人機(jī)工程仿真技術(shù)在焊裝領(lǐng)域的運(yùn)用范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了人機(jī)工程仿真技術(shù)在焊裝領(lǐng)域的運(yùn)用參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《汽車工藝與材料》2018年第5期

摘要：介紹了人機(jī)工程學(xué)在汽車制造領(lǐng)域數(shù)字化工廠中的應(yīng)用，并借助西門子ProcessSim⁃ulate軟件中的Human模塊，通過實(shí)例解析人機(jī)工程仿真分析在項(xiàng)目周期中對(duì)人體姿態(tài)優(yōu)化、生產(chǎn)線規(guī)劃方案優(yōu)化和節(jié)拍分析的應(yīng)用，闡述人機(jī)工程仿真技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)中的必要性，縮短產(chǎn)品生準(zhǔn)周期，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué)；數(shù)字化工廠；Human；產(chǎn)品生準(zhǔn)周期；焊裝

1前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于人機(jī)工程學(xué)的虛擬設(shè)計(jì)和測(cè)試評(píng)價(jià)已經(jīng)成為可能，這不僅可以提質(zhì)、增效、降成本，而且可以增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力[1]。因此，在汽車制造領(lǐng)域中，虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段有效對(duì)產(chǎn)品制造進(jìn)行模擬分析，提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的問題并解決，提升產(chǎn)品制造效率與質(zhì)量，有效降低生產(chǎn)成本。人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用在汽車行業(yè)的總裝領(lǐng)域體現(xiàn)較為明顯，而在焊裝領(lǐng)域除了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用外，部分關(guān)鍵工序仍需要人工完成。利用ProcessSimulate軟件搭建數(shù)字化仿真平臺(tái)，借助Human模塊，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段完成對(duì)人工上件及焊接操作的仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果直接影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)及工藝規(guī)劃結(jié)果，提前識(shí)別問題并及時(shí)解決，優(yōu)化人工操作姿態(tài)，使現(xiàn)場(chǎng)人工操作完全符合人機(jī)工程學(xué)要求。

2人機(jī)工程簡(jiǎn)介

人際工程學(xué)是把人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)作為一個(gè)整體來研究，以創(chuàng)造適合于人操作的機(jī)械設(shè)備和作業(yè)環(huán)境，使人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，從而保證人安全、健康、高效、舒適的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)“以人為本”的人性化理念[2]。目前人機(jī)工程研究理論的數(shù)量不斷增多，根據(jù)各企業(yè)需求的不同，虛擬仿真軟件PS中同樣設(shè)置多種人機(jī)工程分析方法（圖1），本文主要對(duì)OWAS和RULA兩種人體姿態(tài)分析方法對(duì)人機(jī)工程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析。OWAS姿態(tài)分析方法用來檢查工人的姿勢(shì)是否舒適，其主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個(gè)部位的姿勢(shì)要素和1個(gè)負(fù)重要素，通過分析5個(gè)要素之間的相互作用，評(píng)定人體姿態(tài)的疲勞等級(jí)，并根據(jù)工作姿態(tài)需要改進(jìn)的緊迫程度、工作姿態(tài)疲勞等級(jí)分AC1-AC44個(gè)等級(jí)。RULA上肢快速評(píng)估分析方法主要評(píng)估手臂、前臂、手腕、頸部、身軀、腿部在不同工作姿勢(shì)角度上的不同得分，并觀察姿勢(shì)的施力大小與使用肌肉狀態(tài)給予評(píng)分，根據(jù)綜合評(píng)分，將行動(dòng)等級(jí)分為AL1-AL44個(gè)等級(jí)，如表1所示。工作過程中導(dǎo)致上肢不適的可能因素包括腕部和手臂的姿勢(shì)、整個(gè)身體的姿勢(shì)、關(guān)節(jié)使用頻率、作業(yè)中上肢的施力、作業(yè)周期中姿勢(shì)是否變動(dòng)等因素。

3焊裝領(lǐng)域人機(jī)工程仿真

以往焊裝手工工位在前期方案規(guī)劃設(shè)計(jì)和操作通過性方面較大程度依賴工藝員的經(jīng)驗(yàn)，但工藝人員通過經(jīng)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的規(guī)劃方案并不能完全解決所有潛在問題，這些問題將會(huì)在項(xiàng)目后期暴露出來，直接影響產(chǎn)品生準(zhǔn)周期和成本。通過利用PS軟件中的Human模塊，在產(chǎn)品開發(fā)及工程設(shè)計(jì)前期放置驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)方案，充分發(fā)掘并解決潛在的問題，達(dá)到提質(zhì)降本增效的目的，間接提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。焊裝領(lǐng)域?qū)θ藱C(jī)工程技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在人體姿態(tài)優(yōu)化和操作工時(shí)優(yōu)化兩個(gè)方面。本文以某車型翼子板安裝工位和側(cè)圍線一工位為例，涉及裝配、涂膠、焊接、轉(zhuǎn)運(yùn)等工藝內(nèi)容，通過運(yùn)用PS中的Human模塊建模仿真，并對(duì)其工藝操作內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，提出合理的工藝規(guī)劃方案。

3.1人體姿態(tài)優(yōu)化分析

在焊裝區(qū)域，工人有取件、裝配、拿放焊槍，及焊接過程中的翻槍、轉(zhuǎn)向、開關(guān)行程等動(dòng)作，這些動(dòng)作在執(zhí)行過程中工人的操作姿態(tài)有彎腰、下蹲、仰頭或舉手過肩等容易使人產(chǎn)生疲勞的動(dòng)作，長(zhǎng)期工作在該狀態(tài)下將會(huì)對(duì)人體機(jī)能和體力過度損耗，且在車型量產(chǎn)后存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變更難度大、工裝設(shè)備改造成本高的問題。因此，通過人機(jī)工程仿真分析，能夠直觀分析出生準(zhǔn)階段方案規(guī)劃和工藝設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)缺陷，及早識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，縮短后期改造周期和降低改造成本。如圖3a所示，該工位為調(diào)整線翼子板安裝工位，該車型在圖示位置翼子板中部新增螺栓裝配操作，操作過程需要工人下蹲彎腰并將頭部伸入車身下部。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn)，在工人操作過程中，其腿部、背部及上肢有明顯不適現(xiàn)象。結(jié)合上述操作，在PS環(huán)境中建立與工人身高體重一致的人體模型，建立人體姿態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)工人操作姿態(tài)相仿，如圖3b所示。應(yīng)用PS軟件中的JACK分析工具，對(duì)該姿態(tài)狀態(tài)下人體模型進(jìn)行人機(jī)工程分析，分析結(jié)果顯示，OWAS姿勢(shì)編碼為4241-1，姿態(tài)分析行動(dòng)等級(jí)為AC4，同時(shí)RULA快速上肢分析顯示綜合評(píng)分為7，行動(dòng)等級(jí)為AL4。綜上分析結(jié)果表明，該姿態(tài)對(duì)人體背部和腿部造成嚴(yán)重危害，且手臂長(zhǎng)期處于疲勞狀態(tài)，應(yīng)立即停止作業(yè)并改善。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，通過對(duì)關(guān)鍵工位的人工操作姿態(tài)借助人機(jī)工程軟件分析，避免在車型量產(chǎn)后因人機(jī)工程學(xué)問題凸顯而造成生產(chǎn)困難、工裝設(shè)備變更困難、改造成本高等問題的發(fā)生。

3.2工藝規(guī)劃方案優(yōu)化分析

手工工位工藝規(guī)劃的合理性可以降低生準(zhǔn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍，更能有效促進(jìn)工人工作效率的提高，而人機(jī)工程仿真分析不僅可以檢驗(yàn)工藝規(guī)劃的合理性，還可以提出改善方案，且仿真結(jié)果可以用于現(xiàn)場(chǎng)工人操作教學(xué)指導(dǎo)。以某車型側(cè)圍線1工位為例，利用ProcessDesigner（簡(jiǎn)稱PD）實(shí)現(xiàn)工位仿真建模及工藝規(guī)劃。初期建模依據(jù)工藝員提供的規(guī)劃方案，將產(chǎn)品及資源數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入PD軟件中。產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括本工位裝配所需的各零件總成、焊點(diǎn)涂膠等信息，資源數(shù)據(jù)包括本工位的鋼結(jié)構(gòu)、吊具、夾具、焊鉗、涂膠機(jī)、加熱臺(tái)、料箱以及本工位2D布局規(guī)劃圖等。在PD虛擬仿真平臺(tái)下規(guī)劃產(chǎn)品及資源布局（圖4），搭建該工位的資源樹和操作樹結(jié)構(gòu)，將零件、焊鉗、焊點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)到焊裝操作，并建立Pert圖及Gantt圖，完成初步工藝規(guī)劃。本工位的操作順序是裝配零件-涂膠-夾具關(guān)閉-焊接-夾具打開-轉(zhuǎn)運(yùn)至緩存區(qū)域，其中，裝配零件共有10個(gè)零件組成，焊接部分包括4把焊鉗共33個(gè)焊點(diǎn)。在PS環(huán)境下，按照工藝要求應(yīng)用Human模塊對(duì)兩名操作人員的操作工序進(jìn)行創(chuàng)建編輯，并輸出操作清單。仿真結(jié)果顯示，操作者1工作節(jié)奏較為緊湊，操作者2在抓取側(cè)圍外板時(shí)等待17.3s，在焊接完成后打開夾具時(shí)等待31.9s。經(jīng)過程仿真分析及線平衡分析，將操作者1部分上件工作分配給操作者2，重新布局涂膠臺(tái)及加熱臺(tái)位置，并在夾具臺(tái)下放置緩存料盒，用于暫存小零件，減少走動(dòng)時(shí)間和頻次，縮短輔助時(shí)間。結(jié)合新的工藝布局規(guī)劃結(jié)果，重新調(diào)整仿真路徑及修整操作時(shí)間，輸出操作清單，如圖7所示。經(jīng)工藝規(guī)劃及仿真分析，該工位生產(chǎn)周期由原來的203.34s縮減至176.78s，滿足工位設(shè)計(jì)節(jié)拍要求。結(jié)果分析得到，操作者1實(shí)際有效工作時(shí)間為147.44s，操作者2實(shí)際有效工作時(shí)間為130.28，該工位整體優(yōu)化節(jié)拍約13%。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秀玲.人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007,1(1):151-152.

[2]朱序璋.人機(jī)工程學(xué)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999,11:28-29.

作者：武保同；王鳳奇；呂朋 單位：中國第一汽車股份有限公司發(fā)展制造部