基于數(shù)字化工廠仿真技術(shù)削減重勞崗位的研究

覃榮 聶道俊 蔣華格 唐飛燕

東風(fēng)柳州汽車有限公司 廣西柳州市 545005

1 引言

進入21 世紀以來，制造企業(yè)招工難的問題日益突出。同時伴隨00 后進入勞動力大軍，新興的求職人員對工作崗位的選擇，不再局限于薪資，而更多關(guān)注崗位的發(fā)展前景及崗位的勞動強度。舒適輕松的作業(yè)強度，現(xiàn)在已經(jīng)成為新興求職人員的首要考慮條件之一。因此，怎樣改善重勞崗位，降低員工的作業(yè)強度，成為先進汽車制造企業(yè)主要研究目標之一。

數(shù)字化工廠借助信息化與數(shù)字化技術(shù)，通過集成、仿真分析、控制等手段，可為制造工廠生產(chǎn)全程提供全面管控的一種整體解決方案。以航空、汽車、造船為代表的大型企業(yè)，都基本實現(xiàn)了數(shù)字化工廠建模。上汽公司、東風(fēng)日產(chǎn)、奇瑞公司等企業(yè)也實現(xiàn)了汽車設(shè)計和制造的數(shù)字化工廠模擬，并且取得了很好的效果。在這樣的背景下，很多汽車企業(yè)都在逐步建立數(shù)字化工廠模型，同時利用仿真技術(shù)，實現(xiàn)對作業(yè)崗位模擬，實現(xiàn)作業(yè)崗位勞動強度的定量分析判斷，從而降低勞動強度。

本研究主要是基于數(shù)字化工廠建模，探討工藝仿真技術(shù)在汽車總裝車間重勞崗位分析領(lǐng)域的應(yīng)用，聚焦于員工的重勞操作分析。結(jié)合公司應(yīng)用實例，全面分析重勞崗位仿真模型的建模思路、模型表達方式、軟件應(yīng)用等，結(jié)合應(yīng)用案例分析出重勞崗位仿真技術(shù)的價值。

2 基于DELMIA 的重勞崗位分析方法

2.1 仿真軟件介紹

目前針對裝配重勞崗位主流分析軟件分為2 種，一個是西門子數(shù)字化軟件Tecnomatix，具備工廠、生產(chǎn)線及生產(chǎn)物流過程仿真與優(yōu)化功能；一個是達索公司的DELMIA，優(yōu)勢在于軟件對于仿真結(jié)果的渲染效果較為美觀，可以不需進行二次渲染處理。DELMIA 軟件包含3 個板塊的子軟件：DPE（DigitalProcessEngineer）、DPM（DigitalProcessManufacture）以及QUEST（物流分析工具）。DPE主要是提供集成產(chǎn)品、資源、工藝管理平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、資源的匹配仿真軟件環(huán)境；DPM 主要是提供工藝細節(jié)、規(guī)劃、驗證仿真軟件環(huán)境；QUEST 主要是提供生產(chǎn)工藝流程和生產(chǎn)效率仿真的軟件環(huán)境。

2.2 重勞崗位分析現(xiàn)狀

以國內(nèi)某汽車企業(yè)為例，重勞崗位分析主要經(jīng)歷了3 個階段：

（1）第1 個階段，基于量產(chǎn)階段的問題解決。在量產(chǎn)線體試生產(chǎn)階段的評估判斷，結(jié)合員工的實際操作反饋，推進問題的改善解決。主要是基于工藝方法、工裝、設(shè)備的調(diào)整改善。（2）第2 個階段，試制階段的驗證改善。在試制階段，基于實車評估重勞作業(yè)問題，聯(lián)合設(shè)計推動重勞崗位改善。除了工藝領(lǐng)域改善以外，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，推動設(shè)計進行重勞作業(yè)改善，從產(chǎn)品設(shè)計角度改善重勞作業(yè)。在產(chǎn)品試制階段可消除大部分重勞作業(yè)問題。（3）第3 階段，在設(shè)計階段的仿真改善。在產(chǎn)品概念階段，工藝與設(shè)計實施同步分析，采用仿真分析軟件評價重勞作業(yè)崗位。結(jié)合企業(yè)人體模型及生產(chǎn)線的重勞崗位判斷標準，在DELMIA 軟件的基礎(chǔ)上，開發(fā)重勞崗位仿真模型，自動判斷重勞作業(yè)評價效果。在產(chǎn)品概念階段就考慮優(yōu)化設(shè)計方案，改善消除重勞作業(yè)崗位。

2.3 重勞崗位工藝仿真分析

本研究是在數(shù)字化工廠建立的基礎(chǔ)上，進行重勞崗位的仿真分析。

2.3.1 數(shù)字化工廠建模

基于實體工廠，構(gòu)建數(shù)字化虛擬工廠。含總裝2 個線體、設(shè)備250 多套，工位器具150 多套，工具800 多套等三維建模，將實體工廠建立成三維模型工廠。如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化工廠示意圖

2.3.2 人體模型建立

根據(jù)工廠作業(yè)員工身高數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表，制定每個操作崗位平均身高模型，具體見裝配崗位身高數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，見表1 所示。工藝仿真分析時，結(jié)合企業(yè)作業(yè)崗位身高數(shù)據(jù)庫，選擇匹配的人體模型進行工藝仿真。

表1 操作崗位身高統(tǒng)計表（單位：mm）

2.3.3 重勞崗位標準重建

結(jié)合企業(yè)已經(jīng)明確的重勞崗位判斷標準，含姿勢重勞崗位判斷標準和負荷重勞崗位判斷標準。將公司重勞崗位判斷標準重建到DELMIA 軟件中，生成企業(yè)自身的重勞崗位仿真判斷標準。此方式可保證重勞崗位評判一致性及相對合理性，避免人為的主觀因素及經(jīng)驗、能力干擾。姿勢重勞崗位判斷標準示例見表2 所示。

表2 姿勢重勞崗位判斷標準

2.3.4 仿真邏輯分析

工藝仿真時根據(jù)崗位布置位置，選擇對應(yīng)崗位的人體模型；同時基于企業(yè)重勞崗位判斷標準參數(shù)，根據(jù)具體作業(yè)內(nèi)容對人體負荷及姿勢進行判斷。從身體模型各關(guān)節(jié)參數(shù)及負荷參數(shù)進行仿真，通過仿真數(shù)據(jù)與企業(yè)標準參數(shù)進行比對，最終輸出評價結(jié)果。

3 實例分析

3.1 仿真過程分析

以某新產(chǎn)品前保險杠總成裝配進行仿真分析，建立仿真模型：

（1）按照50JPH 線體產(chǎn)能進行核算，前保險杠總成兩側(cè)采用螺栓固定到車身上；（2）結(jié)合企業(yè)崗位人體模型庫，應(yīng)采用1690mm身高的男性人體；（3）結(jié)合崗位工具數(shù)據(jù)庫，采型號為BOSC 12N.m 電槍緊固；（4）模擬現(xiàn)場作業(yè)順序及姿勢，以目視看到螺栓，調(diào)整人體模型關(guān)節(jié)參數(shù)，確保人體模型手持工具接觸到裝配螺栓；（5）軟件自動輸出人體模型各部位關(guān)節(jié)（含頭、頸、背、手、手臂、腿、腳等）角度參數(shù)；（6）仿真軟件自動與重勞崗位判斷標準進行比對，結(jié)合生產(chǎn)線體崗位作業(yè)頻次，綜合評定后輸出仿真結(jié)果。

前保險杠總成裝配仿真結(jié)果為姿勢重勞崗位，其中：姿勢評價評分為4+；負荷評價為3 分；綜合評價等級為B（屬于較高等級）。具體輸出結(jié)果見圖2 所示。

圖2 前保險桿總成仿真結(jié)果

3.2 改善方案分析

通過仿真工藝分析，前保險杠總成裝配姿勢重勞崗位主要體現(xiàn)在：（1）身體需要下蹲和屈膝；（2）需要抬手進行作業(yè)；這兩點導(dǎo)致作業(yè)姿勢惡化，需重點進行作業(yè)改善。姿勢改善方案分析：

（1）工藝方面：增加輔助支撐靠背（或是移動小車），員工坐在靠背上可以垂直進行作業(yè)，減少下蹲；抬手角度減小。采用此方案，前保險杠左側(cè)（相對車輛前進方向）裝配可行；右側(cè)裝配需要采用左手裝配，需要匹配特殊裝配人員，要設(shè)為特殊崗。特殊崗技能要求高，不利于崗位人員招聘，結(jié)論不可行。（2）設(shè)計結(jié)構(gòu)方面：螺栓緊固方式改為卡扣緊固方式，此結(jié)構(gòu)在其他零部件已經(jīng)采用，結(jié)構(gòu)成熟。同時增加導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，員工站立時直接用手拍緊裝配。身體無需下蹲和屈膝，同時無需目視。結(jié)構(gòu)分析可實現(xiàn)，方案可行。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改善后，重新進行仿真分析。姿勢評價評分為3；負荷評價為3 分；綜合評價等級為C，崗位作業(yè)姿勢效果改善明顯，重勞崗位降低為一般崗位。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 改善后的工藝仿真結(jié)果

3.3 仿真技術(shù)應(yīng)用

通過重勞崗位工藝仿真的運用，建立了與企業(yè)作業(yè)環(huán)境匹配并且獨有的人體模型裝配姿態(tài)3XX 個。方便后續(xù)產(chǎn)品的快速引用，提高工作效率。對國內(nèi)某企業(yè)總裝車間的26個典型裝配崗位進行仿真分析，仿真分析見表3 所示。在產(chǎn)品概念階段就改善了13 個重勞崗位，其中設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化的崗位5 個，避免了后續(xù)的實物變更，效益核算見表4 所示。

表3 典型裝配崗位工藝仿真分析

表4 重勞崗位改善效益核算

通過重勞崗位工藝仿真分析，對某企業(yè)總裝車間裝配崗位進行仿真分析，13 個崗位實現(xiàn)了改善，重勞崗位降低50%，重勞崗位指標達到合資企業(yè)標桿水平。同時，在產(chǎn)品概念階段就實現(xiàn)改善，避免在實物階段進行產(chǎn)品變更，修改模具，評估可以減少97 萬元。

4 結(jié)語

本研究分析了重勞崗位工藝仿真邏輯及特點，在DELMIA 軟件模型基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)特點創(chuàng)建適合自身的人體模型及重勞判斷標準，實現(xiàn)仿真軟件與實際業(yè)務(wù)的有機結(jié)合。通過重勞崗位工藝仿真可以在產(chǎn)品概念階段有效削減重勞崗位，減少后期產(chǎn)品的設(shè)變，降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品量產(chǎn)周期，獲得了明顯經(jīng)濟效益。

需要指出的是，仿真過程中人體模型的操作，需要仿真人員的工作經(jīng)驗和能力相匹配，這樣仿真的結(jié)果才能較真實反映裝配過程。結(jié)合裝配不同的場景，創(chuàng)建特定的人體模型是后續(xù)裝配仿真的重點研究方向，值得共同研究與提高。