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浅谈人机工程分析软件在虚拟制造中的应用

2016-11-02   总浏览:1383

当今,全球制造企业之间的竞争越来越激烈,决定制造企业全球竞争能力的主要指标是产品的开发时间、质量、成本以及相应的服务。为适应市场瞬息多变的要求,减少成本和周期,各制造企业将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中来。其中“虚拟制造”(Virtual Manufacturing,VM)技术就是最为突出的一种, “虚拟制造”技术能够在产品设计开发的各个阶段把握产品制造过程各个阶段的实况,能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系,以寻求企业整体全局最优效益。通俗点讲“虚拟制造”就是在产品的设计阶段对产品制造全过程进行模拟,找出全阶段可能出现的问题,通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。可以说它是现代制造技术与系统发展的新趋势。

    目前国内外关于虚拟制造理论性的著述较多,而针对于实践应用的文章很少。现对虚拟制造中部分常用软件的实际应用做个经验性小结。

    人机工程分析是虚拟制造系统中比较重要的一个分支。下面将结合—个比较典型实例,介绍一下典型的人机工程分析软件在虚拟制造中的应用。

    Classic Jack软件是虚拟制造中比较常用的电子工具,它是由美国UGS公司开发并推出的,目前版本已发展到5.1版本,与它同出一门的还有大名鼎鼎的Vis Mockup。

    当新产品的初级设计阶段完成,接下来的任务就是由工艺工程师利用Classic Jack虚拟制造车间现场环境和设备,针对产品进行人机工程分析。

    首先打开Jack软件,从已利用Factory CAD等其它电子工具完善的设备库中导出生产车问现场设备环境,如图l所示。

图1操作环境布局

图1操作环境布局

    要做的具体分析是:验证在闭塞空间进行轴承座装配操作的可行性,如图2所示的局部放大图。

图2作业空间放大

图2作业空间放大

    在现场环境虚拟构建完毕后,可先使用软件中Modules菜单下的任务模拟建构器(Task—Simulation-Builter)和动画生成系统(Animation System)来使虚拟环境中的“操作者’’完成整个装配操作过程。Jack软件动画模拟功能的另一重要意义就是可以导出AVI等格式的短片来指导现实中的操作者进行正确的操作。

    在这个装配分析任务中,装配的顺序是:①把螺母拧到已定位的螺栓上;②利用风动扳手在闭塞空间内将螺母锁紧。

    对装配中以上两个重要操作的工作姿势进行分析,首先是手工拧螺母,重新计算并回放操作过程,在动画进行到该操作时通过暂停键将工作姿势定格,姿势的截图如图3所示。

图3手工代紧螺母

图3手工代紧螺母

    操作者在操作过程中受到螺母向下的重力0.245 N和右前臂水平向右的推进作用力0.98 N。然后调用软件Analysis菜单下Task analysis toolkit子菜单下的Ovako Working Posture Analysis命令,按照要求首先选取保持该操作状态的人物模型,接着输入他的负荷(0.245 N的重力和0.98N推进力),并输出分析结果如图4所示。

图4作业姿势分析输出

图4作业姿势分析输出

    当今,全球制造企业之间的竞争越来越激烈,决定制造企业全球竞争能力的主要指标是产品的开发时间、质量、成本以及相应的服务。为适应市场瞬息多变的要求,减少成本和周期,各制造企业将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中来。其中“虚拟制造”(Virtual Manufacturing,VM)技术就是最为突出的一种, “虚拟制造”技术能够在产品设计开发的各个阶段把握产品制造过程各个阶段的实况,能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系,以寻求企业整体全局最优效益。通俗点讲“虚拟制造”就是在产品的设计阶段对产品制造全过程进行模拟,找出全阶段可能出现的问题,通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。可以说它是现代制造技术与系统发展的新趋势。

    目前国内外关于虚拟制造理论性的著述较多,而针对于实践应用的文章很少。现对虚拟制造中部分常用软件的实际应用做个经验性小结。

    人机工程分析是虚拟制造系统中比较重要的一个分支。下面将结合—个比较典型实例,介绍一下典型的人机工程分析软件在虚拟制造中的应用。

    Classic Jack软件是虚拟制造中比较常用的电子工具,它是由美国UGS公司开发并推出的,目前版本已发展到5.1版本,与它同出一门的还有大名鼎鼎的Vis Mockup。

    当新产品的初级设计阶段完成,接下来的任务就是由工艺工程师利用Classic Jack虚拟制造车间现场环境和设备,针对产品进行人机工程分析。

    首先打开Jack软件,从已利用Factory CAD等其它电子工具完善的设备库中导出生产车问现场设备环境,如图l所示。

图1操作环境布局

图1操作环境布局

    要做的具体分析是:验证在闭塞空间进行轴承座装配操作的可行性,如图2所示的局部放大图。

图2作业空间放大

图2作业空间放大

    在现场环境虚拟构建完毕后,可先使用软件中Modules菜单下的任务模拟建构器(Task—Simulation-Builter)和动画生成系统(Animation System)来使虚拟环境中的“操作者’’完成整个装配操作过程。Jack软件动画模拟功能的另一重要意义就是可以导出AVI等格式的短片来指导现实中的操作者进行正确的操作。

    在这个装配分析任务中,装配的顺序是:①把螺母拧到已定位的螺栓上;②利用风动扳手在闭塞空间内将螺母锁紧。

    对装配中以上两个重要操作的工作姿势进行分析,首先是手工拧螺母,重新计算并回放操作过程,在动画进行到该操作时通过暂停键将工作姿势定格,姿势的截图如图3所示。

图3手工代紧螺母

图3手工代紧螺母

    操作者在操作过程中受到螺母向下的重力0.245 N和右前臂水平向右的推进作用力0.98 N。然后调用软件Analysis菜单下Task analysis toolkit子菜单下的Ovako Working Posture Analysis命令,按照要求首先选取保持该操作状态的人物模型,接着输入他的负荷(0.245 N的重力和0.98N推进力),并输出分析结果如图4所示。

图4作业姿势分析输出

图4作业姿势分析输出系统提示:该操作姿势对操作者肌肉和骨骼系统有一定的伤害,但不是极限,系统鼓励调整姿势。这里要说明一下,Jack软件对工作姿势的分析结果分为四个等级,如图4所示刚才的分析结果处于第二等级(位于刻度轴2的上方)就是说有点问题但并不严重;处于第一等级是最优的也是最安全的;如果处于第三等级也是有问题的,系统提示“尽可能快”地纠正到正确的范围;第四等级是最危险的等级,系统会要求马上更改操作。另外可以看到在分析报告中有“Owas(Ovako Working Posture Analysis System)Code:2121”字样体现,其中姿势编码“2121”是依表1所示规则进行的。

表1姿势编码规则表

表1姿势编码规则表

    这个代码规则出自《Louhevaara and Suumakki(1992)》被引用到了Jack OWAS工具中。回过头再审核上面的站立姿势并转换成Owas代码将是:背部=2(向前弯),手臂=1(两个手臂在肩以下),腿=2(双腿垂直站立),负荷=l(少于或等于10kg),合起来就是2121。在工作姿势分析中系统会自动给出当前虚拟人物的姿势代码,但应知道原理。

    接下来是虚拟操作者用风动扳手在闭塞空问内将螺母锁紧操作,在动画进行到该操作时通过暂停键将实时工作姿势定格,姿势的截图如图5所示。

图5利用工具锁紧螺母

图5利用工具锁紧螺母

    操作者在操作过程中受一个手中工具向下的重力19.6 N和右手腕部水平向左的推进作用力49 N。继续调用Ovako Working Posture Analysis命令并输出分析结果,系统依旧提示:该操作姿势对操作者肌肉和骨骼系统有一定的伤害,但不是极限,系统鼓励调整姿势。

    分析至此基本可得一个阶段性的结论:在空间上可以达到装配要求,但由于受设备器具的限制使操作者的工作姿势不完全符合人机工程,通过以前对人机工程的理论知识的理解,长期不同幅度的弯腰操作必定会给操作者带来一定的损伤,故利用软件进行逆向分析后,采取对车间现有工位器具进行调整的方法——将固定生产件的工位器具升高100 mm,使其达到利于操作者操作的范围。

    图6是改造后手工代螺母操作的截图,操作者负荷大小不变但腰部的弯曲可以看到明显减弱,分析报告(图7)的结果也是满意的,达到第一等级。

图6改善后的作业姿势

图6改善后的作业姿势

图7新作业姿势的分析输出

图7新作业姿势的分析输出

    在此基础上再使用同一菜单下的疲劳分析命令Fatigue Analysis,依照要求首先选取保持该操作状态的人物模型,接着按提示输入他的负荷(0.245 N重力和0.98 N推进力),输入从IE工程师那里获得的该项任务的操作时间,并输出分析结果(图8)。

图8疲劳恢复分析输出

图8疲劳恢复分析输出

    系统分析得出手工代每个螺母的疲劳阪复时间是0.157秒,而工业工程部门(IE)给出的宽限时间是0.56秒大于疲劳阪复时间,报告的最终结论:认为该项任务在时间分配上也是合理的。所以说疲劳分析命令是验证操作循环时间是否合理的更科学和方便的工具。

    同样原理,再对使用风动扳手锁螺母的工作姿势分析,分析结果仍是最优的第一等级。疲劳分析结果:恢复时间是0.736秒小于宽限时问1.05秒。经过以上一系列的分析得出最终的结论:在对生产车间部分现有器具进行改造的前提下,在受限制空间内可以手工将螺母代上并利用风动扳手工具进行高效率的锁紧操作,操作符合人机工程学的要求,新产品的结构设计基本合理。

    另外Class Jack除在任务分析上有强大优势,对现场实际操作的指导意义也可见一斑,图9是利用JACK模拟工作姿势指导现场安全操作的一例。

图9模拟与实际对比

图9模拟与实际对比

    通过以上的分析过程不难理解,虚拟制造技术是由许多先进学科和先进知识形成的综合系统技术,其本质是以虚拟现实和计算机仿真技术为前提,对设计、制造等生产过程进行统一建模,实时并行地模拟产品的制造全过程及其对产品设计的影响,预测产品的性能、成本和可制造性,从而更有效、更经济灵活地组织生产制造,合理配置工厂和车间的资源。虚拟制造包括了产品整个生命周期的虚拟设计与制造,它有两层含义:一是通过模拟验证改进优化已存在的产品和制造系统;另一是模拟设计未有的产品和制造系统,在未实现之前进行虚拟设计和生产,以保证一次试制成功。

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