基于JACK虛擬仿真技術(shù)的裁板鋸人機(jī)功效優(yōu)化?

趙晏林 陳昱熹 劉春旭

（攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

裁板鋸是人造板開(kāi)料工序的主要設(shè)備，用于將板材鋸切成所需要的規(guī)格大小，是家具制造的第一步工序，其作業(yè)狀況直接影響整個(gè)制造過(guò)程的進(jìn)度。裁板鋸運(yùn)行中，工作崗位以一人一機(jī)模式為主，工人主要?jiǎng)幼鳛樯狭?、調(diào)試參數(shù)以及下料。由于上下料時(shí)工人需要將沉重的板材搬至裁板鋸上，涉及彎腰、拖拽等動(dòng)作，易產(chǎn)生脊柱勞損、酸痛，以及頭暈、判斷力減弱等現(xiàn)象，易引發(fā)安全事故和職業(yè)病[1]。在生產(chǎn)效率上，工人上下料所需時(shí)間如與機(jī)器配送時(shí)間分配不佳，會(huì)導(dǎo)致整體加工效率較低。因此，對(duì)裁板鋸崗位進(jìn)行人機(jī)功效研究，降低工人疲勞度，提高崗位加工效率具有重要意義。

JACK虛擬仿真技術(shù)是一款具有環(huán)境建模、數(shù)字人體建模、人機(jī)工效仿真等功能的高級(jí)人機(jī)工效仿真軟件[2-3]。本文借助JACK虛擬仿真技術(shù)，對(duì)裁板鋸操作崗位的人機(jī)效率、下背部受力情況、作業(yè)疲勞恢復(fù)時(shí)間、新陳代謝等進(jìn)行深入分析，以達(dá)到裁板鋸工作崗位合理設(shè)計(jì)。

1 裁板鋸作業(yè)分析

1.1 加工對(duì)象

本文以某公司家具下料車間為例，基于JACK虛擬仿真技術(shù)對(duì)裁板鋸人機(jī)功效進(jìn)行優(yōu)化分析。裁板鋸加工對(duì)象為纖維板、刨花板、膠合板等人造板。加工板材的尺寸規(guī)格為1 220 mm×1 220 mm，厚度為3、5、9、12、15、16、18、20、25、30 mm。

1.2 工藝流程分析

1.2.1 工作現(xiàn)場(chǎng)布置根據(jù)實(shí)際情況繪制裁板鋸工作現(xiàn)場(chǎng)平面布置簡(jiǎn)圖。為便于研究，將各個(gè)工作臺(tái)面分別命名為工作臺(tái)a、工作臺(tái)b、工作臺(tái)c和工作臺(tái)d，具體布局及工件路線如圖1 所示。

1.2.2 工藝流程

圖1 裁板鋸操作崗位平面簡(jiǎn)圖Fig.1 Position plan of cut-to-size saw operation

該裁板鋸工藝流程如圖2 所示。整個(gè)工序的工作流程：將板材從堆放處搬運(yùn)至工作臺(tái)a，再搬運(yùn)至工作臺(tái)b，由工作臺(tái)b搬運(yùn)至工作臺(tái)c，接著靠齊板材后搬運(yùn)至推尺位置，二次靠齊后調(diào)試參數(shù)并啟動(dòng)系統(tǒng)，裁板鋸開(kāi)始鋸切板材；鋸切結(jié)束后，人工轉(zhuǎn)換板材方向，再次調(diào)試參數(shù)，重新啟動(dòng)系統(tǒng)；裁板鋸再次鋸切板材，鋸切結(jié)束后，搬運(yùn)板材到工作臺(tái)d，最后工人將板材搬運(yùn)到成品存放位置。

圖2 裁板鋸崗位工作流程Fig.2 Cut-to-size saw flow sheet

該公司家具車間的裁板鋸主要加工1 220 mm× 1 220 mm的板材，因此本文以該尺寸的板材為例進(jìn)行分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次采集數(shù)據(jù)，刨除異常值，得到如表1 所示的各分解作業(yè)所用時(shí)間表，并求出各分解作業(yè)的平均值，最后根據(jù)各平均值求得該加工過(guò)程總時(shí)間為382 s。

表1 各分解作業(yè)時(shí)間表Tab.1 Each breakdown action schedule

1.3 人機(jī)作業(yè)

對(duì)裁板鋸鋸切工序人機(jī)作業(yè)進(jìn)行分析，以獲得合理的人機(jī)作業(yè)方法，從而提高作業(yè)效率與經(jīng)濟(jì)效益。分析得出人機(jī)配合作業(yè)的時(shí)間，如表2 所示。

表2 人機(jī)作業(yè)分析Tab.2 Man-machine work analysis

由表2 可見(jiàn)，在裁板鋸鋸切工序作業(yè)過(guò)程中，由于工件大而沉重，上料時(shí)工人搬運(yùn)緩慢，耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致人、機(jī)利用率均較低，人的利用率僅為40.8%，裁板鋸利用率為59.2%。整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，由于搬運(yùn)的板材重，且彎腰、站立兩個(gè)動(dòng)作交替進(jìn)行，在較大負(fù)荷下作業(yè)，易導(dǎo)致人機(jī)體損傷、過(guò)度疲勞等，對(duì)工作效率與工人健康影響較大。

2 裁板鋸崗位虛擬仿真分析流程與建模

JACK虛擬仿真技術(shù)是人機(jī)工效學(xué)仿真領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的軟件，本文利用該軟件與其他三維軟件對(duì)接，以精確仿真不同的外形特征、運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)力學(xué)特效等，分析計(jì)算可達(dá)性、舒適性、下背部脊柱受力、新陳代謝、疲勞恢復(fù)時(shí)間等指標(biāo)，采用上述指標(biāo)進(jìn)行人機(jī)工效優(yōu)化分析[4-7]。

2.1 人機(jī)工效虛擬仿真流程

首先構(gòu)建人機(jī)工效基礎(chǔ)模型，基礎(chǔ)模型包含裁板鋸崗位虛擬仿真環(huán)境和虛擬操作工作，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)行為仿真，將工作過(guò)程分解，得到以下使用頻率高、難度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的5 個(gè)姿勢(shì)：1）拖曳，即工人在上下料過(guò)程中將工件從前往后、從右往左拖動(dòng)的行為；2）推，即工人在上下料過(guò)程中將工件從后往前、從右往左推動(dòng)的行為；3）抬，即工人在上料過(guò)程中將工件從工作臺(tái)a抬到工作臺(tái)b的行為；4）行走，即工人上下料時(shí)來(lái)回行走的行為；5）設(shè)定參數(shù)，即工人站在裁板鋸顯示屏前調(diào)試設(shè)備參數(shù)的行為。最后對(duì)操作員在裁板鋸崗位工作行為進(jìn)行人機(jī)工效優(yōu)化分析。通過(guò)動(dòng)態(tài)行為仿真，可對(duì)操作工人任意姿勢(shì)下的下背部脊柱受力，以及疲勞恢復(fù)時(shí)間和新陳代謝進(jìn)行分析[8-10]。此外，對(duì)工人行走和設(shè)定參數(shù)進(jìn)行新陳代謝分析。整個(gè)分析流程如圖3 所示。

圖3 仿真分析流程Fig.3 Simulation analysis flowsheet

2.2 構(gòu)建虛擬工作環(huán)境

虛擬工作環(huán)境是在JACK仿真系統(tǒng)中模擬生產(chǎn)實(shí)際的工作環(huán)境，因此需要構(gòu)建裁板鋸工作臺(tái)、裁板鋸設(shè)備和被切割的板材等模型，設(shè)置模型運(yùn)行參數(shù)、光澤度和幾何形狀等特性，構(gòu)建如圖4 所示的虛擬工作環(huán)境。

圖4 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建Fig.4 Construction of virtual scene

2.3 構(gòu)建虛擬人體模型

在JACK虛擬仿真中，需要建立自定義的虛擬人體模型，包括身高、腹厚、最大肩寬、足長(zhǎng)、頭最大長(zhǎng)度、坐高、拇指尖距地高度等26 項(xiàng)數(shù)據(jù)[11-12]。車間調(diào)研發(fā)現(xiàn)，裁板鋸操作工以男性為主，因此選擇男性虛擬人體參數(shù)錄入仿真系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)標(biāo)《中國(guó)成年人人體尺寸》選取第50 百分位數(shù)的男性身高尺寸1 678 mm，修正量+25 mm，體重取59 kg，修正量+2 kg。根據(jù)《成年人人體慣性參數(shù)》得到各測(cè)量項(xiàng)目的值，輸入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)[13]的男性成年人相關(guān)尺寸。

3 裁板鋸下背部人機(jī)工效分析

醫(yī)學(xué)中腰椎分為L(zhǎng)1～L5 等級(jí)，其中L4、L5 是最容易疲勞，同時(shí)也是腰椎病高發(fā)段[14-15]，因此，本文以L4、L5 椎關(guān)節(jié)作為受力分析切入點(diǎn)，使用JACK中TAT模塊的Lower Back Analysis（下背部分析）工具對(duì)工人上下料過(guò)程進(jìn)行分析，獲得作業(yè)中L4、L5 椎受力情況及造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)。利用JACK仿真中的人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)，在分析時(shí)選擇百分位的虛擬人模型，調(diào)整虛擬人姿勢(shì)即可得到該百分位人體的下背部受力值[16-17]。下背部受力分析與工人工作姿勢(shì)及負(fù)載有關(guān)，與作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)短及作業(yè)次數(shù)無(wú)關(guān)，避免了因分析次數(shù)少而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題[18-21]。下文對(duì)作業(yè)過(guò)程中需要用力的姿勢(shì)進(jìn)行背部受力分析。

3.1 拖曳

在上料作業(yè)中工人一直處于站立狀態(tài)，根據(jù)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)高度（目前高度為97 cm），工件移動(dòng)位置以及大小、重量，工人采取無(wú)偏轉(zhuǎn)彎腰（圖5a）和偏轉(zhuǎn)彎腰（圖5b）以達(dá)到相應(yīng)操作目的。

圖5 無(wú)、有偏轉(zhuǎn)彎腰Fig.5 Deflection bending

在分析時(shí)先對(duì)虛擬人進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)整，使之與實(shí)際情況更接近。先將虛擬人調(diào)整為身體面向工作臺(tái)，腰椎向前彎曲30°，無(wú)左右偏轉(zhuǎn)和側(cè)向傾斜，模擬工人向外拖出工件的姿勢(shì)。此時(shí)下背部L4、L5 關(guān)節(jié)受力為 3 403 N，大于標(biāo)準(zhǔn)值3 400 N。然后對(duì)虛擬人添加一個(gè)左偏轉(zhuǎn)的動(dòng)作，模擬工人將工件向左拖動(dòng)的姿勢(shì)。此時(shí)下背部L4、L5 關(guān)節(jié)所受的壓力為4 153 N，關(guān)節(jié)壓力大于未偏轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)節(jié)所受壓力。這是因?yàn)楫?dāng)人體軀干發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)人體重心發(fā)生改變，為保持身體平衡，背部肌肉會(huì)產(chǎn)生更大的收縮力，L4、L5 作為連接身體上半身和下半身的主要活動(dòng)關(guān)節(jié)會(huì)受到更大的壓力及橫向剪切力。但無(wú)論有無(wú)偏轉(zhuǎn)，從分析結(jié)果可知L4、L5 關(guān)節(jié)的受力均大于標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 推

工人在上料時(shí)同樣也會(huì)采用推的姿勢(shì)，因工作臺(tái)設(shè)計(jì)高度原因，也需要彎腰。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，工人上料時(shí)的推動(dòng)姿勢(shì)如圖6a、b所示。

圖6 下背部推Fig.6 Lower back pushing simulation

先將虛擬人面向工作臺(tái)，模擬工人將工件由內(nèi)向外推的姿勢(shì)，腰椎向前彎曲16°，此時(shí)下背部壓力值為3 735 N，大于標(biāo)準(zhǔn)值3 400 N。

3.3 抬

工人在上料時(shí)，由于工作臺(tái)比原材料堆放處高，因此工人往往需要將工件抬到工作臺(tái)上，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)虛擬人的設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 下背部抬分析結(jié)果Fig.7 Lower back lifting analysis results

此時(shí)下背部受力分析結(jié)果為3 945 N，L4、L5 關(guān)節(jié)的受力大于標(biāo)準(zhǔn)值。

通過(guò)上述人機(jī)工效仿真受力分析得出，該工作崗位的下背受力超出了標(biāo)準(zhǔn)值，主要原因是板材尺寸較大且較沉，工作臺(tái)高度不合理，因此需要對(duì)該崗位進(jìn)行合理優(yōu)化。

4 操作人員疲勞恢復(fù)時(shí)間分析

作業(yè)中疲勞恢復(fù)時(shí)間是評(píng)價(jià)該工作崗位操作人員疲勞時(shí)間與恢復(fù)時(shí)間之間的關(guān)系是否滿足要求的一個(gè)指標(biāo)，直接反映該崗位人機(jī)工效是否合理[22-23]。在操作員疲勞恢復(fù)時(shí)間分析中，拖曳、推和抬是對(duì)疲勞恢復(fù)影響較大作業(yè)，裁板鋸其余作業(yè)幾乎不需要疲勞恢復(fù)時(shí)間，因此本文以拖曳、推和抬為研究對(duì)象[24]。

通過(guò)JACK仿真分析得出，拖曳工作所需疲勞恢復(fù)時(shí)間為115.5 s，推的恢復(fù)時(shí)間為3.3 s，抬的恢復(fù)時(shí)間為0.6 s，共需要119.4 s恢復(fù)時(shí)間。裁板機(jī)作業(yè)總時(shí)間為382 s，其中可用恢復(fù)時(shí)間226 s（表2 中人的空閑時(shí)間），且下料作業(yè)較為輕松，因此實(shí)際可用于疲勞恢復(fù)的時(shí)間更加充裕。JACK仿真結(jié)果表明在該作業(yè)周期內(nèi)，工人的疲勞恢復(fù)時(shí)間足夠。因此，可以通過(guò)調(diào)整該工序的操作，適當(dāng)減少工人休息時(shí)間，提高加工效率。

5 新陳代謝分析

JACK工作分析工具包中包含能量代謝消耗分析模塊，該模塊通過(guò)計(jì)算設(shè)定時(shí)間內(nèi)的虛擬人的總代謝與平均代謝能耗，輸出虛擬人的疲勞程度[25]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析得出裁板鋸工作的主要操作內(nèi)容有拖曳、推、抬、測(cè)量、休息、調(diào)試、靠齊、轉(zhuǎn)向、搬運(yùn)、行走，分別進(jìn)行新陳代謝仿真分析，仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 人機(jī)作業(yè)分析Tab.3 Man-machine work analysis

裁板鋸鋸切板材是一項(xiàng)持續(xù)性工作，因此應(yīng)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的代謝能耗值E，E=作業(yè)周期總代謝能量/作業(yè)周期時(shí)間，可得上述作業(yè)內(nèi)容的E為1.39 kcal/min＜ 4.0 kcal/min（標(biāo)準(zhǔn)值），均遠(yuǎn)小于上限值4.0 kcal/min，說(shuō)明工人在該崗位操作非常輕松。從效益角度看，人員利用率不高，導(dǎo)致企業(yè)用人成本高，可對(duì)該崗位進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。仿真結(jié)果的E小于標(biāo)準(zhǔn)值，但是拖、推和抬的新陳代謝較高，說(shuō)明工人處于疲勞狀態(tài)，可見(jiàn)拖、推和抬3 個(gè)姿勢(shì)在裁板鋸操作崗位的動(dòng)作序列中，是造成作業(yè)疲勞較危險(xiǎn)動(dòng)作。而這3 個(gè)姿勢(shì)均屬于上料動(dòng)作，因此應(yīng)改進(jìn)上料作業(yè)方式，降低作業(yè)難度。

6 裁板鋸崗位優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上述分析可知，在裁板鋸崗位上，難度大的是將沉重的工件從工作臺(tái)a搬到工作臺(tái)b這一上料環(huán)節(jié)，工人一直處于拖曳、推和抬3 個(gè)費(fèi)力的姿勢(shì)中，后續(xù)過(guò)程由于工作臺(tái)b、c設(shè)有滾珠，d非常光滑相對(duì)輕松。因此本文主要對(duì)上料方式進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步作仿真分析，以設(shè)計(jì)出裁板鋸工作臺(tái)最佳高度，然后對(duì)裁板鋸人機(jī)配合進(jìn)行一人雙機(jī)設(shè)計(jì)，在符合人機(jī)工效的情況下使裁板鋸和人的利用率最大化。

6.1 工作臺(tái)高度優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

分別對(duì)裁板鋸工作臺(tái)高度為57、67、77、87、97、107、117、127 cm時(shí)工人的受力情況（裁板鋸現(xiàn)有設(shè)計(jì)高度為97 cm）進(jìn)行仿真分析，結(jié)果呈如圖8 所示趨勢(shì)。

圖8 不同高度受力圖Fig.8 Force condition at diあerent heights

由圖8 可知，當(dāng)裁板鋸工作臺(tái)高度為87 cm時(shí)工人受力最小，因此，將裁板鋸工作臺(tái)高度調(diào)整為87 cm為宜。

6.2 設(shè)計(jì)彈力工作臺(tái)

由前文分析可知，在裁板鋸工位操作過(guò)程中，工人下背部受力最大，上料時(shí)將工件從工作臺(tái)a搬到工作臺(tái)b是最易疲勞的環(huán)節(jié)。經(jīng)實(shí)際調(diào)查，當(dāng)工作臺(tái)a上工件數(shù)量較多時(shí)，工件由上往下被拖拉至工作臺(tái)b上；工件數(shù)量變少后，工人需要通過(guò)多次拖曳、推拉動(dòng)作先將工件調(diào)整至裁板鋸工作臺(tái)高度，然后再拖到工作臺(tái)b上。工件位置較高和較低時(shí)，工人上料都很困難，只有在略高于裁板鋸工作臺(tái)時(shí)才較為輕松。因此，本文將工作臺(tái)a改為一種高度一定的彈力工作臺(tái)，并采用電力驅(qū)動(dòng)調(diào)整高度。改造后工人只需一個(gè)拖曳姿勢(shì)就可直接將工件拖至工作臺(tái)b上。

6.3 一人雙機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上述仿真分析可知疲勞恢復(fù)時(shí)間富裕與新陳代謝值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)操作人員效率的改進(jìn)還有很大空間，符合一人雙機(jī)的前提條件，因此對(duì)裁板鋸崗位進(jìn)行一人雙機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。將表1 中的1～7 作業(yè)合并為81 s的一個(gè)作業(yè)，9～10 作業(yè)合并為27 s的一個(gè)作業(yè)，繪制一人雙機(jī)時(shí)間分配如圖9 所示。

圖9 一人雙機(jī)時(shí)間分配Fig.9 One person two machine time allocation

如果不考慮疲勞恢復(fù)時(shí)間的限制，在人機(jī)作業(yè)分析中，同一時(shí)刻一人不能同時(shí)做兩件事（圖9 中，同一時(shí)間軸操作工人不能有兩個(gè)作業(yè)），機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中不能被打斷，某些作業(yè)不能被分割，因此一人雙機(jī)配合至少需要增加27 s，總時(shí)間從原有的382 s增加到409 s才能保證一人雙機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。仿真分析結(jié)果表明操作一臺(tái)機(jī)器的疲勞恢復(fù)時(shí)間為119.4 s，操作兩臺(tái)機(jī)器則應(yīng)為238.8 s，雙機(jī)配合中可用的疲勞恢復(fù)時(shí)間為97 s，因此需要補(bǔ)充141.8 s的疲勞恢復(fù)時(shí)間，才能讓操作工人能夠持續(xù)性作業(yè)而不損傷身體。新陳代謝E在操作一臺(tái)設(shè)備時(shí)為1.39 kcal/min，一人雙機(jī)后為2.78 kcal/min＜4.0 kcal/min（標(biāo)準(zhǔn)值）。一人雙機(jī)設(shè)計(jì)的總時(shí)間為550.8 s，操作工人作業(yè)總時(shí)間為312 s，機(jī)器作業(yè)總時(shí)間為452 s，則人的利用率為56.6%，機(jī)器的利用率為82.1%。

6.4 虛擬仿真檢驗(yàn)

運(yùn)用JACK虛擬仿真技術(shù)，對(duì)改進(jìn)后的工作流程在人體背部受力、疲勞恢復(fù)時(shí)間、新陳代謝方面進(jìn)行檢驗(yàn)分析，確定改進(jìn)是否合理，檢驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 虛擬仿真檢驗(yàn)表Tab.4 Virtual simulation check table

推、抬動(dòng)作的背部受力因彈力工作臺(tái)的引入消失，因此相關(guān)仿真結(jié)果為0 N，分別降低了3 735 、3 945 N；優(yōu)化后的拖拽受力降低了684 、845 N；人的利用率提高了15.8%；機(jī)器的利用率提高了22.9%；疲勞恢復(fù)時(shí)間增加到了238.8 s，并且一人雙機(jī)配合的最少疲勞恢復(fù)時(shí)間為238.8 s，達(dá)到了保證人機(jī)工效合理情況下的效率最大化。

7 結(jié)論

采用JACK虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建裁板鋸的虛擬仿真環(huán)境，對(duì)裁板鋸工作崗位的下背部受力、疲勞恢復(fù)時(shí)間和新陳代謝模擬仿真，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)仿真結(jié)果分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)工作臺(tái)高度，引入彈力工作臺(tái)減去了操作工人的推、抬背部受力；根據(jù)疲勞恢復(fù)時(shí)間和新陳代謝仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一人雙機(jī)配合作業(yè)，一人雙機(jī)可同時(shí)滿足新陳代謝標(biāo)準(zhǔn)值和疲勞恢復(fù)時(shí)間最小值的要求，達(dá)到人機(jī)工效合理情況下的最佳人機(jī)配合。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，人的效率提高了15.8%，機(jī)器效率提高了22.9%，并且降低了操作工人的背部受力，可減少職業(yè)病發(fā)生概率，保證操作工人的身心健康。結(jié)果表明，JACK虛擬仿真技術(shù)用于裁板鋸的人機(jī)工效優(yōu)化有效，對(duì)人機(jī)工效的提升具有一定的促進(jìn)作用。