基于DELMIA的汽車總裝工藝人機裝配仿真*

陳平 黃熾凱 黃逸穩 劉艷兵 葛凌艷 樊艷勇

（1.廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院；2.上海汽車集團股份有限公司乘用車鄭州分公司）

眾所周知，由于汽車總裝工藝具有零部件種類和數量多，零件裝配復雜，車型及個性化配置多樣化等特殊原因，導致總裝工藝無法像沖壓、焊接及涂裝工藝一樣進行大規模或全部采用自動化設備及機器人來制造，人工裝配還是汽車總裝工藝的主流形式。伴隨人力成本的攀升，汽車廠商對于人機裝配分析的敏感性大大增強，以此來降低人工的勞動強度、裝配難度及制造人力成本。基于DELMIA仿真軟件提供的全面集成及協同的數字化解決方案，能在產品設計階段就發現并提前解決后續人機裝配中可能存在的問題。利用DELMIA仿真軟件中完整的虛擬人模型及相應的人機工程學評估方法，可以對產品的不同裝配方案進行的評估和篩選，實現優化選擇，提高產品裝配人機工程設計的效率和準確度，獲得滿意的裝配方案，汽車總裝工藝的關鍵性工位的人機仿真，可縮短整車開發周期，減少實際樣車數量，降低開發成本[1]。文章通過利用DELMIA的人機仿真模塊功能，對汽車總裝工藝的人機裝配工序進行仿真應用，從中提前發現和解決人機裝配問題，使汽車總裝工藝的問題在產品設計之初就得到解決。

1 人機裝配仿真

1.1 仿真的基本原則

DELMIA仿真主要包括裝配仿真和人機仿真，仿真內容有靜態仿真和動態仿真。靜態仿真可進行裝配人體的可達性、人體負載與視野及人體疲勞與舒適度等的分析；動態仿真可用于產線通過性、工裝結構及裝配工時等模擬人體動作及裝配過程。仿真過程盡量考慮實際的客觀工藝技術約束，以便達到最優的虛擬效果。仿真的基本原則：1）真實性：裝配仿真應盡可能真實地反映現場裝配過程和設備與工裝的運動軌跡；2）舒適性：在可達和可視的前提下，盡可能以最舒適的姿態完成操作，降低RULA的評分；3）協調性：人機姿態仿真的過程中，如果可以通過調整多個人體骨骼關節來達到每個姿態接近人體的真實性，則應保證多個人體骨骼關節的協調性，避免單獨調整其中某一個人體骨骼關節造成人體姿態失真的現象。

1.2 重點人機仿真的工序

汽車總裝工藝的多樣化及復雜性，決定了機器裝配自動化程度較低，所以汽車總裝工序大部分都以人工裝配為主。在汽車總裝工藝裝配仿真中，對于需要人員執行較為復雜的裝配動作才能完成的工序，以及需要使用工裝協助才能完成的困難裝配工序，如天窗總成、儀表總成、前端模塊、頂棚模塊、備胎、車門、動力總成、懸架總成及底盤合車等工序，要重點進行人機仿真，并且從操作的可達性、可視性、操作空間及舒適度幾方面進行評價，如圖1所示。

圖1 汽車總裝重點工序人機裝配仿真模型圖

對于操作中可能出現的夠不到、看不到、不舒服及空間小的以下幾種情況，應進行人機仿真分析[2]。

1）操作位置和工人距離遠，可能無法達到的情況，應進行操作可達性分析；

2）對于視野不好的情況，應進行可視性分析；

3）對于操作空間小的情況，應考慮手部空間、手指空間及人體活動范圍等因素，進行操作空間分析；

4）對于需要彎腰、下蹲、仰頭、手臂交叉及負重等可能導致不舒服的情況，應進行舒適度評價。

1.3 人機模型

人機仿真的基礎是利用DELMIA中Safework模塊下的Human Builder子模塊，建立合適的人機模型，如圖2所示。并在此基礎上進行靜態人機分析。

圖2 人機模型分析顯示界面

目前DELMIA V5R19版供選擇的人群只有美國、加拿大、法國、日本及韓國。表1示出美日韓人群百分位-身高對照表，顯示了美日韓不同百分位人群的身高，用于人群百分位的選擇。人機仿真中，人群和百分位的選擇原則：1）在沒有特殊要求的情況下，選擇60%百分位的日本男性；2）對工位要求身高較高的操作，可選擇85%百分位的日本男性；3）對工位要求身材矮小的操作，可選擇40%百分位的日本女性；4）進行維修性校核時，選擇60%百分位的日本男性。

表1 美日韓人群百分位-身高對照表 mm

1.4 可視性評價

圖3示出人機模型可視性評價分布圖。如圖3所示，仿真過程中人機模型的可視化有3個層級。對于擰緊標準件、線束接插、管路連接及零部件裝配基準定位等需要目視化操作的仿真工序，可視化重心必須落在A層級區域內；對于簡單裝配動作及非安全類的基本裝配，可視化重心落在B層級區域內；對于其余的目視檢查動作等可視化的仿真工序，可視化重心要確保落在C層級內，不允許盲視下的任何裝配動作出現。

圖3 人機模型可視性評價層級分布圖

1.5 快速上肢評估（RULA）評價

進行人機評價時要用到人機工程分析模塊中的快速上肢評估（RULA）子模塊，它是一種與操作相關的上肢評價方法，主要根據人體姿態、負荷、出現頻率或持續時間等因素對人體舒適度進行綜合評價，如圖4所示。系統根據各個因素的得分計算出綜合得分，分值越高表示舒適度越差。根據綜合得分將勞動強度分4個等級，由高到低分別用紅、橙、黃及綠色表示，如表2所示[3]。

圖4 快速上肢評估（RULA）評價得分顯示界面

表2 快速上肢評估（RULA）綜合評分

1.6 人機仿真流程

具體人機仿真流程，如圖5所示。利用Human Task Simulation模塊，導入所需的基礎數據后，插入合理的人體模型，編輯人體模型姿態，創建仿真行為及任務，建立仿真流程，將人體模型分配到工藝流程，美化仿真。人機仿真的效果受到工程師的從業經驗及對軟件使用的熟悉程度的影響。

圖5 人機仿真流程顯示界面圖

2 仿真實例

汽車總裝工藝技術開發過程中，虛擬的人機裝配仿真作用越來越明顯。產品項目開發中已經減少了樣車試制及驗證的數量和時間，提高了人機仿真裝配在產品設計過程中的比重。盡量在產品前期虛擬仿真中發現制造問題，提前解決，以減少工廠的技造及產品設變費用。現對某款新車型的駕駛員座椅工序的裝配仿真和人機仿真過程進行詳細說明。

2.1 駕駛員座椅的裝配仿真

首先，利用DELMIA軟件的PTS將產品、工藝及資源3個方面的相關基礎數據導入。裝配仿真需要導入的具體數據有已經裝配好IP總成的白車身、駕駛員座椅、內飾滑板及座椅助力臂等。根據座椅裝配工藝流程（如圖6所示），初步評估座椅投入的通過性、設備可達性及裝配工時。得出座椅助力臂的可達性滿足；座椅的投入性過程，對于不拆卸頭枕的方案，需要優化座椅的投入姿態，即可滿足裝配可達性。

圖6 駕駛員座椅裝配工序仿真流程圖

圖7示出駕駛員座椅工序仿真標準化工時顯示界面，根據裝配工藝流程，運用標準化工時法預估裝配工時為62 s，滿足80 s的節拍要求[4]。圖8示出駕駛員座椅裝配仿真工藝流程節拍圖。

圖7 駕駛員座椅裝配工序仿真標準化工時顯示界面圖

圖8 駕駛員座椅工序仿真標準化工時節拍圖

2.2 座椅的人機仿真

圖9示出駕駛員座椅人機仿真評估RULA顯示界面，選擇導入60%百分位的韓國人體模型，模型高171cm，工位高度500 mm。針對座椅的4顆M8的螺栓選擇合適擰緊工具進行人機仿真分析，得出人機姿態舒適度、工具可達性及視野可視性均滿足實際裝配要求，利用人機工程分析得出RULA綜合得分為4分。

圖9 駕駛員座椅人機仿真快速上肢評估（RULA）顯示界面圖

3 結論

1）在虛擬仿真過程中，DELMIA軟件可從人機工程方面對操作過程的極限位置及操作死點進行記錄，從而作為后期實際生產過程中減輕工人勞動強度，提高工人工作效率的依據，且在優化工裝夾具與工具、判斷是否需要使用輔助設備及優化工人的動作順序與姿態等方面也能進行很好地反映。人機仿真的重要目的是為了進行舒適度評價，并做必要的工藝優化，所以人體姿態調整是以舒適為導向，盡可能降低RULA的分值。

2）人機仿真中，雖然虛擬人作為裝配過程的主體，是裝配工程的發起者和執行者，但依然受到產品、工具及環境等工藝技術的約束。DELMIA仿真使用的工裝、設備及生產線數據與實物存在差異，而且虛擬仿真不能100%真實體現生產線上的過程，所以在生產準備階段還需要對裝配過程進行實物驗證。實物驗證階段工藝工程師記錄相關問題，對比現場和虛擬仿真的區別，總結經驗，做到對仿真結果的可信度心中有數，此外還需根據驗證情況不斷地完善人機仿真評價標準及提高人機仿真分析能力。