吳寧強,王艷霞,周 揚,韓 鈺
(1.西安航空學院汽車檢測工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710077) (2.北京無線電計量測試研究所, 北京 100854) (3.長安大學汽車學院, 陜西 西安 710061)
目前汽車廠大多采用流水線+線邊設備的模式進行汽車的裝配,在高的生產(chǎn)節(jié)拍下,工人的操作舒適性和安全性尤為重要,而汽車生產(chǎn)廠家對這方面的重視度還不夠。本文利用CATIA V5的人體工程學模塊,針對國人的身體特點建立了人體模型[1-4],通過人體作業(yè)姿態(tài)和視覺的虛擬仿真對主要的汽車總裝設備進行分析,積累了一些經(jīng)驗。
CATIA V5集結(jié)了人機工程學研發(fā)的四大模塊:人體測量編輯(human measurements editor,HME)、人體模型姿態(tài)分析(human posture analysis,HPA)、人體模型構(gòu)造(human builder,HBR)、人體模型活動分析(human activity analysis,HAA)。本文建立了“虛擬”人體模型,在虛擬環(huán)境中模擬人機的實際操作過程,根據(jù)需求和不同的百分位數(shù)對人體模型進行實時調(diào)節(jié),用來與不同狀況下的空間尺寸匹配,與傳統(tǒng)的將人機設計和設備設計獨立進行的方法相比,簡化了設計過程,提高了設計效率和質(zhì)量[5-6]。通過分析改進,提高了產(chǎn)品的舒適性。
本文根據(jù)國人的身體特點,建立了人體模型,如圖1所示,同時建立OP70后避震擰緊機模型,后避震擰緊工位為半自動化工位,對其進行人機仿真較為合理,能得出有針對性的結(jié)論。建立的OP70后避震擰緊工位模型如圖2所示。在汽車總裝產(chǎn)品設計前期對操作工人的工作狀態(tài)、人機匹配性、空間合理性布局等展開研究,及時發(fā)現(xiàn)問題,優(yōu)化改進設備。
圖2 后避震擰緊工位模型
在后避震擰緊機設備中導入人體模型,確定模型的初始位置。然后對人體模型進行移動,將人體模型設定在距后避震操作臺一定距離的范圍內(nèi),注意人體走上設備臺面的階梯與地面的實際高度,量化其大小并以此數(shù)據(jù)來對臺階的高度和人體的移動作精準的調(diào)節(jié)[7-8],調(diào)整好的作業(yè)姿態(tài)如圖3所示。
圖3 人體模型與工作臺作業(yè)姿態(tài)
人體模型視覺功能用于仿真人體視野、視線以及人體模型眼部觀測的內(nèi)容,對人的視覺范圍進行分析時,以視覺的5個典型的觀測區(qū)域作為依據(jù),對不同的觀測區(qū)域逐個進行顯示,在顯示視圖中,可以清晰地看到人的眼睛面對設備操作臺時的圖像畫面。如圖4所示。
圖4 人機模型下開啟視覺功能
此畫面模擬工人在真實車間內(nèi)肉眼看到的內(nèi)容,分別為雙眼聯(lián)合觀測區(qū)域、單眼(右眼、左眼)觀測區(qū)域、視覺焦點與盲點區(qū)域等,模擬的結(jié)果如圖5~7所示。
圖5 雙眼聯(lián)合觀測區(qū)域
在單眼視窗的顯示狀態(tài)下,可以在視圖上清晰地看到橢圓區(qū)域的人體視覺盲點區(qū)域和局部放大十字中心點的視覺焦點。
圖6 左、右眼區(qū)域
圖7 視覺焦點與盲點區(qū)域的顯示
視圖上有了視覺焦點和盲點區(qū)域的顯示后,可以依據(jù)人體模型面前的線體及工位設備,直觀地對人體視覺進行對比,判斷哪些設備的設置方位是不合理的,在一定的距離內(nèi)會引起作業(yè)員操作不適、帶來疲勞負荷等,通過模擬仿真的內(nèi)容與結(jié)果,對設備的位置和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)。
為了判斷人體頭部活動的范圍和角度,并進行有效的姿態(tài)分析,對選定的人體對象進行姿勢的仿真編輯,并開啟不同自由度下的動畫視角[9-10]。開啟動畫視角后,其模型顯示如圖8所示。
圖8 編輯姿勢的模型效果圖
將“數(shù)值-預設”調(diào)節(jié)至數(shù)值預設的右或左端點,則可以得到“flexion/extension” (屈/伸運動)自由度下俯視或仰視的最大范圍,如圖9所示,并且可以在HBR模塊中得出相對應的視覺范圍分析結(jié)果。具體顯示如圖10,11所示。
俯視狀態(tài)的視角顯示調(diào)整好后,可以對其進行視覺范圍分析、視覺顯示位置分析和視覺焦點分析等。
圖9 “flexion/extension”(屈/伸運動)自由度下的顯示
圖10 俯視、仰視狀態(tài)下的視角顯示
圖11 俯視、仰視狀態(tài)下的視覺范圍
按上述分析方法,得到人體模型頭部左傾、右傾和左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的視角顯示,從而得到頭部左傾、右傾和左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)情況的視覺范圍。具體如圖12~16所示。
圖12 “l(fā)ateral left/lateral right”(左側(cè)/右側(cè))自由度下的顯示
圖13 左傾、右傾狀態(tài)下的視角顯示
圖15 右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)狀態(tài)下的視角顯示
圖16 右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)狀態(tài)下的視覺范圍
通過分析可知,不同姿態(tài)下視角顯示合理,以此仿真結(jié)果調(diào)整設備的空間布局,改良和優(yōu)化操縱機構(gòu),對設備的設計有很大的價值。不僅可以消除因為視線的遮擋而存在的安全隱患,同時可以減少工作中工人頻繁地扭轉(zhuǎn)頭部的情況,降低了工作的疲勞度,提高了舒適性。
快速上肢評估(rapid upper limb assessment,RULA)可用來考察工人工作中上肢各部分的協(xié)調(diào)性,評估出現(xiàn)上肢動作紊亂的風險。RULA分析結(jié)果如圖17所示,可以直觀地模擬真實車間內(nèi)工人在線體設備作業(yè)時的工作狀態(tài)和身體的負荷參數(shù),進而給出相對客觀的分數(shù)評定,將姿勢分值分為1-2,3-4,5-6,7這4個等級,用于進行分數(shù)比對,從而確定出合理的工作強度,以避免危險作業(yè)姿態(tài)的出現(xiàn)。圖18為“舉起-放下”分析的結(jié)果。
圖17 RULA分析結(jié)果
在HAA中選擇推-拉分析程序,得到的結(jié)果見表1。
表1 推-拉分析結(jié)果 N
圖18 “舉起-放下”分析的結(jié)果
汽車裝配線總成仿真如圖19所示。
圖19 汽車裝配線總成仿真(車身、托盤、線體、人等)
本文通過建立人體模型,以汽車總裝車間的后避震擰緊機為例,進行了作業(yè)姿態(tài)和視覺等方面的仿真,提供了一種對汽車總裝廠工人工作狀態(tài)進行評價的方法。
經(jīng)分析和優(yōu)化,車間的操作位置空間等布置更合理,減少了危險作業(yè)姿勢,人為因素失誤降低,工人職業(yè)病的預防得以保障,并提高了生產(chǎn)精度和效能。本文在實際應用中具有一定的指導意義。
在下一步的研究中,可以進行環(huán)境因素對生理和心理影響的研究,例如噪聲、濕度、溫度等,并與本文的研究因素匯總,從而建立更全面的評價體系。