基于Tecnomatix的变速箱壳体部装人机工程仿真分析

陈甦欣, 程智攀

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

我国提出迈入制造强国战略,其中普及数字化制造是必不可少的一环[1]。在目前科学技术水平下,许多工作还是需要人来完成,应以人的安全、舒适、高效等作为重要的设计因素,因此数字化工厂技术将人作为制造系统中的重要资源进行规划[2]。人机工程学把人的因素作为产品设计的重要条件和原则,研究人-机-环境的相互作用,以达到人-机-环境系统总体性能最优化[3]。因此需要通过关联人体资源到数字化工厂虚拟场景中,实现虚拟装配仿真和人机工程仿真技术相结合[4],从人机工程学分析方法出发,进一步开展人机工程分析评估。

Tecnomatix是西门子公司开发的数字化制造软件平台,是目前比较成熟的数字化制造平台,其中Human模块有着强大的人机工程仿真功能,借助该平台可以实现对生产流程、设备以及系统进行虚拟验证,实现制造过程的智能化、快速化和精益化[5],实现对人工装配过程中舒适性、合理性、可操作性、安全性分析。

本文以变速箱壳体部装工位为研究对象,简要阐述了基于Tecnomatix平台的人机工程仿真理论路线,从人机工程学角度分析装配任务中人体的舒适性、合理性和安全性,分析结果对实际生产装配有一定的指导意义,可以提升装配效率。

1 实现方法及工位简介

1.1 实现方法

过程仿真(process simulation,PS)是Tecnomatix平台下的虚拟仿真软件,提供了一个基于数据库的无缝的工艺过程模拟功能,可实现装配路径的分析、顺序的调整、人机工程的分析评价等[6-7]。变速箱壳体部装工位的人机工程仿真任务,具体实现方法如下:

(1) 模型搭建。利用三维软件进行产品布局建模,通过多次格式转换为轻量化的JT格式后,导入PS软件,在Human模块中,创建所需人体模型,完成完整的模型搭建。

(2) 虚拟装配。通过装配顺序规划和装配路径规划[8],实现装配设备自动装配的部分,之后设置人体姿势,创建新组合操作,将人体姿势组合得到所需操作，同时利用任务仿真构建器一站式完成人体各种姿势及动作的定义。通过人机配合,完成虚拟装配仿真。

(3) 仿真分析。利用Analysis Tools工具对人机任务进行OWAS、RULA、LBA分析等。

(4) 改进优化。根据仿真分析结果,若出现干涉、人体受伤风险高等问题,则立即对虚拟装配过程反复进行调整,消除干涉、降低受伤风险,最终实现对装配工艺的改进。

1.2 工位简介

本工位是MT82变速箱壳体部装二合一半自动工位,主要功能是实现轴承和衬套的压装,工位工序内容见表1所列。

表1 变速箱壳体部装工位工序内容

2 部装工位建模与装配仿真

2.1 模型搭建

本例通过三维软件SolidWorks建模,搭建工位压装设备、线体、托盘、工件、取料架等模型资源。因为零件数量多,整个装配体模型文件体积较大,占用较多系统资源，所以进行轻量化格式转换,Tecnomatix软件支持轻量化JT格式资源导入。将SolidWorks文件另存为step格式,利用格式转换器另存为JT格式,接着新建同名cojt文件夹,将JT格式文件放在文件夹中,Tecnomatix软件可导入cojt文件夹模型资源。虚拟场景里保持了原有模型的尺寸、属性、相对位置以及装配关系。工位装配模型资源导入完成后,通过Human模块创建人体资源,Creat Human中可选择人体属性、设置人体参数,同时在Human Posturing中创建各类所需人体姿势,最终在虚拟场景搭建出完整的人机工程三维布局。

工位三维布局图如图1所示。

图1 工位三维布局

2.2 虚拟装配

根据工位工序内容,结合表1中各工序的时长,设定压装设备动作、托盘物流操作、人体仿真任务。

通过装配序列规划和装配路径规划可得到装配顺序,如图2所示。

图2 序列编辑器

其中人体仿真任务可通过Human模块中的Human Posturinng进行姿势创建,人体姿势创建包含从人体姿势库导入、默认姿势、站立姿势、抓取姿势、放置姿势等方式。

通过“人体部位操控器”产生的每个人体姿势,都可以创建为操作,进而形成复杂人体仿真动作,如图3所示,工序1由若干个人体姿势组合而成,工序人体姿势分解得越多,仿真效果越好。

图3 工序1姿势分解

同时可以利用任务仿真构建器(task simulation builder,TSB)实现基本的人体仿真动作,包括走动、拿取、放置、重新抓取、站立等。TSB中可以对人体姿势进行修改、增加过渡点或过度姿势、插入等待时间、管理人行走过程中的障碍物等操作,最终实现所需的人体运动仿真和人体姿势仿真。

3 部装工位人机工程分析与优化

3.1 仿真分析

在Tecnomatix平台中,人机工程学分析工具从人体功效学角度出发包含了许多类型人体评价工具,本工位结合工序内容,选取OWAS、RULA、LBA分析,对工位人体进行评估,并对分析结果不符合要求的部分进行改进优化。

3.1.1 工作姿势分析

工作姿势分析 (Ovako working posture analysis system,OWAS)可以快速检查工作姿势,评价基于头部、背部、手臂和腿部负载要求的工作姿势的不适度。OWAS方法对身体每个部位的姿势都可以进行编码,界定不同工作状态、工作姿势,并由此得到不同姿势对身体产生的不同损害划分等级[9]。

在Tecnomatix软件中,人机工程分析工具对人体主要部位编码打分,并在人体各部位实时显示不同颜色来反映实施纠正措施的建议。其中：1分表示不必;2分表示稍后;3分表示尽快;4分表示立刻纠正。4种打分对应4种颜色,同时可以反映纠正措施实施的必要性。

本工位根据表1的工序时长,共计9 s,利用OWAS分析工具,可以得到分析结果，具体见表2所列。

表2 OWAS分析报告

根据工位操作时间,在人体工作仿真过程中,在起始、中间、结束各有一小段时间打分为2,不会对人体舒适性产生较大影响,但在1.1 s处有短暂打分为3,需要进行优化处理。

3.1.2 快速上肢评估法分析

快速上肢评估法(rapid upper limb assessment,RULA)主要针对操作姿势、受力状态以及肌肉施力状况进行分析,以评估上肢肌肉受伤风险[10]。RULA分析方法通过对作业姿势打分的方式,从人体舒适性和安全性角度出发,来判断人体主要工作姿势肌肉的使用、负荷的重量、任务的持续时间和频率是否会引起人体工作效率的下降、疲劳或损伤。

RULA依据分数定义4类等级如下:

(1) 1级(得分1或2)。若不是长时间保持或重复,则是可持续的姿势。

(2) 2级(得分3或4)。需要进一步调查,可能需要更改。

(3) 3级(得分5或6)。尽快进行调查和改变姿势。

(4) 4级(7分及以上)。立刻进行调查并改变姿势。

实时注释的分析数值如图4所示。

图4 实时注释的分析数值

RULA分析打分实时显示,人体在此刻姿势是2分,根据RULA等级表明,若不是长时间保持或重复,则是可持续的姿势。

3.1.3 下背部受力分析

下背部受力分析(lower back analysis,LBA)是分析特定环境下人体脊椎受力对下背部的影响,通过该工具判断人体仿真任务是否符合美国国家职业安全卫生研究所(NIOSH)的标准,以及是否会增加人体下背部受伤风险。下背部分析利用先进复杂的生理学下背部模型,计算L4/L5(第四腰椎、第五腰椎)脊椎处的压力,并将这个压力和NIOSH的极限压力(3 400 N)进行比较[11]。

根据图4实时注释的分析数值显示,LBA分析值为OK,同时打开LBA分析报告表明,在L4/L5脊椎压缩力、前后剪切力、横向剪切力均远小于3 400 N的极限压力值,故本工位人体下背部受伤风险低。

3.2 改进优化

根据上文3种分析工具的评估分析,OWAS分析中出现了需要改进的地方。打开详细的分析报告,找出“问题”姿势pose1-6,确认被拿取物体的质量后,微调取料架高度,使pose1-6的手臂抓取高度降低,然后再次进行OWAS仿真分析。分析结果表明,分值3消失,人体工作姿势分析符合要求。

4 结 论

西门子Tecnomatix软件为变速箱壳体部装半自动工位中设备虚拟装配和人工手动任务的设计提供了有效平台,同时在虚拟场景中借助Human模块强大的仿真分析功能开展进一步的人机工程分析评估。通过OWAS分析、RULA分析、LBA分析报告对工位三维布局进行优化改进,提升了手动任务中人体的舒适性、合理性和安全性,对企业装配生产效率提高、工作受伤风险降低有一定的指导意义。