基于Tecnomatix的變速箱殼體部裝人機工程仿真分析

陳甦欣, 程智攀

(合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

我國提出邁入制造強國戰略,其中普及數字化制造是必不可少的一環[1]。在目前科學技術水平下,許多工作還是需要人來完成,應以人的安全、舒適、高效等作為重要的設計因素,因此數字化工廠技術將人作為制造系統中的重要資源進行規劃[2]。人機工程學把人的因素作為產品設計的重要條件和原則,研究人-機-環境的相互作用,以達到人-機-環境系統總體性能最優化[3]。因此需要通過關聯人體資源到數字化工廠虛擬場景中,實現虛擬裝配仿真和人機工程仿真技術相結合[4],從人機工程學分析方法出發,進一步開展人機工程分析評估。

Tecnomatix是西門子公司開發的數字化制造軟件平臺,是目前比較成熟的數字化制造平臺,其中Human模塊有著強大的人機工程仿真功能,借助該平臺可以實現對生產流程、設備以及系統進行虛擬驗證,實現制造過程的智能化、快速化和精益化[5],實現對人工裝配過程中舒適性、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象,簡要闡述了基于Tecnomatix平臺的人機工程仿真理論路線,從人機工程學角度分析裝配任務中人體的舒適性、合理性和安全性,分析結果對實際生產裝配有一定的指導意義,可以提升裝配效率。

1 實現方法及工位簡介

1.1 實現方法

過程仿真(process simulation,PS)是Tecnomatix平臺下的虛擬仿真軟件,提供了一個基于數據庫的無縫的工藝過程模擬功能,可實現裝配路徑的分析、順序的調整、人機工程的分析評價等[6-7]。變速箱殼體部裝工位的人機工程仿真任務,具體實現方法如下:

(1) 模型搭建。利用三維軟件進行產品布局建模,通過多次格式轉換為輕量化的JT格式后,導入PS軟件,在Human模塊中,創建所需人體模型,完成完整的模型搭建。

(2) 虛擬裝配。通過裝配順序規劃和裝配路徑規劃[8],實現裝配設備自動裝配的部分,之后設置人體姿勢,創建新組合操作,將人體姿勢組合得到所需操作，同時利用任務仿真構建器一站式完成人體各種姿勢及動作的定義。通過人機配合,完成虛擬裝配仿真。

(3) 仿真分析。利用Analysis Tools工具對人機任務進行OWAS、RULA、LBA分析等。

(4) 改進優化。根據仿真分析結果,若出現干涉、人體受傷風險高等問題,則立即對虛擬裝配過程反復進行調整,消除干涉、降低受傷風險,最終實現對裝配工藝的改進。

1.2 工位簡介

本工位是MT82變速箱殼體部裝二合一半自動工位,主要功能是實現軸承和襯套的壓裝,工位工序內容見表1所列。

表1 變速箱殼體部裝工位工序內容

2 部裝工位建模與裝配仿真

2.1 模型搭建

本例通過三維軟件SolidWorks建模,搭建工位壓裝設備、線體、托盤、工件、取料架等模型資源。因為零件數量多,整個裝配體模型文件體積較大,占用較多系統資源，所以進行輕量化格式轉換,Tecnomatix軟件支持輕量化JT格式資源導入。將SolidWorks文件另存為step格式,利用格式轉換器另存為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軟件可導入cojt文件夾模型資源。虛擬場景里保持了原有模型的尺寸、屬性、相對位置以及裝配關系。工位裝配模型資源導入完成后,通過Human模塊創建人體資源,Creat Human中可選擇人體屬性、設置人體參數,同時在Human Posturing中創建各類所需人體姿勢,最終在虛擬場景搭建出完整的人機工程三維布局。

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

根據工位工序內容,結合表1中各工序的時長,設定壓裝設備動作、托盤物流操作、人體仿真任務。

通過裝配序列規劃和裝配路徑規劃可得到裝配順序,如圖2所示。

圖2 序列編輯器

其中人體仿真任務可通過Human模塊中的Human Posturinng進行姿勢創建,人體姿勢創建包含從人體姿勢庫導入、默認姿勢、站立姿勢、抓取姿勢、放置姿勢等方式。

通過“人體部位操控器”產生的每個人體姿勢,都可以創建為操作,進而形成復雜人體仿真動作,如圖3所示,工序1由若干個人體姿勢組合而成,工序人體姿勢分解得越多,仿真效果越好。

圖3 工序1姿勢分解

同時可以利用任務仿真構建器(task simulation builder,TSB)實現基本的人體仿真動作,包括走動、拿取、放置、重新抓取、站立等。TSB中可以對人體姿勢進行修改、增加過渡點或過度姿勢、插入等待時間、管理人行走過程中的障礙物等操作,最終實現所需的人體運動仿真和人體姿勢仿真。

3 部裝工位人機工程分析與優化

3.1 仿真分析

在Tecnomatix平臺中,人機工程學分析工具從人體功效學角度出發包含了許多類型人體評價工具,本工位結合工序內容,選取OWAS、RULA、LBA分析,對工位人體進行評估,并對分析結果不符合要求的部分進行改進優化。

3.1.1 工作姿勢分析

工作姿勢分析 (Ovako working posture analysis system,OWAS)可以快速檢查工作姿勢,評價基于頭部、背部、手臂和腿部負載要求的工作姿勢的不適度。OWAS方法對身體每個部位的姿勢都可以進行編碼,界定不同工作狀態、工作姿勢,并由此得到不同姿勢對身體產生的不同損害劃分等級[9]。

在Tecnomatix軟件中,人機工程分析工具對人體主要部位編碼打分,并在人體各部位實時顯示不同顏色來反映實施糾正措施的建議。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種打分對應4種顏色,同時可以反映糾正措施實施的必要性。

本工位根據表1的工序時長,共計9 s,利用OWAS分析工具,可以得到分析結果，具體見表2所列。

表2 OWAS分析報告

根據工位操作時間,在人體工作仿真過程中,在起始、中間、結束各有一小段時間打分為2,不會對人體舒適性產生較大影響,但在1.1 s處有短暫打分為3,需要進行優化處理。

3.1.2 快速上肢評估法分析

快速上肢評估法(rapid upper limb assessment,RULA)主要針對操作姿勢、受力狀態以及肌肉施力狀況進行分析,以評估上肢肌肉受傷風險[10]。RULA分析方法通過對作業姿勢打分的方式,從人體舒適性和安全性角度出發,來判斷人體主要工作姿勢肌肉的使用、負荷的重量、任務的持續時間和頻率是否會引起人體工作效率的下降、疲勞或損傷。

RULA依據分數定義4類等級如下:

(1) 1級(得分1或2)。若不是長時間保持或重復,則是可持續的姿勢。

(2) 2級(得分3或4)。需要進一步調查,可能需要更改。

(3) 3級(得分5或6)。盡快進行調查和改變姿勢。

(4) 4級(7分及以上)。立刻進行調查并改變姿勢。

實時注釋的分析數值如圖4所示。

圖4 實時注釋的分析數值

RULA分析打分實時顯示,人體在此刻姿勢是2分,根據RULA等級表明,若不是長時間保持或重復,則是可持續的姿勢。

3.1.3 下背部受力分析

下背部受力分析(lower back analysis,LBA)是分析特定環境下人體脊椎受力對下背部的影響,通過該工具判斷人體仿真任務是否符合美國國家職業安全衛生研究所(NIOSH)的標準,以及是否會增加人體下背部受傷風險。下背部分析利用先進復雜的生理學下背部模型,計算L4/L5(第四腰椎、第五腰椎)脊椎處的壓力,并將這個壓力和NIOSH的極限壓力(3 400 N)進行比較[11]。

根據圖4實時注釋的分析數值顯示,LBA分析值為OK,同時打開LBA分析報告表明,在L4/L5脊椎壓縮力、前后剪切力、橫向剪切力均遠小于3 400 N的極限壓力值,故本工位人體下背部受傷風險低。

3.2 改進優化

根據上文3種分析工具的評估分析,OWAS分析中出現了需要改進的地方。打開詳細的分析報告,找出“問題”姿勢pose1-6,確認被拿取物體的質量后,微調取料架高度,使pose1-6的手臂抓取高度降低,然后再次進行OWAS仿真分析。分析結果表明,分值3消失,人體工作姿勢分析符合要求。

4 結 論

西門子Tecnomatix軟件為變速箱殼體部裝半自動工位中設備虛擬裝配和人工手動任務的設計提供了有效平臺,同時在虛擬場景中借助Human模塊強大的仿真分析功能開展進一步的人機工程分析評估。通過OWAS分析、RULA分析、LBA分析報告對工位三維布局進行優化改進,提升了手動任務中人體的舒適性、合理性和安全性,對企業裝配生產效率提高、工作受傷風險降低有一定的指導意義。