人機工程仿真技術在焊裝領域的運用范文

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《汽車工藝與材料》2018年第5期

摘要：介紹了人機工程學在汽車制造領域數(shù)字化工廠中的應用，并借助西門子ProcessSim⁃ulate軟件中的Human模塊，通過實例解析人機工程仿真分析在項目周期中對人體姿態(tài)優(yōu)化、生產(chǎn)線規(guī)劃方案優(yōu)化和節(jié)拍分析的應用，闡述人機工程仿真技術應用在生產(chǎn)線方案設計中的必要性，縮短產(chǎn)品生準周期，提升產(chǎn)品市場競爭力。

關鍵詞：人機工程學；數(shù)字化工廠；Human；產(chǎn)品生準周期；焊裝

1前言

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，基于人機工程學的虛擬設計和測試評價已經(jīng)成為可能，這不僅可以提質(zhì)、增效、降成本，而且可以增強企業(yè)的競爭能力[1]。因此，在汽車制造領域中，虛擬制造技術的應用能夠在產(chǎn)品設計階段有效對產(chǎn)品制造進行模擬分析，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。人機工程學的應用在汽車行業(yè)的總裝領域體現(xiàn)較為明顯，而在焊裝領域除了先進的自動化技術應用外，部分關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，借助Human模塊，在產(chǎn)品設計階段完成對人工上件及焊接操作的仿真分析，并根據(jù)分析結果直接影響產(chǎn)品設計、工程設計及工藝規(guī)劃結果，提前識別問題并及時解決，優(yōu)化人工操作姿態(tài)，使現(xiàn)場人工操作完全符合人機工程學要求。

2人機工程簡介

人際工程學是把人—機—環(huán)境系統(tǒng)作為一個整體來研究，以創(chuàng)造適合于人操作的機械設備和作業(yè)環(huán)境，使人—機—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)，以實現(xiàn)“以人為本”的人性化理念[2]。目前人機工程研究理論的數(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中同樣設置多種人機工程分析方法（圖1），本文主要對OWAS和RULA兩種人體姿態(tài)分析方法對人機工程技術的應用進行分析。OWAS姿態(tài)分析方法用來檢查工人的姿勢是否舒適，其主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個部位的姿勢要素和1個負重要素，通過分析5個要素之間的相互作用，評定人體姿態(tài)的疲勞等級，并根據(jù)工作姿態(tài)需要改進的緊迫程度、工作姿態(tài)疲勞等級分AC1-AC44個等級。RULA上肢快速評估分析方法主要評估手臂、前臂、手腕、頸部、身軀、腿部在不同工作姿勢角度上的不同得分，并觀察姿勢的施力大小與使用肌肉狀態(tài)給予評分，根據(jù)綜合評分，將行動等級分為AL1-AL44個等級，如表1所示。工作過程中導致上肢不適的可能因素包括腕部和手臂的姿勢、整個身體的姿勢、關節(jié)使用頻率、作業(yè)中上肢的施力、作業(yè)周期中姿勢是否變動等因素。

3焊裝領域人機工程仿真

以往焊裝手工工位在前期方案規(guī)劃設計和操作通過性方面較大程度依賴工藝員的經(jīng)驗，但工藝人員通過經(jīng)驗所設計的規(guī)劃方案并不能完全解決所有潛在問題，這些問題將會在項目后期暴露出來，直接影響產(chǎn)品生準周期和成本。通過利用PS軟件中的Human模塊，在產(chǎn)品開發(fā)及工程設計前期放置驗證工藝設計方案，充分發(fā)掘并解決潛在的問題，達到提質(zhì)降本增效的目的，間接提高產(chǎn)品競爭力。焊裝領域對人機工程技術的研究主要體現(xiàn)在人體姿態(tài)優(yōu)化和操作工時優(yōu)化兩個方面。本文以某車型翼子板安裝工位和側圍線一工位為例，涉及裝配、涂膠、焊接、轉運等工藝內(nèi)容，通過運用PS中的Human模塊建模仿真，并對其工藝操作內(nèi)容進行優(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、轉向、開關行程等動作，這些動作在執(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)生疲勞的動作，長期工作在該狀態(tài)下將會對人體機能和體力過度損耗，且在車型量產(chǎn)后存在產(chǎn)品結構變更難度大、工裝設備改造成本高的問題。因此，通過人機工程仿真分析，能夠直觀分析出生準階段方案規(guī)劃和工藝設計的設計缺陷，及早識別風險，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)場工人操作姿態(tài)相仿，如圖3b所示。應用PS軟件中的JACK分析工具，對該姿態(tài)狀態(tài)下人體模型進行人機工程分析，分析結果顯示，OWAS姿勢編碼為4241-1，姿態(tài)分析行動等級為AC4，同時RULA快速上肢分析顯示綜合評分為7，行動等級為AL4。綜上分析結果表明，該姿態(tài)對人體背部和腿部造成嚴重危害，且手臂長期處于疲勞狀態(tài)，應立即停止作業(yè)并改善。因此，在產(chǎn)品設計初期，通過對關鍵工位的人工操作姿態(tài)借助人機工程軟件分析，避免在車型量產(chǎn)后因人機工程學問題凸顯而造成生產(chǎn)困難、工裝設備變更困難、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成本、優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍，更能有效促進工人工作效率的提高，而人機工程仿真分析不僅可以檢驗工藝規(guī)劃的合理性，還可以提出改善方案，且仿真結果可以用于現(xiàn)場工人操作教學指導。以某車型側圍線1工位為例，利用ProcessDesigner（簡稱PD）實現(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、焊點涂膠等信息，資源數(shù)據(jù)包括本工位的鋼結構、吊具、夾具、焊鉗、涂膠機、加熱臺、料箱以及本工位2D布局規(guī)劃圖等。在PD虛擬仿真平臺下規(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構，將零件、焊鉗、焊點信息關聯(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-夾具關閉-焊接-夾具打開-轉運至緩存區(qū)域，其中，裝配零件共有10個零件組成，焊接部分包括4把焊鉗共33個焊點。在PS環(huán)境下，按照工藝要求應用Human模塊對兩名操作人員的操作工序進行創(chuàng)建編輯，并輸出操作清單。仿真結果顯示，操作者1工作節(jié)奏較為緊湊，操作者2在抓取側圍外板時等待17.3s，在焊接完成后打開夾具時等待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，重新布局涂膠臺及加熱臺位置，并在夾具臺下放置緩存料盒，用于暫存小零件，減少走動時間和頻次，縮短輔助時間。結合新的工藝布局規(guī)劃結果，重新調(diào)整仿真路徑及修整操作時間，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，滿足工位設計節(jié)拍要求。結果分析得到，操作者1實際有效工作時間為147.44s，操作者2實際有效工作時間為130.28，該工位整體優(yōu)化節(jié)拍約13%。

參考文獻：

[1]王秀玲.人機工程學的應用與發(fā)展[J].機械設計與制造,2007,1(1):151-152.

[2]朱序璋.人機工程學[M].西安:西安電子科技大學出版社,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