生產(chǎn)線規(guī)劃中人機工程問題的仿真分析及優(yōu)化

生產(chǎn)線規(guī)劃中人機工程問題的仿真分析及優(yōu)化發(fā)表時間：2012/8/9 林浩 陳明 王玉 來源：萬方數(shù)據(jù)關鍵字：人機工程 生產(chǎn)線規(guī)劃 過程模擬 工藝設計信息化調查找茬投稿收藏評論好文推薦打印社區(qū)分享本文介紹了OWAS、BSHA人機工程分析方法，通過一個實例闡述了西門子Tecnomatix套件中的Process Simulate以及Ptocess Designer在人機工程中的應用，并給出相應的分析報告。探討了如何在生產(chǎn)線規(guī)劃中考慮人機工程問題，為選擇不同生產(chǎn)線規(guī)劃方案提供了新的思路。0 引言 在當今競爭不斷加劇的社會，縮短產(chǎn)品上市時間成為企業(yè)追逐的目標。多功能性、高獨立性和產(chǎn)品的短期設計并制造都給制造系統(tǒng)的規(guī)劃和設計提出了更高的要求，而其中生產(chǎn)線的規(guī)劃是實現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)的關鍵技術問題。無論是設計一條全新的生產(chǎn)線，還是原有生產(chǎn)線上進行改裝，都需要進行一定程度的規(guī)劃工作。裝配線規(guī)劃不合格，不僅會極大地浪費各種生產(chǎn)資源、降低勞動生產(chǎn)率，有時甚至不能按時按量地生產(chǎn)出期望的產(chǎn)品。同時現(xiàn)代企業(yè)對HSE管理愈加重視，并將其視為企業(yè)現(xiàn)代化的標準之一。為了使生產(chǎn)線在早期規(guī)劃階段避免出現(xiàn)人機工程方面的問題，實現(xiàn)較為理想的規(guī)劃設計，研究數(shù)字化生產(chǎn)線環(huán)境下的人機工程方面的問題變得尤為重要。在虛擬環(huán)境下，利用人體模型對生產(chǎn)線總體設計的合理性、工人操作的舒適性、可見性、可達性進行虛擬檢驗，這樣可以對生產(chǎn)線不同的規(guī)劃方案進行評估和篩選，實現(xiàn)優(yōu)化選擇。 本文首先介紹了現(xiàn)有的主流人機工程分析方法，再對仿真分析軟件Process Simulate以及Process Designer進行了一個簡要介紹，然后以某公司一實際生產(chǎn)線為實例，以此來說明Process Simulate與Process Designer在人機工程應用中的實現(xiàn)過程，最后根據(jù)所得到的分析報告對生產(chǎn)線進行修改，并給出優(yōu)化結果。1 人機工程分析理論 目前人機工程研究理論的數(shù)量不斷增多，據(jù)統(tǒng)計結果分析，已使用的人機工程方法超過60種，包括靜態(tài)施力分析、低背受力分析、作業(yè)姿勢分析、視域分析、疲勞恢復分析、舒適度分析、NIOSH分析、RULA姿態(tài)分析、OWAS分析等。下面介紹兩個應用較多的人機工程分析理論。 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)分人工作時的身體姿勢，并依照該姿勢所可能引發(fā)的肌肉骨骼傷害程度予以評定等級，提供研究人員對工作現(xiàn)場進行改善的參考依據(jù)。在日常工作空間設計分析中，OWAS被認為是對各種工作場景的無數(shù)操作姿勢進行人機分析的有效且容易實現(xiàn)的方法，因而在工業(yè)領域得到廣泛的應用。 OWAS主要分析人體背部、手臂、腿部、頭部4個部位的姿勢要素和1個負重要素，然后根據(jù)對上述5項采取編碼的方式，按照特定的排列組合顯示出來。例如2321-1，其編碼方式及含義詳見圖1。通過分析5個要素之間的相互作用，評定人體姿態(tài)的疲勞等級。OWAS將工作姿態(tài)需要改進的緊迫程度、工作姿態(tài)疲勞等級按14進行劃分。其等級分類詳見表1。點擊圖片查看大圖 圖1 OWAS編碼含義 表1 OWAS疲勞等級分類點擊圖片查看大圖1.2 基于人體單手提舉的BSHA分析理論 BSHA(burandt-schultetus hand-arm analysis)通過對人體單手抓舉作業(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分析結果，即人體因素、作業(yè)相關參數(shù)、載荷相關參數(shù)以及實際載荷大小。 (1)人體因素包括工人性別、年齡和受培訓程度，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)相關參數(shù)包括作業(yè)類型（動態(tài)或靜態(tài)）、工作頻率和時間、手臂位置4個方面，決定了靜態(tài)作業(yè)系數(shù)Tatai、手臂自身質量Fa。 (3)載荷相關參數(shù)包括載荷方向、提舉高度、前臂姿勢、上臂與前臂夾角以及手相對于身體的方位5項，它們共同決定了最大可承受載荷的理論值Fmax。 結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)載荷為點擊圖片查看大圖 可承受的動態(tài)載荷為點擊圖片查看大圖 當作業(yè)實際載荷大于Fper時，表明該作業(yè)任務會對人體造成損傷，需要采取相應的改進措施。BSHA工具可以有效地消除單手作業(yè)時的隱患。2 人機工程分析實例 本文以一個實例來說明Process Simulate以及Process Designer在人機工程分析中的實現(xiàn)過程。采用某公司設計的某一生產(chǎn)線上的操作工作為分析研究對象，運用Process Designer對該生產(chǎn)線的工藝資源進行組織管理，運用Procesa Simulate的Human模塊對其進行建模仿真及優(yōu)化。 2.1 系統(tǒng)描述 該生產(chǎn)線并不具備完全的自動化制造能力，很多工位都需要進行手工操作。本文研究的工位組成為5名操作人員、5個工位，如圖2所示。點擊圖片查看大圖 圖2 生產(chǎn)線簡圖 操作工1需將工件從倉儲點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行加工，同時需將工位1中已完成加工的工件從夾具中卸下，并搬運至緩沖點等待加工。操作工25的工作內容與操作工1相似，此處不再詳述。其中各工位上料，下料、加工的時間如表2所示。 表2 各工位操作單元時間點擊圖片查看大圖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對生產(chǎn)線人機工程問題進行研究。Tecnomatix套件為Siemens PLM Software提供的數(shù)字化制造解決方案，通過將制造規(guī)劃包括工藝布局規(guī)劃和設計、工藝過程仿真和驗證到制造執(zhí)行與產(chǎn)品設計連接起來，實現(xiàn)用數(shù)字化的手段驗證產(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)系人機工程問題的研究。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)線和工位的設計、分析、模擬以及優(yōu)化能力。Process Designer則側重于資源、工藝的管理和模擬。其基本實現(xiàn)流程如圖3所示。點擊圖片查看大圖 圖3 實現(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Catia等三維建模軟件建立三維模型，后轉化為cojt或co文件。 (2)構建資源庫。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)的限制和約束關系）。 (3)構建產(chǎn)品樹與產(chǎn)品庫。根據(jù)設計部門提供的BOM表按照一定的層次結構輸入Process Designer中，將產(chǎn)品庫中的零件拖入相應的產(chǎn)品樹中即可。 (4)進行仿真操作前，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“Auto Grasp”以及“Grasp Wizard”完成。 (6)建立行走路徑可實現(xiàn)操作工的自行運動。通過Path Editing完成行走的方向以及行走姿態(tài)。 (7)Process Simulate給人機工程的模擬提供了寬廣的平臺，但是由于實際操作的復雜性，許多人工操作姿勢相當復雜，所以在運用Process Simulate時需要多次修正人體姿態(tài)以適應實際情況。通過Human PoatureaJoint Jog完成人體姿態(tài)的修正。 (8)通過Place Object完成物體的放置工作。 (9)在進行仿真操作設計時，可通過Operation工具欄進行試運行，在確認仿真操作符合生產(chǎn)實際后，進行及時保存，并記錄相應的參數(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，需要對各個操作單元時間進行調整。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)拍時間。 (11)選擇人機工程分析選項并設置參數(shù)。選擇HumanErgonomicsAnalysis Setup，勾選OWAS和BSHA選項，運行仿真程序，可得到相應的報告。本文由于操作工人的工作內容相似，故只單獨對操作工人1進行人機工程分析，得到BSHA、OWAS報告如圖6所示。點擊圖片查看大圖 圖6 操作工1人機工程分析報告 2.3 結果分析優(yōu)化 從上述OWAS報告得知，操作工人1在拾取工件時其姿態(tài)等級為3，說明其身體受到危害；從BSHA報告中得知，操作工人1在其操作過程中，其左、右手實際承受載荷與其極限載荷的比值最高已達到70%：故需對該生產(chǎn)線方案進行修正，通過分析得出造成不良姿勢的原因是由于倉儲點與機床的放置高度偏低?？紤]到生產(chǎn)實際情況，可增加倉儲點與工位1物理高度50cm，得到如圖7所示OWAS報告與BSHA報告。 圖7 生產(chǎn)線改進后操作工1人機工程分析報告 從上述分析報告我們可以得知，操作工人1的姿態(tài)得到很大提高。 本文只針對操作工1所涉及的工位與操作進行了相應修正；實際中將根據(jù)5個操作工人所得的人機工程分析報告進行集中分析，并針對每一數(shù)據(jù)對生產(chǎn)線規(guī)劃進行評估與相應修正。3 結語 本文提及的Process Simulate與Process Designer可以實現(xiàn)人機工程的仿真與分析。然而，任何輔助軟件的實現(xiàn)都是基于一定