生产线规划中人机工程问题的仿真分析及优化

生产线规划中人机工程问题的仿真分析及优化发表时间：2012/8/9 林浩 陈明 王玉 来源：万方数据关键字：人机工程 生产线规划 过程模拟 工艺设计信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享本文介绍了OWAS、BSHA人机工程分析方法，通过一个实例阐述了西门子Tecnomatix套件中的Process Simulate以及Ptocess Designer在人机工程中的应用，并给出相应的分析报告。探讨了如何在生产线规划中考虑人机工程问题，为选择不同生产线规划方案提供了新的思路。0 引言 在当今竞争不断加剧的社会，缩短产品上市时间成为企业追逐的目标。多功能性、高独立性和产品的短期设计并制造都给制造系统的规划和设计提出了更高的要求，而其中生产线的规划是实现最优化生产的关键技术问题。无论是设计一条全新的生产线，还是原有生产线上进行改装，都需要进行一定程度的规划工作。装配线规划不合格，不仅会极大地浪费各种生产资源、降低劳动生产率，有时甚至不能按时按量地生产出期望的产品。同时现代企业对HSE管理愈加重视，并将其视为企业现代化的标准之一。为了使生产线在早期规划阶段避免出现人机工程方面的问题，实现较为理想的规划设计，研究数字化生产线环境下的人机工程方面的问题变得尤为重要。在虚拟环境下，利用人体模型对生产线总体设计的合理性、工人操作的舒适性、可见性、可达性进行虚拟检验，这样可以对生产线不同的规划方案进行评估和筛选，实现优化选择。 本文首先介绍了现有的主流人机工程分析方法，再对仿真分析软件Process Simulate以及Process Designer进行了一个简要介绍，然后以某公司一实际生产线为实例，以此来说明Process Simulate与Process Designer在人机工程应用中的实现过程，最后根据所得到的分析报告对生产线进行修改，并给出优化结果。1 人机工程分析理论 目前人机工程研究理论的数量不断增多，据统计结果分析，已使用的人机工程方法超过60种，包括静态施力分析、低背受力分析、作业姿势分析、视域分析、疲劳恢复分析、舒适度分析、NIOSH分析、RULA姿态分析、OWAS分析等。下面介绍两个应用较多的人机工程分析理论。 1.1 基于人体操作姿态的OWAS分析理论 OWAS(ovako working-posture analyzing system)用于区分人工作时的身体姿势，并依照该姿势所可能引发的肌肉骨骼伤害程度予以评定等级，提供研究人员对工作现场进行改善的参考依据。在日常工作空间设计分析中，OWAS被认为是对各种工作场景的无数操作姿势进行人机分析的有效且容易实现的方法，因而在工业领域得到广泛的应用。 OWAS主要分析人体背部、手臂、腿部、头部4个部位的姿势要素和1个负重要素，然后根据对上述5项采取编码的方式，按照特定的排列组合显示出来。例如2321-1，其编码方式及含义详见图1。通过分析5个要素之间的相互作用，评定人体姿态的疲劳等级。OWAS将工作姿态需要改进的紧迫程度、工作姿态疲劳等级按14进行划分。其等级分类详见表1。点击图片查看大图 图1 OWAS编码含义 表1 OWAS疲劳等级分类点击图片查看大图1.2 基于人体单手提举的BSHA分析理论 BSHA(burandt-schultetus hand-arm analysis)通过对人体单手抓举作业的分析，得出手-手臂系统所能承受的最大允许载荷，与实际载荷做比较，从而得出该单手操作作业是否安全。其中主要有四大方面的因素影响BSHA分析结果，即人体因素、作业相关参数、载荷相关参数以及实际载荷大小。 (1)人体因素包括工人性别、年龄和受培训程度，它们决定了系数P1（男性=1.0，女性或男性&女性=-0.65）、Tlim（2565岁，系数为0.800.65）、P2（平均水平=1.0，较好=1.2，良好=1.4）。 (2)作业相关参数包括作业类型（动态或静态）、工作频率和时间、手臂位置4个方面，决定了静态作业系数Tatai、手臂自身质量Fa。 (3)载荷相关参数包括载荷方向、提举高度、前臂姿势、上臂与前臂夹角以及手相对于身体的方位5项，它们共同决定了最大可承受载荷的理论值Fmax。 结合上述给出的影响因素，工人单手作业可承受最大载荷比值为Fact/Fper；手-手臂系统可承受的静态载荷为点击图片查看大图 可承受的动态载荷为点击图片查看大图 当作业实际载荷大于Fper时，表明该作业任务会对人体造成损伤，需要采取相应的改进措施。BSHA工具可以有效地消除单手作业时的隐患。2 人机工程分析实例 本文以一个实例来说明Process Simulate以及Process Designer在人机工程分析中的实现过程。采用某公司设计的某一生产线上的操作工作为分析研究对象，运用Process Designer对该生产线的工艺资源进行组织管理，运用Procesa Simulate的Human模块对其进行建模仿真及优化。 2.1 系统描述 该生产线并不具备完全的自动化制造能力，很多工位都需要进行手工操作。本文研究的工位组成为5名操作人员、5个工位，如图2所示。点击图片查看大图 图2 生产线简图 操作工1需将工件从仓储点1中拿前一生产线所出产品至工位1，将工件安装至夹具中进行加工，同时需将工位1中已完成加工的工件从夹具中卸下，并搬运至缓冲点等待加工。操作工25的工作内容与操作工1相似，此处不再详述。其中各工位上料，下料、加工的时间如表2所示。 表2 各工位操作单元时间点击图片查看大图2.2 解决方案 本文拟采用Siemens公司的Tecnomatix套件中的Process Designer与Process Simulate对生产线人机工程问题进行研究。Tecnomatix套件为Siemens PLM Software提供的数字化制造解决方案，通过将制造规划包括工艺布局规划和设计、工艺过程仿真和验证到制造执行与产品设计连接起来，实现用数字化的手段验证产品的制造工艺可行性。本文中使用的Proceas Designer以及Process Simulate完成生产系人机工程问题的研究。Process Simulate与Prceas Designer是Tecnomatix套件中的组成软件，Process Simulate提供了从工厂到生产线和工位的设计、分析、模拟以及优化能力。Process Designer则侧重于资源、工艺的管理和模拟。其基本实现流程如图3所示。点击图片查看大图 图3 实现流程图 (1)建立模型。Tecnomatix中所需三维模型格式为cojt或co文件，可先通过Catia等三维建模软件建立三维模型，后转化为cojt或co文件。 (2)构建资源库。通常研究的制造系统是非线性离散化系统，需要在Process Designer中建立产品模型、资源模型（制造设备、原材料等）、工艺模型（工艺规则、制造路线等）以及生产管理模型（系统的限制和约束关系）。 (3)构建产品树与产品库。根据设计部门提供的BOM表按照一定的层次结构输入Process Designer中，将产品库中的零件拖入相应的产品树中即可。 (4)进行仿真操作前，所有数模必须摆放到理想位置，在Process Simulate中通过relocate命令可完成数模的精确定位。定位完成后，效果图如图4所示。点击图片查看大图 图4 生产线仿真效果图 (5)人的抓取操作可通过“Auto Grasp”以及“Grasp Wizard”完成。 (6)建立行走路径可实现操作工的自行运动。通过Path Editing完成行走的方向以及行走姿态。 (7)Process Simulate给人机工程的模拟提供了宽广的平台，但是由于实际操作的复杂性，许多人工操作姿势相当复杂，所以在运用Process Simulate时需要多次修正人体姿态以适应实际情况。通过Human PoatureaJoint Jog完成人体姿态的修正。 (8)通过Place Object完成物体的放置工作。 (9)在进行仿真操作设计时，可通过Operation工具栏进行试运行，在确认仿真操作符合生产实际后，进行及时保存，并记录相应的参数以便后续使用。图5为本例仿真操作完成后的效果图。点击图片查看大图 图5 操作工1仿真效果图(10)在完成仿真操作后，需要对各个操作单元时间进行调整。使用Gantt图可以非常直观地了解各工位各操作工人的工作节拍时间。 (11)选择人机工程分析选项并设置参数。选择HumanErgonomicsAnalysis Setup，勾选OWAS和BSHA选项，运行仿真程序，可得到相应的报告。本文由于操作工人的工作内容相似，故只单独对操作工人1进行人机工程分析，得到BSHA、OWAS报告如图6所示。点击图片查看大图 图6 操作工1人机工程分析报告 2.3 结果分析优化 从上述OWAS报告得知，操作工人1在拾取工件时其姿态等级为3，说明其身体受到危害；从BSHA报告中得知，操作工人1在其操作过程中，其左、右手实际承受载荷与其极限载荷的比值最高已达到70%：故需对该生产线方案进行修正，通过分析得出造成不良姿势的原因是由于仓储点与机床的放置高度偏低。考虑到生产实际情况，可增加仓储点与工位1物理高度50cm，得到如图7所示OWAS报告与BSHA报告。 图7 生产线改进后操作工1人机工程分析报告 从上述分析报告我们可以得知，操作工人1的姿态得到很大提高。 本文只针对操作工1所涉及的工位与操作进行了相应修正；实际中将根据5个操作工人所得的人机工程分析报告进行集中分析，并针对每一数据对生产线规划进行评估与相应修正。3 结语 本文提及的Process Simulate与Process Designer可以实现人机工程的仿真与分析。然而，任何辅助软件的实现都是基于一定