只是從自行車的外觀入手或者直接購買國外的自行車設

8、計方案，并不考慮外國人的人體測量數(shù)據(jù)和中國人是不同的，單純的進行傻瓜式的生產(chǎn)。針對中國自行車行業(yè)存在的這些問題，我國的部分高校，研究所等單位已經(jīng)開始運用人因工程學的知識進行自行車的改進和設計。2004 年，寧波大學尹玲從人機工程學的角度分析了造成機不適于人的因素，對部分零部件進行改進，協(xié)調(diào)自行車整體，同時為自行車生產(chǎn)商提供了有意義的參考數(shù)據(jù)3。2005 年，黃海波、丁玉蘭以人機工程學、醫(yī)學、力學和美學等學科的理論為依據(jù)，對鞍座進行了全方位綜合研究，得出較為科學的自行車鞍座設計方法，并在此思想基礎上設計了自行車鞍座的創(chuàng)新方案4 。2006 年，四川大學李霞通過對鞍座的人機工程學和相關理論的研究，

9、設計出了多種創(chuàng)新式的自行車鞍座5 。2006 年，四川大學張巾爽運用人體測量學、身體運動學等理論、成果，參照相應的國家標準，提出設計思想設計方法，研究設計出符合人機系統(tǒng)適配理念的自行車座位及把手設計，為設計者進行人機系統(tǒng)適配設計提供有效的輔助工具6。2006 年，昆明理工大學林霜結(jié)合人機工程學的理論及人機分析軟件-MannequinPRO 人機仿真系統(tǒng)軟件。對人騎行自行車的姿態(tài)進行了分析，總結(jié)出影響騎姿的主要因素: 車架形態(tài)與車架大小、車把與鞍座之間的相對位置和鞍座與腳踏之間的相對位置等。然后，從人機學和醫(yī)學等角度分析現(xiàn)有自行車設計中所存在的不合理部位，如自行車鞍座的高度、寬度和座面傾角等；車

10、把的高度、寬度、把套形狀、把手彎度和閘把的位置，并進一步提出了自己的改進意見7。2007 年，西安交通大學張海青從人因工程學角度，運用人體測量學、身體運動學的理論對現(xiàn)有普通自行車的鞍座和把手存在的的一些不符合人體工效學要求的缺陷進行了分析，并且提出了自己的改進意見1。美國的SPiderflex公司運用人機工程學設計出Spider自行車鞍座，從而真正解決了鞍座設計缺陷導致人體的生理壓力以及心理壓力8。美國MOONSADDLE公司設計的月牙型人機工程鞍座，成功的避免坐骨生殖區(qū)的壓迫9 。新西蘭的工業(yè)設計工程大學在自行車的效用方面作了研究，提出了自行車設計中必須考慮鞍座的舒適性，必須對騎行者騎行時進

11、行動態(tài)測量，必須對手指存在原則的效用性進行分析。該研究對自行車的鞍座改進設計提供了豐富的理論和數(shù)據(jù)依據(jù)，為制造商生產(chǎn)顧客需求的自行車和富有吸引力的自行車創(chuàng)造了有利的條件，為自行車向人性化發(fā)展提供了方向10。德國健康中心Deutsche SPorthoeheschule和比利時的婦科醫(yī)學部門center HoSpitalier universitaire Burgmann在 2003 年聯(lián)合研究兩種自行車（帶洞和無洞）鞍座對女性陰部一定壓力。其對鞍座本身和單位面積所承受的壓力等進行了客觀受力分析，同時運用Easystat3.4軟件對數(shù)據(jù)進行分析。最終得出結(jié)論建議女性騎帶洞的鞍座11 。1.3 課

12、題研究的內(nèi)容針對自行車的鞍座進行人因工程學的分析，并結(jié)合著人體測量學和解剖學的知識對鞍座進行改進和設計。其中人體測量學主要是運用各地區(qū)人群臀部組織的各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計進行鞍座的整體輪廓的設計和鞍座座面的局部造型進而達到滿足95%的人群使用。解剖學的知識主要是分析與鞍座相接觸的各類人體組織形狀，從而實現(xiàn)鞍座設計更加的符合人體組織的結(jié)構(gòu)。利用三坐標測量儀對存在著缺陷的自行車鞍座進行測量并獲得點云數(shù)據(jù)，應用imageware 軟件進行建模實現(xiàn)鞍座的逆向工程設計。UG軟件的鞍座局部造型則是利用已經(jīng)改進和設計好的各項鞍座的數(shù)據(jù)進行模型的構(gòu)造，從而最終獲得基于人因工程的自行車鞍座。1.4 課題的意義通過運用人體

13、測量學，人體解剖學的知識對自行車的鞍座結(jié)構(gòu)進行分析，進而實現(xiàn)更好的讓騎行者的手掌，手臂和臀部組織處于一種舒適的騎行狀態(tài)。同時從人機工程和基礎工業(yè)工程的角度對自行車的鞍座進行舒適性，結(jié)構(gòu)性的分析。此后采用三坐標測量儀對已有的存在缺陷的自行車鞍座進行測量，進而取得其點云數(shù)據(jù)，從而為接下來的imageware 軟件建模提供基本的鞍座點云數(shù)據(jù)。在此基礎上利用UG軟件同時結(jié)合著已經(jīng)設計好的自行車鞍座的參數(shù)進行分析和局部造型，最終獲得基于人因工程的自行車鞍座。很好的推動了自行車設計的向前發(fā)展，也為以后的自行車設計者提供了全新的設計理念，進一步擴大了人機工程學的影響范圍。1.5 論文結(jié)構(gòu)全文共分為五章，各章

14、主要研究內(nèi)容安排如下：第一章是緒論，介紹了論文研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并對研究現(xiàn)狀進行了分析，指出了現(xiàn)有研究與國外的差距，指出自行車人機工程研究的必要性，提出了論文的研究內(nèi)容和研究意義。第二章是自行車鞍座的人機工程設計，包括人機工程學、自行車鞍座的人機工程設計。第三章是自行車鞍座逆向設計，主要包括Mistral070705 DEA三坐標測量儀的使用、imagewre 軟件的逆向建模。第四章是 UG軟件對鞍座表面局部造型，主要是根據(jù)在人機工程學下設計的自行車鞍座尺寸進行造型。第五章是總結(jié)和展望。包括工作總結(jié)和展望。1.6 本章小結(jié)隨著人們生活質(zhì)量水平的提高，人們除了在追求產(chǎn)品的功能滿足之外，越來

15、越注重對產(chǎn)品的人性化的設計。當然自行車作為人們平時生活中工作和休閑的一種工具，其是否能夠更好的適應人們對其舒適性的滿足，已經(jīng)決定了自行車是否能夠持續(xù)發(fā)展的一個重要標準。本章通過對自行車的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等的介紹，指出了現(xiàn)有自行車設計存在的一些缺陷。并提出了對自行車的關鍵部件- 鞍座的人機工程的設計思路以及設計過程中涵蓋的各項技術。第二章自行車鞍座的人機工程設計2.1 人機工程學人機工程學是研究人機環(huán)境三者之間相互關系的學科，是近十幾年發(fā)展起來的一門邊緣性應用學科。該學科的研究目的在于設計和改進人機環(huán)境系統(tǒng)，使系統(tǒng)獲得較高的效率和效益，同時保證人的安全、健康和舒適。使設計的機器和環(huán)境系統(tǒng)適合人的

16、生理和心理等特征，達到在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的目的。2.2 人機工程學的定義人機工程學是一門研究人- 機 - 環(huán)境三者之間相互關系的學科，該學科在發(fā)展的過程中有機的融合了生理學、心理學、醫(yī)學、衛(wèi)生學、人體測量學、勞動科學、系統(tǒng)工程學、社會學和管理學等學科的知識和成果，形成了自身的理論體系、研究方法、標準和規(guī)范，研究和應用范圍廣泛并具有綜合性。該學科的研究目的在于設計和改進人- 機 - 環(huán)境系統(tǒng)，使系統(tǒng)獲得較高的效率和效益，同時保證人的安全、健康和舒適。由于該學科在各國的發(fā)展過程也不同，實際應用的側(cè)重點不同，所以其定義也不盡相同。國際人類工效學學會（International Erg

17、onomics Association,簡稱IEA ）將該學科定義為：研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的因素；研究人和機器及環(huán)境的相互作用；研究在工作中、生活中和休假時怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒服等問題。中國企業(yè)管理百科全書將其定義為：研究人和機器、環(huán)境的相互作用及其合理結(jié)合，使設計的機器和環(huán)境系統(tǒng)適合人的生理、心理等特征達到在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的目的。2.3 人機工程學的內(nèi)容人機工程學的研究包括理論研究和應用研究兩個方面，由于各國工業(yè)基礎及學科發(fā)展程度不同，學科研究的主體方向及側(cè)重點也不同，但根本研究方向都是通過揭示人- 機 - 環(huán)境之間相互關

18、系到的規(guī)律，以達到確保人- 機 - 環(huán)境系統(tǒng)總體的最優(yōu)化。其主要內(nèi)容包括以下幾個方面：（ 1）研究人的生理與心理特性。人的心理、心理特性和能力限度，是人- 機 - 環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的基礎。對其進行研究主要是對人- 機 - 環(huán)境系統(tǒng)進行設計和改善，以及制定有關標準提供科學依據(jù)，使設計的工作系統(tǒng)及機器、作業(yè)、環(huán)境都更好地適應于人，創(chuàng)造高效、安全、健康和舒適的工作條件。（ 2）研究人機系統(tǒng)總體設計。人機系統(tǒng)的效能取決于它的總體設計。系統(tǒng)設計的基本問題是人與機器之間的分工以及人與機器之間如何有效地進行信息交流等問題。（ 3）研究人機界面設計。在人機系統(tǒng)中，人與機相互作用的過程，就是利用人機界面上的顯示器與

19、控制器，實現(xiàn)人與機的信息交換的過程。研究人機界面的組成并使其優(yōu)化匹配，產(chǎn)品就會在功能、質(zhì)量、可靠性、造型及外觀等方面得到改進和提高，也會增加產(chǎn)品的技術含量和附加值。（ 4）研究工作場所設計和改善。工作場所設計的合理性，對人的工作效率有直接影響。（ 5）研究工作環(huán)境及其改善。任何人機系統(tǒng)都處于一定的環(huán)境之中，因此人機系統(tǒng)的功能不能不受環(huán)境因素影響，人與機相比，受影響的程度更大。（ 6）研究作業(yè)方法及其改善。作業(yè)是人機關系的主要表現(xiàn)形式，也是人機系統(tǒng)的工作過程，只有通過作業(yè)才能產(chǎn)生系統(tǒng)的成果。（ 7）研究系統(tǒng)的安全性和可靠性。人機系統(tǒng)已向高度精密、復雜和快速化發(fā)展。人機工程要研究人為失誤的特征和規(guī)

20、律，人的可靠性和安全性，找出導致人為失誤的各種因素，以改進人 - 機 - 環(huán)境系統(tǒng)，通過主觀和客觀因素的相互補充和協(xié)調(diào)，克服不安全因素，搞好系統(tǒng)安全管理工作。（ 8）研究組織與管理的效率。人- 機 - 環(huán)境系統(tǒng)的研究應與組織、管理、文化和社會相適應。2.4 人機工程在自行車鞍座設計中的應用鞍座作為自行車的關鍵部件之一，其設計的好壞直接影響著騎行者騎行的舒適性，更嚴重的是經(jīng)常騎行設計不合理的鞍座坐墊會給騎行者臀部的會陰區(qū)的各種組織和血管產(chǎn)生壓迫，影響人體各項機能的正常工作。所以自行車鞍座的設計已經(jīng)顯得刻不容緩。為了解決上述自行車不合理鞍座產(chǎn)生的影響，人機工程的自行車鞍座設計為我們提供了一個很好的

21、解決方法。有利的推動了自行車的快速發(fā)展，使自行車更受消費者的青睞。自行車鞍座對舒適性的影響自行車雖已有兩百多年的歷史，但其設計方面仍存在很多問題，騎乘者抱怨最多的莫過于騎行舒適性問題。而鞍座是支撐自行車騎乘者體重的主要零部件，其設計對騎乘者的健康和騎行舒適性有著很大的影響。由于騎車時會陰部長時間受到擠壓，致使前列腺或陰部充血腫脹而發(fā)生炎癥12。根據(jù)圖2-1 所示人體臀部組織在自行車鞍座上的分布簡圖可知，當騎乘者位于鞍座上時，鞍座會壓迫到位于坐骨結(jié)節(jié)和恥骨聯(lián)合部之間的坐骨生殖區(qū)，該處的組織里含有豐富的血管、軟組織和大量的神經(jīng)及神經(jīng)末梢。圖 2-1 人體臀部組織在鞍座上的分布在騎行過程中，騎乘者的

22、大部分體重會壓迫到這些血管和神經(jīng)，造成會陰區(qū)的疼痛和麻木。同時會陰區(qū)深層中含有泌尿組織、血管及生殖動脈和傳導神經(jīng)，騎行中騎乘者體重的壓迫也會造成生殖區(qū)域的缺血和麻木，嚴重時還會導致生殖系統(tǒng)功能障礙。這也就是騎自行車引起會陰脹痛、臀部疼痛，長時間騎行后還會感到陰部發(fā)麻，甚至會引起尿痛、尿頻、睪丸疼痛等癥狀的主要原因。另外，據(jù)一家外國機構(gòu)的調(diào)查研究統(tǒng)計，騎自行車的男士中，90%以上的人的睪丸存在畸形；50%的被調(diào)查人群會感到陰囊不適或存在勃起障礙13 。鞍座的人機工程分析（ 1）坐姿時的脊柱形態(tài)處于坐姿狀態(tài)時，人的身體主要由脊柱、骨盆、腿和腳支撐。不同坐姿下的脊柱形態(tài)不同。在良好的自然坐姿狀態(tài)下，

23、各椎間盤上壓力分布適當且肌肉組織承受均勻的靜負荷。而處于非自然坐姿下，椎間盤壓力分布不正常，容易產(chǎn)生腰部疼痛和疲勞等不適。從坐姿生理學角度來講，鞍座的尺寸和結(jié)構(gòu)設計應能使騎乘者處于或接近自然坐姿，保證正常的脊柱形態(tài)和腰弧曲線以降低疲勞減少腰部疼痛等不適。（ 2）坐姿體壓分布當人處于坐姿狀態(tài)時，人的身體重量主要由坐墊和靠背承擔，因此坐姿體壓分布包括坐墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩部分。坐姿狀態(tài)下，由人體組織的解剖學特性可知，與鞍座緊密接觸的是最能承受壓力的臀部的兩塊坐骨結(jié)節(jié)，約25cm2 的部位支撐著75%的人體重量，時間久了便會感到疲勞，造成臀部疼痛。圖2-2所示為坐姿時坐墊上的壓力分布圖

24、14?？梢娫谧藸顟B(tài)下，其坐骨結(jié)節(jié)處壓力最大，向四周逐漸減少，到大腿部位時壓力降至最低，即為鞍座設計的壓力不均勻分布原則?？勘成系捏w壓分布同樣也不均勻，就帶靠背的自行車鞍座而言，壓力主要集中在腰椎部位，由此向外逐漸降低。圖 2-2 坐姿時坐墊上的體壓分布（ 3）股骨受力分析坐姿時坐骨結(jié)節(jié)承受大部分的身體重量，當座面接近水平狀態(tài)時，位于坐骨結(jié)節(jié)外側(cè)的股骨處于正常的位置（如圖2-3 ）而不會受到過分壓迫使人覺得舒適；而當座面呈斗型（凹式三角形）時，會使股骨因受到壓迫而向上轉(zhuǎn)動（如圖2-4 ）并承受載荷，且還會使髖部肌肉受壓從而引起不舒適感。圖 2-3股骨正常位置圖 2-4股骨受壓迫位置現(xiàn)有鞍座的人

25、機特點分析在自行車的發(fā)展演變過程中，鞍座的設計也有了很大的改進，在設計過程中越來越重視安全和舒適性，由過去的硬質(zhì)材料鞍座發(fā)展為座面采用較為柔軟的材料制成的鞍座，并通過凹陷、鑿孔等方法來減少對騎乘者生殖區(qū)的壓迫。（ 1）鏤空型鞍座如圖 2-5 所示，鞍座中間的鏤空有效的地減少了鞍座對騎乘者會陰區(qū)的壓迫，但鏤空的設計使得騎乘者的重量主要集中在坐骨結(jié)節(jié)處且鏤空邊緣的尖角會給與其接觸的部位造成不適。圖2-6 所示為局部凹陷的鞍座設計，與中間開孔的鞍座相比，孔邊緣的避免巧妙地減輕了對騎乘者會陰部的壓力。鞍座設計者將最大限度的減少對騎乘者坐骨生殖區(qū)和會陰區(qū)軟組織、血管和神經(jīng)的壓迫作為鞍座設計準則，除通過鑿

26、孔、凹陷等方法來實現(xiàn)這一準則外，還通過改變鞍座形狀來實踐該設計準則，故出現(xiàn)了一些外觀造型獨特的鞍座設計，如月牙型鞍座、直桿型鞍座以及造型獨特的分離型自行車鞍座。圖 2-5 鏤空型鞍座圖 2-6 局部凹陷的自行車鞍座（ 2）月牙型自行車鞍座圖 2-7 為美國 MOONSADDLE公司 15 所設計的月牙型鞍座， 該鞍座成功地避免了對騎乘者坐骨生殖區(qū)器官和組織的壓迫。因其缺乏前部必要支撐，騎乘者會感覺到缺乏安全性，同時月牙型的造型會給上下車帶來不便且會影響騎乘者的腿部運動。圖 2-7 月牙型自行車鞍座（ 3）直桿型自行車鞍座直桿型自行車鞍座16（圖 2-8）僅僅由一個橫向的直桿構(gòu)成，沒有了普通自行

27、車鞍座前部的窄小部分，避免了對人體坐骨生殖區(qū)的壓迫和摩擦，不會對會陰區(qū)的血管和神經(jīng)造成壓迫。但由此帶來的問題是騎乘者會前傾身體以保持身體的穩(wěn)定性，從而會加重上肢負擔而加速疲勞。并且因其形態(tài)設計大大減少了騎乘者臀部與鞍座的接觸面積，因而在騎行過程中騎乘者的坐骨結(jié)節(jié)和臀大肌所承受的壓力會大大增加，這將加速了臀部肌肉的疲勞和疼痛。圖 2-8直桿型自行車鞍座（ 4）分離型自行車鞍座圖 2-9 所示是由河北雙燕鞍座廠推出的一款造型新穎、獨特的自行車鞍座，由于它由左右兩部分構(gòu)成，故稱其為“分離型鞍座” 。其舒適性特點同鏤空型以及月牙型鞍座相似。圖 2-9 分離型自行車鞍座人機工程學指導下的鞍座設計鞍座的人

28、機工程學設計一直是圍繞著如何減少對騎乘者坐骨生殖區(qū)和會陰區(qū)的摩擦和壓迫進行的，除此之外還應考慮以下因素：保證騎乘者在鞍座上處于或接近自然坐姿；保證股骨于正常位置受力；保證騎乘蹬踏運動的靈活性；保證騎乘過程中的坐姿穩(wěn)定性；尋求最佳的鞍座尺寸、結(jié)構(gòu)和坐墊材料。（ 1）鞍座結(jié)構(gòu)設計鞍座座面的設計采用局部凹陷的結(jié)構(gòu)以減少對騎乘者坐骨生殖區(qū)造成的壓迫，同時在鞍座上表面在人體會陰區(qū)部位的鞍座接觸面設計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加會陰區(qū)的舒適度和透氣性。（ 2）鞍座尺寸設計鞍座尺寸設計參數(shù)主要包括座面寬度、鞍座長度、座面傾角。鞍座尺寸設計的依據(jù)主要是人體的生理結(jié)構(gòu)尺寸。鞍座后端的寬度保證了騎乘者位于鞍座上時坐骨結(jié)節(jié)間距

29、，過小會導致坐骨結(jié)節(jié)處軟組織受到擠壓，過大又會影響到鞍座的平衡性。根據(jù)人體測量學，50%的人群骨盆的坐骨結(jié)節(jié)間距約為200220 mm，在設計時還需加上適當?shù)脑O計余量（4060 mm），以提高鞍座的舒適性，因此可確定普通休閑自行車的鞍座后端寬度為240280 mm為宜。由于女性的髖骨要寬于男性，在鞍座設計時，女式自行車的鞍座寬度要比男性的寬一些。鞍座長度由坐深以及腿部蹬踏運動的靈活性確定。鞍座過長，不僅會影響腿部蹬踏運動的靈活性，還會對人體生殖區(qū)造成壓迫，過短又會降低坐姿穩(wěn)定性，加速騎乘疲勞。據(jù)人體解剖學中人體結(jié)構(gòu)尺寸可知，鞍座后端的長度應由坐姿狀態(tài)下坐骨結(jié)節(jié)離臀部后緣的距離（100120 m

30、m）確定，鞍座總長度則由坐姿時會陰處離臀部后緣的距離（170190mm）再加上適當余量確定，由實驗測量得出，普通休閑自行車鞍座的設計余量取50 mm左右為宜，因此可確定鞍座長度的尺寸范圍為220240 mm 。同時根據(jù)其人體臀部會陰區(qū)及坐骨區(qū)的尺寸大小在鞍座的上表面進行了局部的造型，其自行車鞍座的實體圖如圖2-10 ，自行車鞍座設計草圖如圖2-11 。圖 2-10自行車鞍座實體圖圖 2-11自行車鞍座設計圖（ 3）材料選取坐墊材料是影響鞍座舒適性的重要因素之一，同時也是騎行過程中的減震元件之一。選擇坐墊材料的主要因素是其變形程度和大小，過硬的坐墊材料會增加對騎乘者坐骨結(jié)節(jié)的壓力，導致臀部疼痛；

31、過軟的坐墊又會使坐骨結(jié)節(jié)陷入鞍座中，對神經(jīng)和血管造成壓迫，易造成與坐墊接觸部位的組織和神經(jīng)的缺血和麻木。在鞍座設計中，一般應采用硬質(zhì)座面包覆軟硬適中的坐墊材料，同時還應考慮到其透氣性、防水性等特征。柔軟度適中的坐墊，在保證騎乘者保持正常的腰弧曲線和合理的體壓分布時，還可減少騎行路面不平整時所產(chǎn)生的震動沖擊，起到一定的減震避震作用，進一步增強騎行舒適性。鞍座可采用透氣性較好的皮革材料以利于散熱。2.5 本章小結(jié)人機工程學隨著時代的發(fā)展應運而生，它不僅為現(xiàn)代產(chǎn)品的開發(fā)提供了一個很好的設計思路，同時能夠更好的實現(xiàn)產(chǎn)品人性化的設計，深層的體現(xiàn)了工業(yè)工程“以人為本”的思想。在本章的知識環(huán)節(jié)中，主要介紹了

32、關于人機工程學方面的知識，主要包括人體測量學和人體解剖學等。其重點講解了現(xiàn)有自行車鞍座存在著哪些缺陷，及從人機工程的角度出發(fā)提出了自行車鞍座改進和設計的方案，并最終獲得了改進和設計后的自行車鞍座模型。第三章自行車鞍座逆向設計3.1 逆向工程學逆向工程是相對于現(xiàn)在的正向工程而言，正向工程就是先設計圖紙，然后按圖紙加工出產(chǎn)品實物，而逆向工程是以目前已有的實物通過三維激光超數(shù)及逆向軟件處理，還原為電腦模型，并且可以修改和改進。3.2 逆向工程學的定義逆向工程學是指從實物上采集大量的三維坐標點，并由此建立該物體的幾何模型，進而開發(fā)出同類產(chǎn)品的先進技術。逆向工程與一般的設計制造過程相反，是先有實物后有模

33、型。仿形加工就是一種典型的逆向工程應用。該項技術與快速成型技術相結(jié)合，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的快速三維拷貝，并經(jīng)過CAD重新建模修改或快速成型工藝參數(shù)的調(diào)整，還可以實現(xiàn)零件或模型的變異復原。3.3 逆向工程學的發(fā)展1980年開始，歐美國家許多學校及工業(yè)界開始注意逆向工程領域。1990年初期，各國學術界團隊大量投入逆向工程的研究并發(fā)表成果。逆向軟件的演進大約可區(qū)分為三個階段：2000 年前，在逆向工程上，只能運用CATIA 等CADCAM高階曲面系統(tǒng)。 市場后來發(fā)展出兩套主流產(chǎn)品約在2003 年前技術成熟，廣為業(yè)界引用。到2007 年后，發(fā)展出不同以往的逆向工程數(shù)學邏輯運算，速度快。1998 年， NEW

34、POWER啟動了逆向工程的一些項目，要求是把客戶的現(xiàn)有源代碼轉(zhuǎn)變成設計，如果需要的話，進一步轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品需求規(guī)約。這恰恰與類似于V 模型的標準開發(fā)過程模型相逆。這樣一來，客戶就可以容易地維護他們的產(chǎn)品（需求，設計，源代碼等等），而不需要想以前那樣，每次改動產(chǎn)品都需要直接修改源代碼。截止2011 年，逆向工程的應用已從單純的技巧性手工操作，發(fā)展到采用先進的計算機及測量設備，進行設計、分析、制造等活動，如獲取修模后的模具形狀、分析實物模型、基于現(xiàn)有產(chǎn)品的創(chuàng)新設計、快速仿形制造等。3.4 逆向工程學的作用逆向工程被廣泛地應用到新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設計、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析檢測等領域，它的作用主要體現(xiàn)在以

35、下幾個方面：1 、縮短產(chǎn)品的設計、開發(fā)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度；2 、降低企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的成本與風險；3 、加快產(chǎn)品的造型和系列化的設計；4 、適合單件、小批量的零件制造，特別是模具的制造，可分為直接制模與間接制模法。直接制模法：基于RP技術的快速直接制模法是將模具CAD的結(jié)果由RP 系統(tǒng)直接制造成型。該法既不需用RP 系統(tǒng)制作樣件，也不依賴傳統(tǒng)的模具制造工藝，對金屬模具制造而言尤為快捷，是一種極具開發(fā)前景的制模方法；間接制模法：間接制模法是利用RP 技術制造產(chǎn)品零件原型，以原型作為母模、模芯或制模工具( 研磨模 ) ，再與傳統(tǒng)的制模工藝相結(jié)合，制造出所需模具。3.5 自行車鞍座設計中逆向

36、工程的運用在本次自行車鞍座設計的課題中其關鍵技術主要是指逆向工程設計。其主要包括三坐標測量儀的使用、imageware軟件的建模、鞍座尺寸在UG軟件的改進和設計。(l) 三坐標測量儀的使用：三坐標測量儀三軸均有氣源制動開關及微動裝置，可實現(xiàn)單軸的精密傳動 , 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高性能手動三坐標專用系統(tǒng)，可靠性好。應用于產(chǎn)品設計、模具裝備、齒輪測量、葉片測量機械制造、工裝夾具、汽摩配件、電子電器。(2) imageware 軟件的建模： imageware 軟件提供了獨特，綜合的自由曲面構(gòu)造和檢測，其通過對點云的處理，各種特征曲線和輪廓線的獲取，最后構(gòu)造出設計者所需要的模型，其主要運用在逆向工程的

37、建模過程。（ 3）鞍座表面尺寸在 UG軟件的改進和設計： UG為用戶的產(chǎn)品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段，在本次畢業(yè)設計課題中UG軟件主要用于鞍座座面尺寸的改變及座面造型。三坐標測量儀三坐標測量儀是一種高效、新穎的精密測量儀器。它廣泛應用于機械制造、電子工業(yè)、航空工業(yè)等各領域。應用三坐標測量機可對直線坐標、平面坐標以及空間三維尺寸進行測量，可以測量球體直徑、球心坐標、曲線曲面輪廓、各種角度關系以及凸輪、葉片等復雜零件的幾何尺寸和形狀位置誤差。三坐標測量機精度高，速度快，軟件功能強大，是測量行業(yè)不可或缺的高級儀器。三坐標測量機的測量時，將被測物置于測量空間，通過測量獲得各測量點的坐標位

38、置，然后根據(jù)這些測點坐標值計算得出被測的幾何尺寸、形狀和位置。三坐標測量機一般有主機、測頭和電氣系統(tǒng)組成。標尺系統(tǒng)可分為機械式測量系統(tǒng)、光學式測量系統(tǒng)和電氣式測量系統(tǒng)；三坐標測量機測頭可分為硬測頭（機械測頭）、電氣測頭（電觸、電感、電容、應變片、壓電晶體等）和光學側(cè)頭（光電檢測器件）等。利用三坐標測量機測量時，測量路徑規(guī)劃的基本原則是安全、路徑短、速度快、行走路線自然，即有序、快速、高效地探測分布在元素表面的各實際點的坐標，并保證在檢測過程中測頭與工件不發(fā)生碰撞。點云圖的生成（ 1）設置測頭的種類和數(shù)量測頭的種類不同決定了測量的精確性，根據(jù)鞍座點云的構(gòu)造，選擇測頭的種類和數(shù)量。其具體的操作步驟

39、如下：新建測頭文件單擊添加角。此時彈出測頭功能對話框如圖3-1 所示。圖 3-1 測頭功能對話框（ 2）校準測頭選中活動測尖列表中的某一測頭，單擊測量按鈕則彈出測量測頭的對話框，如圖 3-2 所示。圖 3-2測量測頭對話框（ 3）建立坐標系在精確的測量工作中，正確的建立坐標系，與具有精確的測量機，校驗好的測頭一樣重要。由于工件圖紙都是設計基準的，所有尺寸都是與設計基準相關的，要得到一個正確的檢驗報告，就必須建立零件坐標系，同時在批量工作的檢驗過程中，只需建立好零件坐標系即可運行程序，從而更快捷有效。建立坐標系（如圖3-3 ）的具體步驟如下：（ 1）在功能塊的上表面測 3個點，建立平面 1；側(cè)面測 2個點，建立直線 1；在相鄰的側(cè)面測 1個點，建立 1個點。（ 2）在 pcdmis 中選“插入” “坐標系”打開建立坐標系功能對話框，選中平面 1，然后設定第一個坐標軸為 Z正，點擊“找平” ，此時建立了第一個軸向。（ 3）再次打開建立坐標系對話框，選直線1，然后選“圍繞Z正”“旋轉(zhuǎn)到 X正”，點“旋轉(zhuǎn)” 。（ 4）點擊“確定” ，至此已經(jīng)新建了一個零件坐標系。圖 3-3建立坐標系A1（ 4）點云測量根據(jù)鞍座表面測量的需要，決