基于数字化工厂仿真技术削减重劳岗位的研究

覃荣 聂道俊 蒋华格 唐飞燕

东风柳州汽车有限公司 广西柳州市 545005

1 引言

进入21 世纪以来，制造企业招工难的问题日益突出。同时伴随00 后进入劳动力大军，新兴的求职人员对工作岗位的选择，不再局限于薪资，而更多关注岗位的发展前景及岗位的劳动强度。舒适轻松的作业强度，现在已经成为新兴求职人员的首要考虑条件之一。因此，怎样改善重劳岗位，降低员工的作业强度，成为先进汽车制造企业主要研究目标之一。

数字化工厂借助信息化与数字化技术，通过集成、仿真分析、控制等手段，可为制造工厂生产全程提供全面管控的一种整体解决方案。以航空、汽车、造船为代表的大型企业，都基本实现了数字化工厂建模。上汽公司、东风日产、奇瑞公司等企业也实现了汽车设计和制造的数字化工厂模拟，并且取得了很好的效果。在这样的背景下，很多汽车企业都在逐步建立数字化工厂模型，同时利用仿真技术，实现对作业岗位模拟，实现作业岗位劳动强度的定量分析判断，从而降低劳动强度。

本研究主要是基于数字化工厂建模，探讨工艺仿真技术在汽车总装车间重劳岗位分析领域的应用，聚焦于员工的重劳操作分析。结合公司应用实例，全面分析重劳岗位仿真模型的建模思路、模型表达方式、软件应用等，结合应用案例分析出重劳岗位仿真技术的价值。

2 基于DELMIA 的重劳岗位分析方法

2.1 仿真软件介绍

目前针对装配重劳岗位主流分析软件分为2 种，一个是西门子数字化软件Tecnomatix，具备工厂、生产线及生产物流过程仿真与优化功能；一个是达索公司的DELMIA，优势在于软件对于仿真结果的渲染效果较为美观，可以不需进行二次渲染处理。DELMIA 软件包含3 个板块的子软件：DPE（DigitalProcessEngineer）、DPM（DigitalProcessManufacture）以及QUEST（物流分析工具）。DPE主要是提供集成产品、资源、工艺管理平台，实现产品、工艺、资源的匹配仿真软件环境；DPM 主要是提供工艺细节、规划、验证仿真软件环境；QUEST 主要是提供生产工艺流程和生产效率仿真的软件环境。

2.2 重劳岗位分析现状

以国内某汽车企业为例，重劳岗位分析主要经历了3 个阶段：

（1）第1 个阶段，基于量产阶段的问题解决。在量产线体试生产阶段的评估判断，结合员工的实际操作反馈，推进问题的改善解决。主要是基于工艺方法、工装、设备的调整改善。（2）第2 个阶段，试制阶段的验证改善。在试制阶段，基于实车评估重劳作业问题，联合设计推动重劳岗位改善。除了工艺领域改善以外，结合产品结构，推动设计进行重劳作业改善，从产品设计角度改善重劳作业。在产品试制阶段可消除大部分重劳作业问题。（3）第3 阶段，在设计阶段的仿真改善。在产品概念阶段，工艺与设计实施同步分析，采用仿真分析软件评价重劳作业岗位。结合企业人体模型及生产线的重劳岗位判断标准，在DELMIA 软件的基础上，开发重劳岗位仿真模型，自动判断重劳作业评价效果。在产品概念阶段就考虑优化设计方案，改善消除重劳作业岗位。

2.3 重劳岗位工艺仿真分析

本研究是在数字化工厂建立的基础上，进行重劳岗位的仿真分析。

2.3.1 数字化工厂建模

基于实体工厂，构建数字化虚拟工厂。含总装2 个线体、设备250 多套，工位器具150 多套，工具800 多套等三维建模，将实体工厂建立成三维模型工厂。如图1 所示。

图1 数字化工厂示意图

2.3.2 人体模型建立

根据工厂作业员工身高数据统计分析表，制定每个操作岗位平均身高模型，具体见装配岗位身高数据统计表，见表1 所示。工艺仿真分析时，结合企业作业岗位身高数据库，选择匹配的人体模型进行工艺仿真。

表1 操作岗位身高统计表（单位：mm）

2.3.3 重劳岗位标准重建

结合企业已经明确的重劳岗位判断标准，含姿势重劳岗位判断标准和负荷重劳岗位判断标准。将公司重劳岗位判断标准重建到DELMIA 软件中，生成企业自身的重劳岗位仿真判断标准。此方式可保证重劳岗位评判一致性及相对合理性，避免人为的主观因素及经验、能力干扰。姿势重劳岗位判断标准示例见表2 所示。

表2 姿势重劳岗位判断标准

2.3.4 仿真逻辑分析

工艺仿真时根据岗位布置位置，选择对应岗位的人体模型；同时基于企业重劳岗位判断标准参数，根据具体作业内容对人体负荷及姿势进行判断。从身体模型各关节参数及负荷参数进行仿真，通过仿真数据与企业标准参数进行比对，最终输出评价结果。

3 实例分析

3.1 仿真过程分析

以某新产品前保险杠总成装配进行仿真分析，建立仿真模型：

（1）按照50JPH 线体产能进行核算，前保险杠总成两侧采用螺栓固定到车身上；（2）结合企业岗位人体模型库，应采用1690mm身高的男性人体；（3）结合岗位工具数据库，采型号为BOSC 12N.m 电枪紧固；（4）模拟现场作业顺序及姿势，以目视看到螺栓，调整人体模型关节参数，确保人体模型手持工具接触到装配螺栓；（5）软件自动输出人体模型各部位关节（含头、颈、背、手、手臂、腿、脚等）角度参数；（6）仿真软件自动与重劳岗位判断标准进行比对，结合生产线体岗位作业频次，综合评定后输出仿真结果。

前保险杠总成装配仿真结果为姿势重劳岗位，其中：姿势评价评分为4+；负荷评价为3 分；综合评价等级为B（属于较高等级）。具体输出结果见图2 所示。

图2 前保险杆总成仿真结果

3.2 改善方案分析

通过仿真工艺分析，前保险杠总成装配姿势重劳岗位主要体现在：（1）身体需要下蹲和屈膝；（2）需要抬手进行作业；这两点导致作业姿势恶化，需重点进行作业改善。姿势改善方案分析：

（1）工艺方面：增加辅助支撑靠背（或是移动小车），员工坐在靠背上可以垂直进行作业，减少下蹲；抬手角度减小。采用此方案，前保险杠左侧（相对车辆前进方向）装配可行；右侧装配需要采用左手装配，需要匹配特殊装配人员，要设为特殊岗。特殊岗技能要求高，不利于岗位人员招聘，结论不可行。（2）设计结构方面：螺栓紧固方式改为卡扣紧固方式，此结构在其他零部件已经采用，结构成熟。同时增加导向结构，员工站立时直接用手拍紧装配。身体无需下蹲和屈膝，同时无需目视。结构分析可实现，方案可行。

产品结构改善后，重新进行仿真分析。姿势评价评分为3；负荷评价为3 分；综合评价等级为C，岗位作业姿势效果改善明显，重劳岗位降低为一般岗位。仿真结果如图3所示。

图3 改善后的工艺仿真结果

3.3 仿真技术应用

通过重劳岗位工艺仿真的运用，建立了与企业作业环境匹配并且独有的人体模型装配姿态3XX 个。方便后续产品的快速引用，提高工作效率。对国内某企业总装车间的26个典型装配岗位进行仿真分析，仿真分析见表3 所示。在产品概念阶段就改善了13 个重劳岗位，其中设计结构优化的岗位5 个，避免了后续的实物变更，效益核算见表4 所示。

表3 典型装配岗位工艺仿真分析

表4 重劳岗位改善效益核算

通过重劳岗位工艺仿真分析，对某企业总装车间装配岗位进行仿真分析，13 个岗位实现了改善，重劳岗位降低50%，重劳岗位指标达到合资企业标杆水平。同时，在产品概念阶段就实现改善，避免在实物阶段进行产品变更，修改模具，评估可以减少97 万元。

4 结语

本研究分析了重劳岗位工艺仿真逻辑及特点，在DELMIA 软件模型基础上，结合企业特点创建适合自身的人体模型及重劳判断标准，实现仿真软件与实际业务的有机结合。通过重劳岗位工艺仿真可以在产品概念阶段有效削减重劳岗位，减少后期产品的设变，降低产品成本，缩短产品量产周期，获得了明显经济效益。

需要指出的是，仿真过程中人体模型的操作，需要仿真人员的工作经验和能力相匹配，这样仿真的结果才能较真实反映装配过程。结合装配不同的场景，创建特定的人体模型是后续装配仿真的重点研究方向，值得共同研究与提高。