基于數字化工廠仿真技術削減重勞崗位的研究

覃榮 聶道俊 蔣華格 唐飛燕

東風柳州汽車有限公司 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，而更多關注崗位的發展前景及崗位的勞動強度。舒適輕松的作業強度，現在已經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，降低員工的作業強度，成為先進汽車制造企業主要研究目標之一。

數字化工廠借助信息化與數字化技術，通過集成、仿真分析、控制等手段，可為制造工廠生產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，都基本實現了數字化工廠建模。上汽公司、東風日產、奇瑞公司等企業也實現了汽車設計和制造的數字化工廠模擬，并且取得了很好的效果。在這樣的背景下，很多汽車企業都在逐步建立數字化工廠模型，同時利用仿真技術，實現對作業崗位模擬，實現作業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字化工廠建模，探討工藝仿真技術在汽車總裝車間重勞崗位分析領域的應用，聚焦于員工的重勞操作分析。結合公司應用實例，全面分析重勞崗位仿真模型的建模思路、模型表達方式、軟件應用等，結合應用案例分析出重勞崗位仿真技術的價值。

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，一個是西門子數字化軟件Tecnomatix，具備工廠、生產線及生產物流過程仿真與優化功能；一個是達索公司的DELMIA，優勢在于軟件對于仿真結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主要是提供集成產品、資源、工藝管理平臺，實現產品、工藝、資源的匹配仿真軟件環境；DPM 主要是提供工藝細節、規劃、驗證仿真軟件環境；QUEST 主要是提供生產工藝流程和生產效率仿真的軟件環境。

2.2 重勞崗位分析現狀

以國內某汽車企業為例，重勞崗位分析主要經歷了3 個階段：

（1）第1 個階段，基于量產階段的問題解決。在量產線體試生產階段的評估判斷，結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、設備的調整改善。（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問題，聯合設計推動重勞崗位改善。除了工藝領域改善以外，結合產品結構，推動設計進行重勞作業改善，從產品設計角度改善重勞作業。在產品試制階段可消除大部分重勞作業問題。（3）第3 階段，在設計階段的仿真改善。在產品概念階段，工藝與設計實施同步分析，采用仿真分析軟件評價重勞作業崗位。結合企業人體模型及生產線的重勞崗位判斷標準，在DELMIA 軟件的基礎上，開發重勞崗位仿真模型，自動判斷重勞作業評價效果。在產品概念階段就考慮優化設計方案，改善消除重勞作業崗位。

2.3 重勞崗位工藝仿真分析

本研究是在數字化工廠建立的基礎上，進行重勞崗位的仿真分析。

2.3.1 數字化工廠建模

基于實體工廠，構建數字化虛擬工廠。含總裝2 個線體、設備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 數字化工廠示意圖

2.3.2 人體模型建立

根據工廠作業員工身高數據統計分析表，制定每個操作崗位平均身高模型，具體見裝配崗位身高數據統計表，見表1 所示。工藝仿真分析時，結合企業作業崗位身高數據庫，選擇匹配的人體模型進行工藝仿真。

表1 操作崗位身高統計表（單位：mm）

2.3.3 重勞崗位標準重建

結合企業已經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

工藝仿真時根據崗位布置位置，選擇對應崗位的人體模型；同時基于企業重勞崗位判斷標準參數，根據具體作業內容對人體負荷及姿勢進行判斷。從身體模型各關節參數及負荷參數進行仿真，通過仿真數據與企業標準參數進行比對，最終輸出評價結果。

3 實例分析

3.1 仿真過程分析

以某新產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 線體產能進行核算，前保險杠總成兩側采用螺栓固定到車身上；（2）結合企業崗位人體模型庫，應采用1690mm身高的男性人體；（3）結合崗位工具數據庫，采型號為BOSC 12N.m 電槍緊固；（4）模擬現場作業順序及姿勢，以目視看到螺栓，調整人體模型關節參數，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節（含頭、頸、背、手、手臂、腿、腳等）角度參數；（6）仿真軟件自動與重勞崗位判斷標準進行比對，結合生產線體崗位作業頻次，綜合評定后輸出仿真結果。

前保險杠總成裝配仿真結果為姿勢重勞崗位，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）。具體輸出結果見圖2 所示。

圖2 前保險桿總成仿真結果

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在：（1）身體需要下蹲和屈膝；（2）需要抬手進行作業；這兩點導致作業姿勢惡化，需重點進行作業改善。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，減少下蹲；抬手角度減小。采用此方案，前保險杠左側（相對車輛前進方向）裝配可行；右側裝配需要采用左手裝配，需要匹配特殊裝配人員，要設為特殊崗。特殊崗技能要求高，不利于崗位人員招聘，結論不可行。（2）設計結構方面：螺栓緊固方式改為卡扣緊固方式，此結構在其他零部件已經采用，結構成熟。同時增加導向結構，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。結構分析可實現，方案可行。

產品結構改善后，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，崗位作業姿勢效果改善明顯，重勞崗位降低為一般崗位。仿真結果如圖3所示。

圖3 改善后的工藝仿真結果

3.3 仿真技術應用

通過重勞崗位工藝仿真的運用，建立了與企業作業環境匹配并且獨有的人體模型裝配姿態3XX 個。方便后續產品的快速引用，提高工作效率。對國內某企業總裝車間的26個典型裝配崗位進行仿真分析，仿真分析見表3 所示。在產品概念階段就改善了13 個重勞崗位，其中設計結構優化的崗位5 個，避免了后續的實物變更，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，對某企業總裝車間裝配崗位進行仿真分析，13 個崗位實現了改善，重勞崗位降低50%，重勞崗位指標達到合資企業標桿水平。同時，在產品概念階段就實現改善，避免在實物階段進行產品變更，修改模具，評估可以減少97 萬元。

4 結語

本研究分析了重勞崗位工藝仿真邏輯及特點，在DELMIA 軟件模型基礎上，結合企業特點創建適合自身的人體模型及重勞判斷標準，實現仿真軟件與實際業務的有機結合。通過重勞崗位工藝仿真可以在產品概念階段有效削減重勞崗位，減少后期產品的設變，降低產品成本，縮短產品量產周期，獲得了明顯經濟效益。

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驗和能力相匹配，這樣仿真的結果才能較真實反映裝配過程。結合裝配不同的場景，創建特定的人體模型是后續裝配仿真的重點研究方向，值得共同研究與提高。