基于Tecnomatix的變速箱殼體部裝人機(jī)工程仿真分析

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(guó)提出邁入制造強(qiáng)國(guó)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(lái)完成,應(yīng)以人的安全、舒適、高效等作為重要的設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)關(guān)聯(lián)人體資源到數(shù)字化工廠虛擬場(chǎng)景中,實(shí)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(kāi)展人機(jī)工程分析評(píng)估。

Tecnomatix是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字化制造軟件平臺(tái),是目前比較成熟的數(shù)字化制造平臺(tái),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(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程、設(shè)備以及系統(tǒng)進(jìn)行虛擬驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的智能化、快速化和精益化[5],實(shí)現(xiàn)對(duì)人工裝配過(guò)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(duì)象,簡(jiǎn)要闡述了基于Tecnomatix平臺(tái)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(duì)實(shí)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(shí)現(xiàn)方法及工位簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)現(xiàn)方法

過(guò)程仿真(process simulation,PS)是Tecnomatix平臺(tái)下的虛擬仿真軟件,提供了一個(gè)基于數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫的工藝過(guò)程模擬功能,可實(shí)現(xiàn)裝配路徑的分析、順序的調(diào)整、人機(jī)工程的分析評(píng)價(jià)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(shí)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(guò)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(guò)裝配順序規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃[8],實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)備自動(dòng)裝配的部分,之后設(shè)置人體姿勢(shì),創(chuàng)建新組合操作,將人體姿勢(shì)組合得到所需操作，同時(shí)利用任務(wù)仿真構(gòu)建器一站式完成人體各種姿勢(shì)及動(dòng)作的定義。通過(guò)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(duì)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(xiǎn)高等問(wèn)題,則立即對(duì)虛擬裝配過(guò)程反復(fù)進(jìn)行調(diào)整,消除干涉、降低受傷風(fēng)險(xiǎn),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配工藝的改進(jìn)。

1.2 工位簡(jiǎn)介

本工位是MT82變速箱殼體部裝二合一半自動(dòng)工位,主要功能是實(shí)現(xiàn)軸承和襯套的壓裝,工位工序內(nèi)容見(jiàn)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(guò)三維軟件SolidWorks建模,搭建工位壓裝設(shè)備、線體、托盤(pán)、工件、取料架等模型資源。因?yàn)榱慵?shù)量多,整個(gè)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(chǎng)景里保持了原有模型的尺寸、屬性、相對(duì)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(guò)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(shí)在Human Posturing中創(chuàng)建各類(lèi)所需人體姿勢(shì),最終在虛擬場(chǎng)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(shí)長(zhǎng),設(shè)定壓裝設(shè)備動(dòng)作、托盤(pán)物流操作、人體仿真任務(wù)。

通過(guò)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(guò)Human模塊中的Human Posturinng進(jìn)行姿勢(shì)創(chuàng)建,人體姿勢(shì)創(chuàng)建包含從人體姿勢(shì)庫(kù)導(dǎo)入、默認(rèn)姿勢(shì)、站立姿勢(shì)、抓取姿勢(shì)、放置姿勢(shì)等方式。

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

圖3 工序1姿勢(shì)分解

同時(shí)可以利用任務(wù)仿真構(gòu)建器(task simulation builder,TSB)實(shí)現(xiàn)基本的人體仿真動(dòng)作,包括走動(dòng)、拿取、放置、重新抓取、站立等。TSB中可以對(duì)人體姿勢(shì)進(jìn)行修改、增加過(guò)渡點(diǎn)或過(guò)度姿勢(shì)、插入等待時(shí)間、管理人行走過(guò)程中的障礙物等操作,最終實(shí)現(xiàn)所需的人體運(yùn)動(dòng)仿真和人體姿勢(shì)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(tái)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(lèi)型人體評(píng)價(jià)工具,本工位結(jié)合工序內(nèi)容,選取OWAS、RULA、LBA分析,對(duì)工位人體進(jìn)行評(píng)估,并對(duì)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(shì)分析

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

在Tecnomatix軟件中,人機(jī)工程分析工具對(duì)人體主要部位編碼打分,并在人體各部位實(shí)時(shí)顯示不同顏色來(lái)反映實(shí)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(duì)應(yīng)4種顏色,同時(shí)可以反映糾正措施實(shí)施的必要性。

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

表2 OWAS分析報(bào)告

根據(jù)工位操作時(shí)間,在人體工作仿真過(guò)程中,在起始、中間、結(jié)束各有一小段時(shí)間打分為2,不會(huì)對(duì)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(píng)估法分析

快速上肢評(píng)估法(rapid upper limb assessment,RULA)主要針對(duì)操作姿勢(shì)、受力狀態(tài)以及肌肉施力狀況進(jìn)行分析,以評(píng)估上肢肌肉受傷風(fēng)險(xiǎn)[10]。RULA分析方法通過(guò)對(duì)作業(yè)姿勢(shì)打分的方式,從人體舒適性和安全性角度出發(fā),來(lái)判斷人體主要工作姿勢(shì)肌肉的使用、負(fù)荷的重量、任務(wù)的持續(xù)時(shí)間和頻率是否會(huì)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(lèi)等級(jí)如下:

(1) 1級(jí)(得分1或2)。若不是長(zhǎng)時(shí)間保持或重復(fù),則是可持續(xù)的姿勢(shì)。

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

(3) 3級(jí)(得分5或6)。盡快進(jìn)行調(diào)查和改變姿勢(shì)。

(4) 4級(jí)(7分及以上)。立刻進(jìn)行調(diào)查并改變姿勢(shì)。

實(shí)時(shí)注釋的分析數(shù)值如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)注釋的分析數(shù)值

RULA分析打分實(shí)時(shí)顯示,人體在此刻姿勢(shì)是2分,根據(jù)RULA等級(jí)表明,若不是長(zhǎng)時(shí)間保持或重復(fù),則是可持續(xù)的姿勢(shì)。

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(duì)下背部的影響,通過(guò)該工具判斷人體仿真任務(wù)是否符合美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)的標(biāo)準(zhǔn),以及是否會(huì)增加人體下背部受傷風(fēng)險(xiǎn)。下背部分析利用先進(jìn)復(fù)雜的生理學(xué)下背部模型,計(jì)算L4/L5(第四腰椎、第五腰椎)脊椎處的壓力,并將這個(gè)壓力和NIOSH的極限壓力(3 400 N)進(jìn)行比較[11]。

根據(jù)圖4實(shí)時(shí)注釋的分析數(shù)值顯示,LBA分析值為OK,同時(shí)打開(kāi)LBA分析報(bào)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(xiǎn)低。

3.2 改進(jìn)優(yōu)化

根據(jù)上文3種分析工具的評(píng)估分析,OWAS分析中出現(xiàn)了需要改進(jìn)的地方。打開(kāi)詳細(xì)的分析報(bào)告,找出“問(wèn)題”姿勢(shì)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(shì)分析符合要求。

4 結(jié) 論

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