陳甦欣, 程智攀

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

我國提出邁入制造強(qiáng)國戰(zhàn)略,其中普及數(shù)字化制造是必不可少的一環(huán)[1]。在目前科學(xué)技術(shù)水平下,許多工作還是需要人來完成,應(yīng)以人的安全、舒適、高效等作為重要的設(shè)計因素,因此數(shù)字化工廠技術(shù)將人作為制造系統(tǒng)中的重要資源進(jìn)行規(guī)劃[2]。人機(jī)工程學(xué)把人的因素作為產(chǎn)品設(shè)計的重要條件和原則,研究人-機(jī)-環(huán)境的相互作用,以達(dá)到人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)總體性能最優(yōu)化[3]。因此需要通過關(guān)聯(lián)人體資源到數(shù)字化工廠虛擬場景中,實現(xiàn)虛擬裝配仿真和人機(jī)工程仿真技術(shù)相結(jié)合[4],從人機(jī)工程學(xué)分析方法出發(fā),進(jìn)一步開展人機(jī)工程分析評估。

Tecnomatix是西門子公司開發(fā)的數(shù)字化制造軟件平臺,是目前比較成熟的數(shù)字化制造平臺,其中Human模塊有著強(qiáng)大的人機(jī)工程仿真功能,借助該平臺可以實現(xiàn)對生產(chǎn)流程、設(shè)備以及系統(tǒng)進(jìn)行虛擬驗證,實現(xiàn)制造過程的智能化、快速化和精益化[5],實現(xiàn)對人工裝配過程中舒適性、合理性、可操作性、安全性分析。

本文以變速箱殼體部裝工位為研究對象,簡要闡述了基于Tecnomatix平臺的人機(jī)工程仿真理論路線,從人機(jī)工程學(xué)角度分析裝配任務(wù)中人體的舒適性、合理性和安全性,分析結(jié)果對實際生產(chǎn)裝配有一定的指導(dǎo)意義,可以提升裝配效率。

1 實現(xiàn)方法及工位簡介

1.1 實現(xiàn)方法

過程仿真(process simulation,PS)是Tecnomatix平臺下的虛擬仿真軟件,提供了一個基于數(shù)據(jù)庫的無縫的工藝過程模擬功能,可實現(xiàn)裝配路徑的分析、順序的調(diào)整、人機(jī)工程的分析評價等[6-7]。變速箱殼體部裝工位的人機(jī)工程仿真任務(wù),具體實現(xiàn)方法如下:

(1) 模型搭建。利用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品布局建模,通過多次格式轉(zhuǎn)換為輕量化的JT格式后,導(dǎo)入PS軟件,在Human模塊中,創(chuàng)建所需人體模型,完成完整的模型搭建。

(2) 虛擬裝配。通過裝配順序規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃[8],實現(xiàn)裝配設(shè)備自動裝配的部分,之后設(shè)置人體姿勢,創(chuàng)建新組合操作,將人體姿勢組合得到所需操作，同時利用任務(wù)仿真構(gòu)建器一站式完成人體各種姿勢及動作的定義。通過人機(jī)配合,完成虛擬裝配仿真。

(3) 仿真分析。利用Analysis Tools工具對人機(jī)任務(wù)進(jìn)行OWAS、RULA、LBA分析等。

(4) 改進(jìn)優(yōu)化。根據(jù)仿真分析結(jié)果,若出現(xiàn)干涉、人體受傷風(fēng)險高等問題,則立即對虛擬裝配過程反復(fù)進(jìn)行調(diào)整,消除干涉、降低受傷風(fēng)險,最終實現(xiàn)對裝配工藝的改進(jìn)。

1.2 工位簡介

本工位是MT82變速箱殼體部裝二合一半自動工位,主要功能是實現(xiàn)軸承和襯套的壓裝,工位工序內(nèi)容見表1所列。

表1 變速箱殼體部裝工位工序內(nèi)容

2 部裝工位建模與裝配仿真

2.1 模型搭建

本例通過三維軟件SolidWorks建模,搭建工位壓裝設(shè)備、線體、托盤、工件、取料架等模型資源。因為零件數(shù)量多,整個裝配體模型文件體積較大,占用較多系統(tǒng)資源，所以進(jìn)行輕量化格式轉(zhuǎn)換,Tecnomatix軟件支持輕量化JT格式資源導(dǎo)入。將SolidWorks文件另存為step格式,利用格式轉(zhuǎn)換器另存為JT格式,接著新建同名cojt文件夾,將JT格式文件放在文件夾中,Tecnomatix軟件可導(dǎo)入cojt文件夾模型資源。虛擬場景里保持了原有模型的尺寸、屬性、相對位置以及裝配關(guān)系。工位裝配模型資源導(dǎo)入完成后,通過Human模塊創(chuàng)建人體資源,Creat Human中可選擇人體屬性、設(shè)置人體參數(shù),同時在Human Posturing中創(chuàng)建各類所需人體姿勢,最終在虛擬場景搭建出完整的人機(jī)工程三維布局。

工位三維布局圖如圖1所示。

圖1 工位三維布局

2.2 虛擬裝配

根據(jù)工位工序內(nèi)容,結(jié)合表1中各工序的時長,設(shè)定壓裝設(shè)備動作、托盤物流操作、人體仿真任務(wù)。

通過裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃可得到裝配順序,如圖2所示。

圖2 序列編輯器

其中人體仿真任務(wù)可通過Human模塊中的Human Posturinng進(jìn)行姿勢創(chuàng)建,人體姿勢創(chuàng)建包含從人體姿勢庫導(dǎo)入、默認(rèn)姿勢、站立姿勢、抓取姿勢、放置姿勢等方式。

通過“人體部位操控器”產(chǎn)生的每個人體姿勢,都可以創(chuàng)建為操作,進(jìn)而形成復(fù)雜人體仿真動作,如圖3所示,工序1由若干個人體姿勢組合而成,工序人體姿勢分解得越多,仿真效果越好。

圖3 工序1姿勢分解

同時可以利用任務(wù)仿真構(gòu)建器(task simulation builder,TSB)實現(xiàn)基本的人體仿真動作,包括走動、拿取、放置、重新抓取、站立等。TSB中可以對人體姿勢進(jìn)行修改、增加過渡點或過度姿勢、插入等待時間、管理人行走過程中的障礙物等操作,最終實現(xiàn)所需的人體運動仿真和人體姿勢仿真。

3 部裝工位人機(jī)工程分析與優(yōu)化

3.1 仿真分析

在Tecnomatix平臺中,人機(jī)工程學(xué)分析工具從人體功效學(xué)角度出發(fā)包含了許多類型人體評價工具,本工位結(jié)合工序內(nèi)容,選取OWAS、RULA、LBA分析,對工位人體進(jìn)行評估,并對分析結(jié)果不符合要求的部分進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

3.1.1 工作姿勢分析

工作姿勢分析 (Ovako working posture analysis system,OWAS)可以快速檢查工作姿勢,評價基于頭部、背部、手臂和腿部負(fù)載要求的工作姿勢的不適度。OWAS方法對身體每個部位的姿勢都可以進(jìn)行編碼,界定不同工作狀態(tài)、工作姿勢,并由此得到不同姿勢對身體產(chǎn)生的不同損害劃分等級[9]。

在Tecnomatix軟件中,人機(jī)工程分析工具對人體主要部位編碼打分,并在人體各部位實時顯示不同顏色來反映實施糾正措施的建議。其中：1分表示不必;2分表示稍后;3分表示盡快;4分表示立刻糾正。4種打分對應(yīng)4種顏色,同時可以反映糾正措施實施的必要性。

本工位根據(jù)表1的工序時長,共計9 s,利用OWAS分析工具,可以得到分析結(jié)果，具體見表2所列。

表2 OWAS分析報告

根據(jù)工位操作時間,在人體工作仿真過程中,在起始、中間、結(jié)束各有一小段時間打分為2,不會對人體舒適性產(chǎn)生較大影響,但在1.1 s處有短暫打分為3,需要進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.1.2 快速上肢評估法分析

快速上肢評估法(rapid upper limb assessment,RULA)主要針對操作姿勢、受力狀態(tài)以及肌肉施力狀況進(jìn)行分析,以評估上肢肌肉受傷風(fēng)險[10]。RULA分析方法通過對作業(yè)姿勢打分的方式,從人體舒適性和安全性角度出發(fā),來判斷人體主要工作姿勢肌肉的使用、負(fù)荷的重量、任務(wù)的持續(xù)時間和頻率是否會引起人體工作效率的下降、疲勞或損傷。

RULA依據(jù)分?jǐn)?shù)定義4類等級如下:

(1) 1級(得分1或2)。若不是長時間保持或重復(fù),則是可持續(xù)的姿勢。

(2) 2級(得分3或4)。需要進(jìn)一步調(diào)查,可能需要更改。

(3) 3級(得分5或6)。盡快進(jìn)行調(diào)查和改變姿勢。

(4) 4級(7分及以上)。立刻進(jìn)行調(diào)查并改變姿勢。

實時注釋的分析數(shù)值如圖4所示。

圖4 實時注釋的分析數(shù)值

RULA分析打分實時顯示,人體在此刻姿勢是2分,根據(jù)RULA等級表明,若不是長時間保持或重復(fù),則是可持續(xù)的姿勢。

3.1.3 下背部受力分析

下背部受力分析(lower back analysis,LBA)是分析特定環(huán)境下人體脊椎受力對下背部的影響,通過該工具判斷人體仿真任務(wù)是否符合美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)的標(biāo)準(zhǔn),以及是否會增加人體下背部受傷風(fēng)險。下背部分析利用先進(jìn)復(fù)雜的生理學(xué)下背部模型,計算L4/L5(第四腰椎、第五腰椎)脊椎處的壓力,并將這個壓力和NIOSH的極限壓力(3 400 N)進(jìn)行比較[11]。

根據(jù)圖4實時注釋的分析數(shù)值顯示,LBA分析值為OK,同時打開LBA分析報告表明,在L4/L5脊椎壓縮力、前后剪切力、橫向剪切力均遠(yuǎn)小于3 400 N的極限壓力值,故本工位人體下背部受傷風(fēng)險低。

3.2 改進(jìn)優(yōu)化

根據(jù)上文3種分析工具的評估分析,OWAS分析中出現(xiàn)了需要改進(jìn)的地方。打開詳細(xì)的分析報告,找出“問題”姿勢pose1-6,確認(rèn)被拿取物體的質(zhì)量后,微調(diào)取料架高度,使pose1-6的手臂抓取高度降低,然后再次進(jìn)行OWAS仿真分析。分析結(jié)果表明,分值3消失,人體工作姿勢分析符合要求。

4 結(jié) 論

西門子Tecnomatix軟件為變速箱殼體部裝半自動工位中設(shè)備虛擬裝配和人工手動任務(wù)的設(shè)計提供了有效平臺,同時在虛擬場景中借助Human模塊強(qiáng)大的仿真分析功能開展進(jìn)一步的人機(jī)工程分析評估。通過OWAS分析、RULA分析、LBA分析報告對工位三維布局進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),提升了手動任務(wù)中人體的舒適性、合理性和安全性,對企業(yè)裝配生產(chǎn)效率提高、工作受傷風(fēng)險降低有一定的指導(dǎo)意義。