人机工程仿真技术在焊装领域的运用范文

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《汽车工艺与材料》2018年第5期

摘要：介绍了人机工程学在汽车制造领域数字化工厂中的应用，并借助西门子ProcessSim⁃ulate软件中的Human模块，通过实例解析人机工程仿真分析在项目周期中对人体姿态优化、生产线规划方案优化和节拍分析的应用，阐述人机工程仿真技术应用在生产线方案设计中的必要性，缩短产品生准周期，提升产品市场竞争力。

关键词：人机工程学；数字化工厂；Human；产品生准周期；焊装

1前言

随着计算机技术和网络技术的不断发展，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，这不仅可以提质、增效、降成本，而且可以增强企业的竞争能力[1]。因此，在汽车制造领域中，虚拟制造技术的应用能够在产品设计阶段有效对产品制造进行模拟分析，提前发现生产过程中可能发生的问题并解决，提升产品制造效率与质量，有效降低生产成本。人机工程学的应用在汽车行业的总装领域体现较为明显，而在焊装领域除了先进的自动化技术应用外，部分关键工序仍需要人工完成。利用ProcessSimulate软件搭建数字化仿真平台，借助Human模块，在产品设计阶段完成对人工上件及焊接操作的仿真分析，并根据分析结果直接影响产品设计、工程设计及工艺规划结果，提前识别问题并及时解决，优化人工操作姿态，使现场人工操作完全符合人机工程学要求。

2人机工程简介

人际工程学是把人—机—环境系统作为一个整体来研究，以创造适合于人操作的机械设备和作业环境，使人—机—环境系统相协调，从而保证人安全、健康、高效、舒适的工作状态，以实现“以人为本”的人性化理念[2]。目前人机工程研究理论的数量不断增多，根据各企业需求的不同，虚拟仿真软件PS中同样设置多种人机工程分析方法（图1），本文主要对OWAS和RULA两种人体姿态分析方法对人机工程技术的应用进行分析。OWAS姿态分析方法用来检查工人的姿势是否舒适，其主要分析人体背部、手臂、腿部、头部4个部位的姿势要素和1个负重要素，通过分析5个要素之间的相互作用，评定人体姿态的疲劳等级，并根据工作姿态需要改进的紧迫程度、工作姿态疲劳等级分AC1-AC44个等级。RULA上肢快速评估分析方法主要评估手臂、前臂、手腕、颈部、身躯、腿部在不同工作姿势角度上的不同得分，并观察姿势的施力大小与使用肌肉状态给予评分，根据综合评分，将行动等级分为AL1-AL44个等级，如表1所示。工作过程中导致上肢不适的可能因素包括腕部和手臂的姿势、整个身体的姿势、关节使用频率、作业中上肢的施力、作业周期中姿势是否变动等因素。

3焊装领域人机工程仿真

以往焊装手工工位在前期方案规划设计和操作通过性方面较大程度依赖工艺员的经验，但工艺人员通过经验所设计的规划方案并不能完全解决所有潜在问题，这些问题将会在项目后期暴露出来，直接影响产品生准周期和成本。通过利用PS软件中的Human模块，在产品开发及工程设计前期放置验证工艺设计方案，充分发掘并解决潜在的问题，达到提质降本增效的目的，间接提高产品竞争力。焊装领域对人机工程技术的研究主要体现在人体姿态优化和操作工时优化两个方面。本文以某车型翼子板安装工位和侧围线一工位为例，涉及装配、涂胶、焊接、转运等工艺内容，通过运用PS中的Human模块建模仿真，并对其工艺操作内容进行优化，提出合理的工艺规划方案。

3.1人体姿态优化分析

在焊装区域，工人有取件、装配、拿放焊枪，及焊接过程中的翻枪、转向、开关行程等动作，这些动作在执行过程中工人的操作姿态有弯腰、下蹲、仰头或举手过肩等容易使人产生疲劳的动作，长期工作在该状态下将会对人体机能和体力过度损耗，且在车型量产后存在产品结构变更难度大、工装设备改造成本高的问题。因此，通过人机工程仿真分析，能够直观分析出生准阶段方案规划和工艺设计的设计缺陷，及早识别风险，缩短后期改造周期和降低改造成本。如图3a所示，该工位为调整线翼子板安装工位，该车型在图示位置翼子板中部新增螺栓装配操作，操作过程需要工人下蹲弯腰并将头部伸入车身下部。经过现场模拟发现，在工人操作过程中，其腿部、背部及上肢有明显不适现象。结合上述操作，在PS环境中建立与工人身高体重一致的人体模型，建立人体姿态与现场工人操作姿态相仿，如图3b所示。应用PS软件中的JACK分析工具，对该姿态状态下人体模型进行人机工程分析，分析结果显示，OWAS姿势编码为4241-1，姿态分析行动等级为AC4，同时RULA快速上肢分析显示综合评分为7，行动等级为AL4。综上分析结果表明，该姿态对人体背部和腿部造成严重危害，且手臂长期处于疲劳状态，应立即停止作业并改善。因此，在产品设计初期，通过对关键工位的人工操作姿态借助人机工程软件分析，避免在车型量产后因人机工程学问题凸显而造成生产困难、工装设备变更困难、改造成本高等问题的发生。

3.2工艺规划方案优化分析

手工工位工艺规划的合理性可以降低生准成本、优化生产节拍，更能有效促进工人工作效率的提高，而人机工程仿真分析不仅可以检验工艺规划的合理性，还可以提出改善方案，且仿真结果可以用于现场工人操作教学指导。以某车型侧围线1工位为例，利用ProcessDesigner（简称PD）实现工位仿真建模及工艺规划。初期建模依据工艺员提供的规划方案，将产品及资源数据依次导入PD软件中。产品数据包括本工位装配所需的各零件总成、焊点涂胶等信息，资源数据包括本工位的钢结构、吊具、夹具、焊钳、涂胶机、加热台、料箱以及本工位2D布局规划图等。在PD虚拟仿真平台下规划产品及资源布局（图4），搭建该工位的资源树和操作树结构，将零件、焊钳、焊点信息关联到焊装操作，并建立Pert图及Gantt图，完成初步工艺规划。本工位的操作顺序是装配零件-涂胶-夹具关闭-焊接-夹具打开-转运至缓存区域，其中，装配零件共有10个零件组成，焊接部分包括4把焊钳共33个焊点。在PS环境下，按照工艺要求应用Human模块对两名操作人员的操作工序进行创建编辑，并输出操作清单。仿真结果显示，操作者1工作节奏较为紧凑，操作者2在抓取侧围外板时等待17.3s，在焊接完成后打开夹具时等待31.9s。经过程仿真分析及线平衡分析，将操作者1部分上件工作分配给操作者2，重新布局涂胶台及加热台位置，并在夹具台下放置缓存料盒，用于暂存小零件，减少走动时间和频次，缩短辅助时间。结合新的工艺布局规划结果，重新调整仿真路径及修整操作时间，输出操作清单，如图7所示。经工艺规划及仿真分析，该工位生产周期由原来的203.34s缩减至176.78s，满足工位设计节拍要求。结果分析得到，操作者1实际有效工作时间为147.44s，操作者2实际有效工作时间为130.28，该工位整体优化节拍约13%。

参考文献：

[1]王秀玲.人机工程学的应用与发展[J].机械设计与制造,2007,1(1):151-152.

[2]朱序璋.人机工程学[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999,11:28-29.

作者：武保同；王凤奇；吕朋 单位：中国第一汽车股份有限公司发展制造部