CATIA V5人机工程学功能及应用

张峻霞，梅飞雪，赵俊芬

（天津科技大学， 天津 300222）

［摘要］ 介绍了CATIA V5的发展和技术特点，介绍了其人机工程功能，以一个香烟条盒包装机防护罩的设计为例，说明了CATIA V5在产品设计中的具体应用方法。

关键词：人机工程；CATIA ；产品设计；包装机

中图分类号：TB18；TB472 文献标识码：B 文章编号：1001-3563（2005）

03-0194-03收稿日期：2005-02-07；修订日期：2005-03-14

作者简介：张峻霞（1968-），女，山西原平人，博士，天津科技大学副教授，主攻工业设计、机械设计及理论。

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ZHANG Jun -xia ，MEI Fei -xue ，ZHAO Jun -feng

（Tianjin University of Science &Technology ，Tianjin 300222，China ）

29,/%5+/：The development ，technical characteristics ，and ergonomics function of CATIA V5were in-troduced.The practical application method of CATIA V5in product design was explained with an example of a shield design of cigarette strip box packaging machine.

:e;<’%6,：Ergonomics ；CATIA ；Product design ；Packaging machine

1 CATIA V5的发展和技术特点

CATIA V5是IBM /DS 基于Windows 核心开发的新一代高端CAD /CAM 软件系统。自1999年法国达索正式发布CATIA 第一个版本V5R1以来，平均每年发布2～3个版本，到2004年发布的CATIA V5R14，将99%以上的用户界面图标采用MS -Office 形式，并且自己开发一组图形库，使得Unix 工作站版本与Windows 微机版具有相同的用户界面。CATIA V5充分发挥了Windows 平台的优点，一经推出市场后立刻就得到广泛的认可，被评价为第4代CAD /CAM 软件，代表了CAD /CAM 未来发展的方向。

CATIA V5特别是CATIA V5R14在开发时大量使用了最新和最前沿的技术和标准，这使CATIA V5具有与众不同的鲜明的特点：集成产品开发，制造流程和资源应用，拓展新一代虚拟产品建模的应用范围，将V5PLM 先进方案广泛应用于产品工程；基于协同工作空间，提供实时共享的3D 工作环境，进一步扩大扩展企业协同工程的应用；以知识管理为核心，增强PLM 知识应用，捕捉，分享和重用企业知识资产，优化产品；以流程中心，基于特定行业流程构建客户方案，实现建模突破，促进产品创新；新的想象和造型设计产品使工业设计师可以用想象的速度方便地进行3D 造型设计。提供无缝的造型至制造流程，增强V5方案的功能等

［1］

。

2 CATIA V5的人机工程功能

人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机器和人的相互关系，以提高整个系统工效的新兴边缘科学，是研究人、机械及其工作环境之间相

互作用的学科［2］

。为了在进行产品设计过程中就很好地解决

“人机环境”之间的问题，CATIA V5最早提出了人机设计

与分析解决方案，在CATIA V5中集成为4个模块：人体模型构造（CATIA Human Builder ）HBR 模块，人体行为分析（Human Activity Analysis ）HAA 模块，人体模型测量编辑（CATIA Human Measurements Editor ）HME 模块，人体姿态分析（CATIA Human Posture Analysis ）HPA 模块。2.1 人体模型构造（HBR ）

HBR 在虚拟环境中建立和管理标准的数字化“虚拟”人体模型，以在产品生命周期的早期进行人机工程的交互式分析。HBR 提供的工具包括：人体模型生成、性别和身高百分比定义、人机工程学产品生成、人机工程学控制技术、动作生成及高级视觉仿真等。一个友好的用户接口确保了人体因素分析能够由非人体分析专家进行研究。

有效地将HBR 与HAA 、HME 及HPA 结合起来可以生成更高级的人体模型，得到更详尽的分析结果，使设计更符合人机工程学对舒适性、功能性及安全性的要求。这些产品的结合可以为设计人员提供人机工程设计详细的解决方案。2.2 人体行为分析（HAA ）

HAA 作为HBR 的辅助模块，可以对处于虚拟环境中的人机互动进行特定的分析。其优点在于能够精确地预测人的行为。它提供了多种高效的人机工程学分析工具和方法，可以全面分析人机互动过程中的全部因素。

4

91包装工程 PACKAGING ENGINEERING Vol.26No.32005

2.3 人体模型测量编辑（HME ）

HME 允许设计人员通过大量的先进人体测量学工具生成高级的用户自定义的人体模型。该模型依靠它的指定目标人群，可以用于评价设计与其目标的吻合程度。HME 能够满足专业人机工程分析师、技术支持维护工程师等不同设计人员的需要。

2.4 人体姿态分析（HPA ）

HPA 可以定性和定量地分析人的各种姿态。人的整个身体及各种姿态可以从各个方面被全面系统地反复检验和分析并可以与已公布的舒适性数据库中的数据进行比较，确定相关人体的舒适度和可操作性。可快速发现有问题的区域，重新做出分析，并进行姿态优化。HPA 允许设计人员根据自己的实际应用，建立起自己的舒适度和强度数据库设计，来满足不同的需要。

3 CATIA 人机工程功能在产品设计中的应用

在各种不同的产品设计过程中，人机工程学对产品设计的指导意义，最终体现在人机系统的设计，人和机是构成人机系统的2个组成部分，在掌握人体主要尺寸的基础上，根据各种作业的不同特点，对产品进行人性化设计，使产品最大程度地满足操作的舒适性、方便性、安全性。同时也不能忽略对操作环境的考虑，如照明环境、温度气候小环境、噪声环境、震动。如此才能创造出人-机-环境相互协调而舒适高效的工作环境，从而提高工作效率。另外，通过人们已经熟悉的形状、颜

色、材料、位置的组合来表示操作过程符合人的行动特点［3］，

减少操作人员的学习过程，使机器符合操作员的经验、行为特征和操作想象，从而也能够减少操作出错。

作为成熟的CAD /CAM 软件，CATIA 把人体测量学中的各种知识和理论直接嵌入程序内部，使得在实际的设计过程中，只需把人体模型直接放入所考虑的机械设备或工程设计之中，省去了做人体模型的繁复工作。CATIA 的人体模型可根据选取的百分位数或具体的人体数据做实时调整。根据不同的工业设备，人的作业姿势也不近相同。CATIA 还可以快速、便捷的调整虚拟人不同的作业姿态，以满足不同作业姿态下的空间尺寸测定。在人机工程学中以人为本的设计理念思想指导下，满足人体一般作业空间概略设计的需要。但对于受作业空间的设计，则需要满足各种姿势下人体功能尺寸。

图1为对人体参数直接调整对话框。同时，CATIA 还可以考虑工作载荷、工作频率、工作空间等各种在产品设计过程需考虑的人机工程因素。

在实际设计过程中，首先根据产品性能运用虚拟设计的方法设计出产品模型。然后加入虚拟人，在CATIA 中我们可以清晰地判定人与产品的空间关系。根据人机工程学的原理考虑作业空间、操纵装置、显示装置及安全防护装置的设计。

以一香烟条盒包装机的设计为例。考虑到其防护罩的工

图1

CATIA V5人体参数对话框

Fig.1CATIA human body parameter dialog box

作频率较高，当机器出现卡烟盒的故障时，要求作业员能快速做出反映，停止机器运转，打开防护罩及时排除故障。设计初始阶段从人体结构尺寸和人在工作位置上的活动空间尺度出发，我们就确定了控制台面板高度取人体高度的10/19（灶台高度），而防护罩拉杆中心高度为6/11（直立姿势时工作面的高度）。图2为虚拟人自然站立时，双手能达到的作业空间，a 为机器正常工作状态。此时人体过铅垂轴冠状面距控制面板上最远的按尺寸为210mm ，距防护罩拉杆距离为245mm ；b 为防护罩开启时，人体过铅垂轴冠状面距防护罩拉杆距离为500mm

。以上全部的设计尺寸均符合人体正常功能尺寸。

图2 作业员手部作业空间

Fig.2Operational space of hands

图3a 为机器正常工作防护罩盖起防护作用的侧视图，图3b 为机器出现故障防护罩打开的侧视图。两分图的上半部分为各机器状态下，

虚拟人的视觉效果。

图3 香烟条盒包装机

Fig.3The cigarette packaging machine

从人体感知的特性，我们把防护罩的材料选用为无色透明的有机玻璃（PMMA ），有机玻璃具有质轻（质量约为无机玻璃的一半），不易破碎，透明度高（透光率可达92%，和无机玻璃

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91张峻霞等 CATIA V5人机工程学功能及应用

且又能满足人眼适应性的特点以减少视觉疲劳。

图4其他工位防护罩设计图

Fig.4Design drawing of other work section protection cover

图4为此生产线其它工位防护罩，设计原理和条盒包装机相同。在此不一一赘述。在传统的产品设计过程中，设计高技术含量的人机产品时，对设计工程师的理论知识和实际工作经验都有很高的要求。同时即使设计人员已充分掌握人机工程学知识，还需要做人体模型和进行大量的数据测试，设计难度也比较大。CATIA V5以数字人体模型为基础的人机工程学功

能为不十分熟悉人机工程原理及人体构造知识的设计师提供了一个进行人机产品的工作平台，这是其它CAD/CAM软件无法比拟的。

4 结语

文中结合CATIA V5系统的技术特点，讨论了产品设计中其人机工程功能的具体应用。随着科技发展和生产力提高，人们对工作、生活质量的要求不断提高，人机工程学的研究和应用范围将不断扩大。CATIA作为一个功能强大的CAD/CAM 软件，其人机工程功能也必将得到更加广泛的应用。

参考文献

［1］曾洪江.CATIA V5机械设计从入门到精通［M］.北京：中国青年出版社，2004

［2］丁玉兰.人机工程学［M］.北京：北京理工大学出版社，1999［3］魏长增，张品.工业产品设计与语义学［J］.包装工程，2003，24（2）：

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（上接第193

页）

图3通过外部复制而得到的相关的

骨架线和装饰特征的细节设计

Fig.3The skeleton through outside copy and the detailed design

图4 高速骨模型后的手下机系列

Fig.4A series of mobile phone after adjusting the TBS

设计，由于不在从基本的零件开始建模，只须改变顶层相关的骨架，在系统再生后，修改信息就会自动传递到有关的零件中，从而这种方法比用其它方法实现变型设计更加方便、有效、迅速。

4 结语

基于顶层基本骨架TBS模型的变型设计方法从以顶层基本骨架TBS模型为核心，根据产品功能要求和设计约束，在确定产品的初步组成和形状的基础上，确定各组成零部件之间的装配关系和相互约束关系，通过信息TBS模型的共享和特征的继承实现产品变型的方法。用此方法进行了新产品的设计开发，经实践可以实现产品的、高质量、低成本地开发。并大大提高了产品的快速反应市场能力和设计的效率，缩短了研制周期、提高了竞争力。

参考文献

［1］齐从谦，贾伟新.支持变型设计的装配模型建模方法研究［J］.

机械工程学报，2004，（1）：39-42

［2］齐从谦，崔琼瑶.基于参数化技术的CAD创新设计方法研究［J］.中国机械工程，2003，14（8）：681-683

［3］N.Aleixos，P.Company，M.Contero integrated modeling with top-down approach in subsidiary industries.Computers in Industry，

2004；53：97-116.

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