韓 磊，付建林，李 冉，郭美玲,楊 龍

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

0 引言

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品零部件眾多，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，裝配質(zhì)量要求很高。由于技術(shù)的原因，目前各主機(jī)廠轉(zhuǎn)向架裝配制造尚不能做到完全自動(dòng)化裝配，大量工人參與到了轉(zhuǎn)向架的組裝裝配過(guò)程中，存在大量手工操作，如何對(duì)包含大量人工作業(yè)的轉(zhuǎn)向架裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)提高轉(zhuǎn)向架的制造質(zhì)量和效率十分關(guān)鍵。

有學(xué)者對(duì)裝配過(guò)程中人機(jī)工程進(jìn)行了研究：熊晶[1]對(duì)高速列車裝配過(guò)程中制動(dòng)管安裝工序的不良人機(jī)工效作業(yè)分析并進(jìn)行了改善。周鳳[2]基于模糊評(píng)價(jià)模型,提出一套基于人機(jī)工程的可裝配性評(píng)價(jià)方案，并對(duì)某航空產(chǎn)品裝配進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。陳平[3]采用人機(jī)工程學(xué)評(píng)估方法,對(duì)汽車總裝工藝的典型人機(jī)裝配工序進(jìn)行仿真分析，避免了生產(chǎn)過(guò)程中人機(jī)裝配不良的問(wèn)題。尹良[4]進(jìn)行了定量和定性的人機(jī)工效分析，包括體力勞動(dòng)強(qiáng)度分析、姿勢(shì)分析、RULA分析等。李彤[5]采用Delmia人機(jī)模塊對(duì)某登陸艇導(dǎo)管裝配過(guò)程中的可視可達(dá)性、可操作性、舒適性等進(jìn)行了分析優(yōu)化。張永慧[6]以某機(jī)械手的裝配作業(yè)過(guò)程為例，建立面向虛擬裝配作業(yè)工效評(píng)估指標(biāo)體系和裝配舒適性多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行分析和優(yōu)化。王巍[7]、王建芳[8]、徐慧澤[9]、張喆[10]等利用DELMIA進(jìn)行人機(jī)工程仿真、分析和評(píng)估。

通過(guò)人機(jī)工程仿真可以對(duì)人機(jī)作業(yè)裝配過(guò)程進(jìn)行分析與評(píng)估，但尚未有學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)向架裝配中的人機(jī)工程問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性研究，本文將人機(jī)工程仿真與虛擬裝配仿真技術(shù)相結(jié)合，對(duì)轉(zhuǎn)向架裝配過(guò)程進(jìn)行仿真，從人機(jī)工程角度檢測(cè)與分析裝配制造過(guò)程中存在的問(wèn)題，在實(shí)際裝配前就可以對(duì)轉(zhuǎn)向架裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 面向人機(jī)工程的轉(zhuǎn)向架虛擬裝配實(shí)現(xiàn)方法

面向人機(jī)工程的轉(zhuǎn)向架虛擬裝配就是在虛擬裝配仿真的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程仿真，在仿真中引入人機(jī)工程分析技術(shù), 模擬工人裝配過(guò)程中的操作活動(dòng),并對(duì)工人的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)試和分析，達(dá)索Delmia軟件平臺(tái)下DPM模塊可以實(shí)現(xiàn)虛擬裝配仿真，而其下Ergonomic人機(jī)工程模塊又提供了Human系列子模塊，可以實(shí)現(xiàn)工人任務(wù)仿真、工人活動(dòng)分析、人體建模、姿態(tài)分析等功能，因此基于Delmia很方便實(shí)現(xiàn)面向人機(jī)工程的轉(zhuǎn)向架虛擬裝配仿真，其實(shí)施方法如圖1所示。

圖1 面向人機(jī)工程的轉(zhuǎn)向架虛擬裝配實(shí)現(xiàn)方法

首先，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架虛擬裝配場(chǎng)景建模，在Delmia軟件中，應(yīng)用DPM模塊導(dǎo)入裝配資源、產(chǎn)品、工裝工具，建立虛擬工人模型，按照實(shí)際布局建立轉(zhuǎn)向架虛擬裝配環(huán)境；接著，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架裝配過(guò)程人機(jī)仿真，采用Human Task Simulation人機(jī)任務(wù)仿真模塊設(shè)定工人完成轉(zhuǎn)向架零部件裝配操作過(guò)程中的作業(yè)行為，設(shè)定人機(jī)任務(wù)，進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)仿真與人體姿態(tài)仿真，完成轉(zhuǎn)向架裝配工藝過(guò)程人機(jī)仿真；然后，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架裝配人機(jī)工程分析，利用Human Activity Analysis人機(jī)活動(dòng)分析模塊對(duì)工人各種典型作業(yè)姿態(tài)和裝配行為進(jìn)行分析，驗(yàn)證可視性、可達(dá)性、工作時(shí)間分析、RULA姿態(tài)分析等；最后，根據(jù)人機(jī)工程分析結(jié)果，如果不合格則需要對(duì)裝配資源布局進(jìn)行調(diào)整，或?qū)ρb配工藝過(guò)程進(jìn)行調(diào)整，再次進(jìn)行裝配過(guò)程人機(jī)仿真及人機(jī)工程分析，此過(guò)程可以多次循環(huán)進(jìn)行，直到人機(jī)工程分析結(jié)果達(dá)到滿意為止，最終實(shí)現(xiàn)在虛擬轉(zhuǎn)向架裝配環(huán)境中的人機(jī)裝配工藝的改善。

2 轉(zhuǎn)向架裝配人機(jī)仿真實(shí)例

2.1 轉(zhuǎn)向架虛擬裝配場(chǎng)景建模

轉(zhuǎn)向架裝配線的設(shè)備資源及布局如圖2所示，裝配線包含6個(gè)工位，各個(gè)工位上的裝配工藝內(nèi)容和涉及到的裝配資源如表1 所示。裝配設(shè)備包括：3個(gè)構(gòu)架舉升機(jī)、1個(gè)構(gòu)架翻轉(zhuǎn)機(jī)、1個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)、1個(gè)AGV、1個(gè)落成臺(tái)、1個(gè)測(cè)量臺(tái)等設(shè)備。其中立體倉(cāng)庫(kù)存放所有待安裝的零部件，AGV從立體倉(cāng)庫(kù)往各個(gè)工位上送料。

表1 轉(zhuǎn)向架裝配線制造工藝

采用Catia軟件對(duì)各類裝配資源包括裝配設(shè)備、物流設(shè)備、各類工裝、工具模型等進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入Delmia 中，按照實(shí)際布局對(duì)各類裝配資源模型進(jìn)行布置。此外采用Human Builder 子模塊建立虛擬工人模型，設(shè)置人體屬性參數(shù)，調(diào)節(jié)人體模型和工作空間，同時(shí)還需建立各類人體姿勢(shì)，包括默認(rèn)姿勢(shì)、標(biāo)準(zhǔn)立姿、標(biāo)準(zhǔn)坐姿、伸展姿勢(shì)、標(biāo)準(zhǔn)跪姿及自定義姿勢(shì)，最后導(dǎo)入轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品及零部件模型，形成由工人、裝配資源、產(chǎn)品組成的轉(zhuǎn)向架虛擬裝配場(chǎng)景。

圖2 轉(zhuǎn)向架虛擬裝配場(chǎng)景

2.2 轉(zhuǎn)向架裝配過(guò)程人機(jī)仿真

根據(jù)轉(zhuǎn)向架裝配工藝過(guò)程，擬出每一步裝配工序中工人的數(shù)量、使用工具、作業(yè)任務(wù)，據(jù)此設(shè)定工人的操作任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)工人的人體運(yùn)動(dòng)仿真和人體姿態(tài)仿真。利用人機(jī)任務(wù)仿真Human Task Simulation 模塊指定工人在完成轉(zhuǎn)向架零部件裝配操作過(guò)程中的作業(yè)行為，此模塊提供了一些基本的人體動(dòng)作,如走路、搬運(yùn)、抓取、抬舉等，可進(jìn)行基本的裝配動(dòng)作設(shè)定，而對(duì)于一些更復(fù)雜的裝配動(dòng)作，可先利用模塊中的Human Posture和Posture Editor工具欄創(chuàng)建虛擬人的各類基本姿態(tài)，再依靠關(guān)鍵幀融合技術(shù)，將基本動(dòng)作串聯(lián)組合起來(lái)可創(chuàng)建出任何復(fù)雜的裝配動(dòng)作。將工人各類裝配動(dòng)作連接起來(lái)，可模擬出裝配過(guò)程中復(fù)雜的人體運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工人裝配過(guò)程的仿真，圖3對(duì)兩個(gè)工人配合安裝抗側(cè)滾扭桿進(jìn)行仿真。

若在仿真過(guò)程中工人肢體或操作工具與轉(zhuǎn)向架零部件發(fā)生干涉,仿真會(huì)自動(dòng)停止,并以顏色標(biāo)識(shí)出干涉位置,便于即時(shí)作出裝配工藝修正，利用這種方法可以消除整個(gè)仿真過(guò)程中的碰撞干涉問(wèn)題,保障轉(zhuǎn)向架裝配過(guò)程順利進(jìn)行。

圖3 抗側(cè)滾扭桿安裝

2.3 轉(zhuǎn)向架裝配人機(jī)工程分析

主要通過(guò)Human Activity Analysis人機(jī)活動(dòng)分析模塊對(duì)工人裝配過(guò)程中的動(dòng)作姿態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)工作時(shí)間分析、RULA姿態(tài)分析，驗(yàn)證視野可視性、操作可達(dá)性等。

2.3.1 人機(jī)分析優(yōu)化原則

針對(duì)轉(zhuǎn)向架裝配，盡量按照以下原則調(diào)整解決不良人工作業(yè)問(wèn)題：

(1)按照裝配時(shí)人員所處的位置、使用工具的狀態(tài)以及作業(yè)姿勢(shì)，并根據(jù)人體尺寸量度，提供合理的作業(yè)空間，使操作人員保持較合理的作業(yè)姿態(tài)，最大程度滿足人體作業(yè)的舒適性，盡量減少或避免以跪、蹲、臥、趴等容易疲勞或致傷的姿勢(shì)進(jìn)行作業(yè)。

(2)確保工人裝配作業(yè)中的推拉、搬運(yùn)、提舉和放置等操作在人體力量限度以內(nèi)，防止操作人員由于瞬時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大而致傷。

(3)保持操作人員在整個(gè)工作日中的工作負(fù)荷和難度適當(dāng)，以保證操作人員的持續(xù)工作能力、裝配質(zhì)量和工作效率。

(4)在工人裝配過(guò)程中應(yīng)盡量使裝配操作能單手或一人進(jìn)行，盡可能避免需要雙手或多人參與的操作。

2.3.2 人機(jī)工作時(shí)間分析

對(duì)工人每個(gè)作業(yè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)所包含的作業(yè)活動(dòng)確定工作時(shí)間值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工人裝配操作的工作時(shí)間分析，并能對(duì)各個(gè)作業(yè)活動(dòng)進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化處理，包括工人作業(yè)時(shí)間的串行、并行、合并、分解、取消等，以得到最合理的整體作業(yè)時(shí)間。

圖4為某工人裝配轉(zhuǎn)向架的工作時(shí)間Gantt圖，該工人作業(yè)時(shí)間為10.970～36.057min，各單項(xiàng)作業(yè)時(shí)間在Gantt圖中能清晰的表示。

圖4 轉(zhuǎn)向架裝配人機(jī)作業(yè)時(shí)間Gantt圖

2.3.3 可視可達(dá)性分析

人機(jī)工程在裝配仿真中可以完成裝配可達(dá)性、裝配可視性檢驗(yàn)，裝配可達(dá)性主要分析手臂在三維空間中的活動(dòng)空間范圍，判斷零部件裝配位置是否在工人裝配操作范圍內(nèi)，裝配可視性通過(guò)顯示人體模型視野景象，分析待裝配零部件的位置是否在工人視野范圍內(nèi)，可視可達(dá)性分析包括三個(gè)方面：

(1)實(shí)體可達(dá)：工人應(yīng)能夠接觸目標(biāo)工件，通過(guò)干涉能夠反映工人是否接觸到目標(biāo)裝配零部件；

(2)視覺(jué)可達(dá)：工人應(yīng)能夠看得到目標(biāo)工件以及自己的操作動(dòng)作，如在目視情況下進(jìn)行的視覺(jué)定位動(dòng)作、連續(xù)動(dòng)作、逐次動(dòng)作和反復(fù)動(dòng)作等；

(3)作業(yè)空間可達(dá)：工人能夠有足夠的操作空間，根據(jù)人體尺寸設(shè)計(jì)，作業(yè)空間應(yīng)大于人體最小作業(yè)空間。

圖5為工人安裝安全銷時(shí)其視野可視性分析。

圖5 安裝安全銷可視性分析

2.3.4 RULA 分析

從人體舒適性和安全性角度出發(fā)，對(duì)主要的作業(yè)姿勢(shì)如舉起、放置、推拉、搬運(yùn)等作業(yè)姿勢(shì)進(jìn)行分析，判斷操作人員是否能處于并保持最佳姿勢(shì)進(jìn)行作業(yè)，判斷作業(yè)是否會(huì)引起人員工作效率下降、疲勞或損傷。采用快速上肢評(píng)價(jià)(Rapid Upper Limb Assessment, RULA)方法進(jìn)行衡量， RULA分析通過(guò)對(duì)工人的某個(gè)整體姿態(tài)以及身體各部位姿態(tài)打分, 從而判斷該姿勢(shì)是否可以被接受。通過(guò)相關(guān)規(guī)則進(jìn)行評(píng)價(jià)與打分，分?jǐn)?shù)在得分欄內(nèi)顯示，也可通過(guò)工人軀干彩色塊進(jìn)行顯示，RULA評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及彩色塊意義如下：

1-2分(綠色)：表示如果不是長(zhǎng)期維持或重復(fù)此姿勢(shì)，則該姿勢(shì)是可以接受的；

3-4分(黃色)：表示需要進(jìn)一步研究，該姿勢(shì)可能需要改變；

5-6分(橙色)：表示要盡快研究和改變姿勢(shì)；

7分(紅色)：表示要馬上研究并立即改變姿勢(shì)。

圖6為工人安裝空氣彈簧時(shí)的RULA分析，6分及橙色表明其作業(yè)姿態(tài)要盡快調(diào)整。

圖6 空氣彈簧安裝RULA分析(6分)

3 結(jié)論

將虛擬裝配仿真與人機(jī)工程仿真技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)Delmia軟件建立了面向人機(jī)工程的轉(zhuǎn)向架虛擬裝配環(huán)境，按照轉(zhuǎn)向架零部件裝配工序，建立了人機(jī)裝配作業(yè)任務(wù)仿真，并對(duì)工作時(shí)間、可視性、可達(dá)性、RULA舒適度等人機(jī)工程指標(biāo)進(jìn)行了分析，從人機(jī)工程角度對(duì)轉(zhuǎn)向架裝配工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，案例實(shí)施證明了該方法可在實(shí)際裝配前優(yōu)化裝配工藝，縮短裝配制造周期，降低了制造成本。