基于DELMIA的汽車總裝工藝人機(jī)裝配仿真*

陳平 黃熾凱 黃逸穩(wěn) 劉艷兵 葛凌艷 樊艷勇

（1.廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車鄭州分公司）

眾所周知，由于汽車總裝工藝具有零部件種類和數(shù)量多，零件裝配復(fù)雜，車型及個性化配置多樣化等特殊原因，導(dǎo)致總裝工藝無法像沖壓、焊接及涂裝工藝一樣進(jìn)行大規(guī)?；蛉坎捎米詣踊O(shè)備及機(jī)器人來制造，人工裝配還是汽車總裝工藝的主流形式。伴隨人力成本的攀升，汽車廠商對于人機(jī)裝配分析的敏感性大大增強(qiáng)，以此來降低人工的勞動強(qiáng)度、裝配難度及制造人力成本?；贒ELMIA仿真軟件提供的全面集成及協(xié)同的數(shù)字化解決方案，能在產(chǎn)品設(shè)計階段就發(fā)現(xiàn)并提前解決后續(xù)人機(jī)裝配中可能存在的問題。利用DELMIA仿真軟件中完整的虛擬人模型及相應(yīng)的人機(jī)工程學(xué)評估方法，可以對產(chǎn)品的不同裝配方案進(jìn)行的評估和篩選，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選擇，提高產(chǎn)品裝配人機(jī)工程設(shè)計的效率和準(zhǔn)確度，獲得滿意的裝配方案，汽車總裝工藝的關(guān)鍵性工位的人機(jī)仿真，可縮短整車開發(fā)周期，減少實(shí)際樣車數(shù)量，降低開發(fā)成本[1]。文章通過利用DELMIA的人機(jī)仿真模塊功能，對汽車總裝工藝的人機(jī)裝配工序進(jìn)行仿真應(yīng)用，從中提前發(fā)現(xiàn)和解決人機(jī)裝配問題，使汽車總裝工藝的問題在產(chǎn)品設(shè)計之初就得到解決。

1 人機(jī)裝配仿真

1.1 仿真的基本原則

DELMIA仿真主要包括裝配仿真和人機(jī)仿真，仿真內(nèi)容有靜態(tài)仿真和動態(tài)仿真。靜態(tài)仿真可進(jìn)行裝配人體的可達(dá)性、人體負(fù)載與視野及人體疲勞與舒適度等的分析；動態(tài)仿真可用于產(chǎn)線通過性、工裝結(jié)構(gòu)及裝配工時等模擬人體動作及裝配過程。仿真過程盡量考慮實(shí)際的客觀工藝技術(shù)約束，以便達(dá)到最優(yōu)的虛擬效果。仿真的基本原則：1）真實(shí)性：裝配仿真應(yīng)盡可能真實(shí)地反映現(xiàn)場裝配過程和設(shè)備與工裝的運(yùn)動軌跡；2）舒適性：在可達(dá)和可視的前提下，盡可能以最舒適的姿態(tài)完成操作，降低RULA的評分；3）協(xié)調(diào)性：人機(jī)姿態(tài)仿真的過程中，如果可以通過調(diào)整多個人體骨骼關(guān)節(jié)來達(dá)到每個姿態(tài)接近人體的真實(shí)性，則應(yīng)保證多個人體骨骼關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性，避免單獨(dú)調(diào)整其中某一個人體骨骼關(guān)節(jié)造成人體姿態(tài)失真的現(xiàn)象。

1.2 重點(diǎn)人機(jī)仿真的工序

汽車總裝工藝的多樣化及復(fù)雜性，決定了機(jī)器裝配自動化程度較低，所以汽車總裝工序大部分都以人工裝配為主。在汽車總裝工藝裝配仿真中，對于需要人員執(zhí)行較為復(fù)雜的裝配動作才能完成的工序，以及需要使用工裝協(xié)助才能完成的困難裝配工序，如天窗總成、儀表總成、前端模塊、頂棚模塊、備胎、車門、動力總成、懸架總成及底盤合車等工序，要重點(diǎn)進(jìn)行人機(jī)仿真，并且從操作的可達(dá)性、可視性、操作空間及舒適度幾方面進(jìn)行評價，如圖1所示。

圖1 汽車總裝重點(diǎn)工序人機(jī)裝配仿真模型圖

對于操作中可能出現(xiàn)的夠不到、看不到、不舒服及空間小的以下幾種情況，應(yīng)進(jìn)行人機(jī)仿真分析[2]。

1）操作位置和工人距離遠(yuǎn)，可能無法達(dá)到的情況，應(yīng)進(jìn)行操作可達(dá)性分析；

2）對于視野不好的情況，應(yīng)進(jìn)行可視性分析；

3）對于操作空間小的情況，應(yīng)考慮手部空間、手指空間及人體活動范圍等因素，進(jìn)行操作空間分析；

4）對于需要彎腰、下蹲、仰頭、手臂交叉及負(fù)重等可能導(dǎo)致不舒服的情況，應(yīng)進(jìn)行舒適度評價。

1.3 人機(jī)模型

人機(jī)仿真的基礎(chǔ)是利用DELMIA中Safework模塊下的Human Builder子模塊，建立合適的人機(jī)模型，如圖2所示。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)人機(jī)分析。

圖2 人機(jī)模型分析顯示界面

目前DELMIA V5R19版供選擇的人群只有美國、加拿大、法國、日本及韓國。表1示出美日韓人群百分位-身高對照表，顯示了美日韓不同百分位人群的身高，用于人群百分位的選擇。人機(jī)仿真中，人群和百分位的選擇原則：1）在沒有特殊要求的情況下，選擇60%百分位的日本男性；2）對工位要求身高較高的操作，可選擇85%百分位的日本男性；3）對工位要求身材矮小的操作，可選擇40%百分位的日本女性；4）進(jìn)行維修性校核時，選擇60%百分位的日本男性。

表1 美日韓人群百分位-身高對照表 mm

1.4 可視性評價

圖3示出人機(jī)模型可視性評價分布圖。如圖3所示，仿真過程中人機(jī)模型的可視化有3個層級。對于擰緊標(biāo)準(zhǔn)件、線束接插、管路連接及零部件裝配基準(zhǔn)定位等需要目視化操作的仿真工序，可視化重心必須落在A層級區(qū)域內(nèi)；對于簡單裝配動作及非安全類的基本裝配，可視化重心落在B層級區(qū)域內(nèi)；對于其余的目視檢查動作等可視化的仿真工序，可視化重心要確保落在C層級內(nèi)，不允許盲視下的任何裝配動作出現(xiàn)。

圖3 人機(jī)模型可視性評價層級分布圖

1.5 快速上肢評估（RULA）評價

進(jìn)行人機(jī)評價時要用到人機(jī)工程分析模塊中的快速上肢評估（RULA）子模塊，它是一種與操作相關(guān)的上肢評價方法，主要根據(jù)人體姿態(tài)、負(fù)荷、出現(xiàn)頻率或持續(xù)時間等因素對人體舒適度進(jìn)行綜合評價，如圖4所示。系統(tǒng)根據(jù)各個因素的得分計算出綜合得分，分值越高表示舒適度越差。根據(jù)綜合得分將勞動強(qiáng)度分4個等級，由高到低分別用紅、橙、黃及綠色表示，如表2所示[3]。

圖4 快速上肢評估（RULA）評價得分顯示界面

表2 快速上肢評估（RULA）綜合評分

1.6 人機(jī)仿真流程

具體人機(jī)仿真流程，如圖5所示。利用Human Task Simulation模塊，導(dǎo)入所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，插入合理的人體模型，編輯人體模型姿態(tài)，創(chuàng)建仿真行為及任務(wù)，建立仿真流程，將人體模型分配到工藝流程，美化仿真。人機(jī)仿真的效果受到工程師的從業(yè)經(jīng)驗及對軟件使用的熟悉程度的影響。

圖5 人機(jī)仿真流程顯示界面圖

2 仿真實(shí)例

汽車總裝工藝技術(shù)開發(fā)過程中，虛擬的人機(jī)裝配仿真作用越來越明顯。產(chǎn)品項目開發(fā)中已經(jīng)減少了樣車試制及驗證的數(shù)量和時間，提高了人機(jī)仿真裝配在產(chǎn)品設(shè)計過程中的比重。盡量在產(chǎn)品前期虛擬仿真中發(fā)現(xiàn)制造問題，提前解決，以減少工廠的技造及產(chǎn)品設(shè)變費(fèi)用?，F(xiàn)對某款新車型的駕駛員座椅工序的裝配仿真和人機(jī)仿真過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 駕駛員座椅的裝配仿真

首先，利用DELMIA軟件的PTS將產(chǎn)品、工藝及資源3個方面的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。裝配仿真需要導(dǎo)入的具體數(shù)據(jù)有已經(jīng)裝配好IP總成的白車身、駕駛員座椅、內(nèi)飾滑板及座椅助力臂等。根據(jù)座椅裝配工藝流程（如圖6所示），初步評估座椅投入的通過性、設(shè)備可達(dá)性及裝配工時。得出座椅助力臂的可達(dá)性滿足；座椅的投入性過程，對于不拆卸頭枕的方案，需要優(yōu)化座椅的投入姿態(tài)，即可滿足裝配可達(dá)性。

圖6 駕駛員座椅裝配工序仿真流程圖

圖7示出駕駛員座椅工序仿真標(biāo)準(zhǔn)化工時顯示界面，根據(jù)裝配工藝流程，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化工時法預(yù)估裝配工時為62 s，滿足80 s的節(jié)拍要求[4]。圖8示出駕駛員座椅裝配仿真工藝流程節(jié)拍圖。

圖7 駕駛員座椅裝配工序仿真標(biāo)準(zhǔn)化工時顯示界面圖

圖8 駕駛員座椅工序仿真標(biāo)準(zhǔn)化工時節(jié)拍圖

2.2 座椅的人機(jī)仿真

圖9示出駕駛員座椅人機(jī)仿真評估RULA顯示界面，選擇導(dǎo)入60%百分位的韓國人體模型，模型高171cm，工位高度500 mm。針對座椅的4顆M8的螺栓選擇合適擰緊工具進(jìn)行人機(jī)仿真分析，得出人機(jī)姿態(tài)舒適度、工具可達(dá)性及視野可視性均滿足實(shí)際裝配要求，利用人機(jī)工程分析得出RULA綜合得分為4分。

圖9 駕駛員座椅人機(jī)仿真快速上肢評估（RULA）顯示界面圖

3 結(jié)論

1）在虛擬仿真過程中，DELMIA軟件可從人機(jī)工程方面對操作過程的極限位置及操作死點(diǎn)進(jìn)行記錄，從而作為后期實(shí)際生產(chǎn)過程中減輕工人勞動強(qiáng)度，提高工人工作效率的依據(jù)，且在優(yōu)化工裝夾具與工具、判斷是否需要使用輔助設(shè)備及優(yōu)化工人的動作順序與姿態(tài)等方面也能進(jìn)行很好地反映。人機(jī)仿真的重要目的是為了進(jìn)行舒適度評價，并做必要的工藝優(yōu)化，所以人體姿態(tài)調(diào)整是以舒適為導(dǎo)向，盡可能降低RULA的分值。

2）人機(jī)仿真中，雖然虛擬人作為裝配過程的主體，是裝配工程的發(fā)起者和執(zhí)行者，但依然受到產(chǎn)品、工具及環(huán)境等工藝技術(shù)的約束。DELMIA仿真使用的工裝、設(shè)備及生產(chǎn)線數(shù)據(jù)與實(shí)物存在差異，而且虛擬仿真不能100%真實(shí)體現(xiàn)生產(chǎn)線上的過程，所以在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段還需要對裝配過程進(jìn)行實(shí)物驗證。實(shí)物驗證階段工藝工程師記錄相關(guān)問題，對比現(xiàn)場和虛擬仿真的區(qū)別，總結(jié)經(jīng)驗，做到對仿真結(jié)果的可信度心中有數(shù)，此外還需根據(jù)驗證情況不斷地完善人機(jī)仿真評價標(biāo)準(zhǔn)及提高人機(jī)仿真分析能力。