生產(chǎn)線規(guī)劃中人機(jī)工程問(wèn)題的仿真分析及優(yōu)化

生產(chǎn)線規(guī)劃中人機(jī)工程問(wèn)題的仿真分析及優(yōu)化發(fā)表時(shí)間：2012/8/9 林浩 陳明 王玉 來(lái)源：萬(wàn)方數(shù)據(jù)關(guān)鍵字：人機(jī)工程 生產(chǎn)線規(guī)劃 過(guò)程模擬 工藝設(shè)計(jì)信息化調(diào)查找茬投稿收藏評(píng)論好文推薦打印社區(qū)分享本文介紹了OWAS、BSHA人機(jī)工程分析方法，通過(guò)一個(gè)實(shí)例闡述了西門(mén)子Tecnomatix套件中的Process Simulate以及Ptocess Designer在人機(jī)工程中的應(yīng)用，并給出相應(yīng)的分析報(bào)告。探討了如何在生產(chǎn)線規(guī)劃中考慮人機(jī)工程問(wèn)題，為選擇不同生產(chǎn)線規(guī)劃方案提供了新的思路。0 引言 在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇的社會(huì)，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間成為企業(yè)追逐的目標(biāo)。多功能性、高獨(dú)立性和產(chǎn)品的短期設(shè)計(jì)并制造都給制造系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提出了更高的要求，而其中生產(chǎn)線的規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。無(wú)論是設(shè)計(jì)一條全新的生產(chǎn)線，還是原有生產(chǎn)線上進(jìn)行改裝，都需要進(jìn)行一定程度的規(guī)劃工作。裝配線規(guī)劃不合格，不僅會(huì)極大地浪費(fèi)各種生產(chǎn)資源、降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，有時(shí)甚至不能按時(shí)按量地生產(chǎn)出期望的產(chǎn)品。同時(shí)現(xiàn)代企業(yè)對(duì)HSE管理愈加重視，并將其視為企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)準(zhǔn)之一。為了使生產(chǎn)線在早期規(guī)劃階段避免出現(xiàn)人機(jī)工程方面的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)較為理想的規(guī)劃設(shè)計(jì)，研究數(shù)字化生產(chǎn)線環(huán)境下的人機(jī)工程方面的問(wèn)題變得尤為重要。在虛擬環(huán)境下，利用人體模型對(duì)生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)的合理性、工人操作的舒適性、可見(jiàn)性、可達(dá)性進(jìn)行虛擬檢驗(yàn)，這樣可以對(duì)生產(chǎn)線不同的規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)估和篩選，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選擇。 本文首先介紹了現(xiàn)有的主流人機(jī)工程分析方法，再對(duì)仿真分析軟件Process Simulate以及Process Designer進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)要介紹，然后以某公司一實(shí)際生產(chǎn)線為實(shí)例，以此來(lái)說(shuō)明Process Simulate與Process Designer在人機(jī)工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后根據(jù)所得到的分析報(bào)告對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行修改，并給出優(yōu)化結(jié)果。1 人機(jī)工程分析理論 目前人機(jī)工程研究理論的數(shù)量不斷增多，據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，已使用的人機(jī)工程方法超過(guò)60種，包括靜態(tài)施力分析、低背受力分析、作業(yè)姿勢(shì)分析、視域分析、疲勞恢復(fù)分析、舒適度分析、NIOSH分析、RULA姿態(tài)分析、OWAS分析等。下面介紹兩個(gè)應(yīng)用較多的人機(jī)工程分析理論。 1.1 基于人體操作姿態(tài)的OWAS分析理論 OWAS(ovako working-posture analyzing system)用于區(qū)分人工作時(shí)的身體姿勢(shì)，并依照該姿勢(shì)所可能引發(fā)的肌肉骨骼傷害程度予以評(píng)定等級(jí)，提供研究人員對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改善的參考依據(jù)。在日常工作空間設(shè)計(jì)分析中，OWAS被認(rèn)為是對(duì)各種工作場(chǎng)景的無(wú)數(shù)操作姿勢(shì)進(jìn)行人機(jī)分析的有效且容易實(shí)現(xiàn)的方法，因而在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 OWAS主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個(gè)部位的姿勢(shì)要素和1個(gè)負(fù)重要素，然后根據(jù)對(duì)上述5項(xiàng)采取編碼的方式，按照特定的排列組合顯示出來(lái)。例如2321-1，其編碼方式及含義詳見(jiàn)圖1。通過(guò)分析5個(gè)要素之間的相互作用，評(píng)定人體姿態(tài)的疲勞等級(jí)。OWAS將工作姿態(tài)需要改進(jìn)的緊迫程度、工作姿態(tài)疲勞等級(jí)按14進(jìn)行劃分。其等級(jí)分類詳見(jiàn)表1。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖1 OWAS編碼含義 表1 OWAS疲勞等級(jí)分類點(diǎn)擊圖片查看大圖1.2 基于人體單手提舉的BSHA分析理論 BSHA(burandt-schultetus hand-arm analysis)通過(guò)對(duì)人體單手抓舉作業(yè)的分析，得出手-手臂系統(tǒng)所能承受的最大允許載荷，與實(shí)際載荷做比較，從而得出該單手操作作業(yè)是否安全。其中主要有四大方面的因素影響B(tài)SHA分析結(jié)果，即人體因素、作業(yè)相關(guān)參數(shù)、載荷相關(guān)參數(shù)以及實(shí)際載荷大小。 (1)人體因素包括工人性別、年齡和受培訓(xùn)程度，它們決定了系數(shù)P1（男性=1.0，女性或男性&女性=-0.65）、Tlim（2565歲，系數(shù)為0.800.65）、P2（平均水平=1.0，較好=1.2，良好=1.4）。 (2)作業(yè)相關(guān)參數(shù)包括作業(yè)類型（動(dòng)態(tài)或靜態(tài)）、工作頻率和時(shí)間、手臂位置4個(gè)方面，決定了靜態(tài)作業(yè)系數(shù)Tatai、手臂自身質(zhì)量Fa。 (3)載荷相關(guān)參數(shù)包括載荷方向、提舉高度、前臂姿勢(shì)、上臂與前臂夾角以及手相對(duì)于身體的方位5項(xiàng)，它們共同決定了最大可承受載荷的理論值Fmax。 結(jié)合上述給出的影響因素，工人單手作業(yè)可承受最大載荷比值為Fact/Fper；手-手臂系統(tǒng)可承受的靜態(tài)載荷為點(diǎn)擊圖片查看大圖 可承受的動(dòng)態(tài)載荷為點(diǎn)擊圖片查看大圖 當(dāng)作業(yè)實(shí)際載荷大于Fper時(shí)，表明該作業(yè)任務(wù)會(huì)對(duì)人體造成損傷，需要采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。BSHA工具可以有效地消除單手作業(yè)時(shí)的隱患。2 人機(jī)工程分析實(shí)例 本文以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明Process Simulate以及Process Designer在人機(jī)工程分析中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。采用某公司設(shè)計(jì)的某一生產(chǎn)線上的操作工作為分析研究對(duì)象，運(yùn)用Process Designer對(duì)該生產(chǎn)線的工藝資源進(jìn)行組織管理，運(yùn)用Procesa Simulate的Human模塊對(duì)其進(jìn)行建模仿真及優(yōu)化。 2.1 系統(tǒng)描述 該生產(chǎn)線并不具備完全的自動(dòng)化制造能力，很多工位都需要進(jìn)行手工操作。本文研究的工位組成為5名操作人員、5個(gè)工位，如圖2所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖2 生產(chǎn)線簡(jiǎn)圖 操作工1需將工件從倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)1中拿前一生產(chǎn)線所出產(chǎn)品至工位1，將工件安裝至夾具中進(jìn)行加工，同時(shí)需將工位1中已完成加工的工件從夾具中卸下，并搬運(yùn)至緩沖點(diǎn)等待加工。操作工25的工作內(nèi)容與操作工1相似，此處不再詳述。其中各工位上料，下料、加工的時(shí)間如表2所示。 表2 各工位操作單元時(shí)間點(diǎn)擊圖片查看大圖2.2 解決方案 本文擬采用Siemens公司的Tecnomatix套件中的Process Designer與Process Simulate對(duì)生產(chǎn)線人機(jī)工程問(wèn)題進(jìn)行研究。Tecnomatix套件為Siemens PLM Software提供的數(shù)字化制造解決方案，通過(guò)將制造規(guī)劃包括工藝布局規(guī)劃和設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程仿真和驗(yàn)證到制造執(zhí)行與產(chǎn)品設(shè)計(jì)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)用數(shù)字化的手段驗(yàn)證產(chǎn)品的制造工藝可行性。本文中使用的Proceas Designer以及Process Simulate完成生產(chǎn)系人機(jī)工程問(wèn)題的研究。Process Simulate與Prceas Designer是Tecnomatix套件中的組成軟件，Process Simulate提供了從工廠到生產(chǎn)線和工位的設(shè)計(jì)、分析、模擬以及優(yōu)化能力。Process Designer則側(cè)重于資源、工藝的管理和模擬。其基本實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖3 實(shí)現(xiàn)流程圖 (1)建立模型。Tecnomatix中所需三維模型格式為cojt或co文件，可先通過(guò)Catia等三維建模軟件建立三維模型，后轉(zhuǎn)化為cojt或co文件。 (2)構(gòu)建資源庫(kù)。通常研究的制造系統(tǒng)是非線性離散化系統(tǒng)，需要在Process Designer中建立產(chǎn)品模型、資源模型（制造設(shè)備、原材料等）、工藝模型（工藝規(guī)則、制造路線等）以及生產(chǎn)管理模型（系統(tǒng)的限制和約束關(guān)系）。 (3)構(gòu)建產(chǎn)品樹(shù)與產(chǎn)品庫(kù)。根據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)提供的BOM表按照一定的層次結(jié)構(gòu)輸入Process Designer中，將產(chǎn)品庫(kù)中的零件拖入相應(yīng)的產(chǎn)品樹(shù)中即可。 (4)進(jìn)行仿真操作前，所有數(shù)模必須擺放到理想位置，在Process Simulate中通過(guò)relocate命令可完成數(shù)模的精確定位。定位完成后，效果圖如圖4所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖4 生產(chǎn)線仿真效果圖 (5)人的抓取操作可通過(guò)“Auto Grasp”以及“Grasp Wizard”完成。 (6)建立行走路徑可實(shí)現(xiàn)操作工的自行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)Path Editing完成行走的方向以及行走姿態(tài)。 (7)Process Simulate給人機(jī)工程的模擬提供了寬廣的平臺(tái)，但是由于實(shí)際操作的復(fù)雜性，許多人工操作姿勢(shì)相當(dāng)復(fù)雜，所以在運(yùn)用Process Simulate時(shí)需要多次修正人體姿態(tài)以適應(yīng)實(shí)際情況。通過(guò)Human PoatureaJoint Jog完成人體姿態(tài)的修正。 (8)通過(guò)Place Object完成物體的放置工作。 (9)在進(jìn)行仿真操作設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)Operation工具欄進(jìn)行試運(yùn)行，在確認(rèn)仿真操作符合生產(chǎn)實(shí)際后，進(jìn)行及時(shí)保存，并記錄相應(yīng)的參數(shù)以便后續(xù)使用。圖5為本例仿真操作完成后的效果圖。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖5 操作工1仿真效果圖(10)在完成仿真操作后，需要對(duì)各個(gè)操作單元時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。使用Gantt圖可以非常直觀地了解各工位各操作工人的工作節(jié)拍時(shí)間。 (11)選擇人機(jī)工程分析選項(xiàng)并設(shè)置參數(shù)。選擇HumanErgonomicsAnalysis Setup，勾選OWAS和BSHA選項(xiàng)，運(yùn)行仿真程序，可得到相應(yīng)的報(bào)告。本文由于操作工人的工作內(nèi)容相似，故只單獨(dú)對(duì)操作工人1進(jìn)行人機(jī)工程分析，得到BSHA、OWAS報(bào)告如圖6所示。點(diǎn)擊圖片查看大圖 圖6 操作工1人機(jī)工程分析報(bào)告 2.3 結(jié)果分析優(yōu)化 從上述OWAS報(bào)告得知，操作工人1在拾取工件時(shí)其姿態(tài)等級(jí)為3，說(shuō)明其身體受到危害；從BSHA報(bào)告中得知，操作工人1在其操作過(guò)程中，其左、右手實(shí)際承受載荷與其極限載荷的比值最高已達(dá)到70%：故需對(duì)該生產(chǎn)線方案進(jìn)行修正，通過(guò)分析得出造成不良姿勢(shì)的原因是由于倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)與機(jī)床的放置高度偏低。考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況，可增加倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)與工位1物理高度50cm，得到如圖7所示OWAS報(bào)告與BSHA報(bào)告。 圖7 生產(chǎn)線改進(jìn)后操作工1人機(jī)工程分析報(bào)告 從上述分析報(bào)告我們可以得知，操作工人1的姿態(tài)得到很大提高。 本文只針對(duì)操作工1所涉及的工位與操作進(jìn)行了相應(yīng)修正；實(shí)際中將根據(jù)5個(gè)操作工人所得的人機(jī)工程分析報(bào)告進(jìn)行集中分析，并針對(duì)每一數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)線規(guī)劃進(jìn)行評(píng)估與相應(yīng)修正。3 結(jié)語(yǔ) 本文提及的Process Simulate與Process Designer可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程的仿真與分析。然而，任何輔助軟件的實(shí)現(xiàn)都是基于一定