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面向虚拟装配的作业仿真及工效分析方法研究

张永慧  
【摘要】:经济全球化使得企业间竞争愈发激烈,行业利润不断缩减,制造成本不断变高,企业必须在更短的时间以更低的生产成本提供具有更高质量的新产品才能保持竞争力。机械装配是机械制造过程中的最后一个环节,也是最为重要的环节,是机械制造中最后决定机械产品质量的重要工艺过程。即使是全部合格的零件,如果装配不当,往往也不能形成质量合格的产品。现阶段生产装配方式仍以手工为主,产品生产周期的缩短对装配人员提出了更高的要求。在产品生产装配过程中,不合理的装配工艺及作业环境会影响工作人员的作业状态,造成操作失误和工作效率降低。虚拟装配仿真是预先发现装配过程存在的工艺及人因问题最有效的方法之一,然而目前虚拟装配研究基本上局限于程序控制和物理仿真阶段,很少考虑人的因素,缺少虚拟装配过程中人机交互操作过程的仿真研究。本论文以优化装配方案,指导工人科学作业,提高装配效率为研究目的,围绕装配环境搭建和作业过程仿真,装配作业工效分析评价指标体系的构建,以及面向虚拟装配作业仿真的工效综合评价等关键技术进行了重点研究,并以某机械手的装配作业过程为例,对有数字人参与的作业过程进行仿真和工效分析。论文主要研究内容如下:(1)基于DELMIA数字化仿真平台,构建与真实装配作业车间一致的作业环境;对虚拟装配的工艺特点及装配操作动作进行分析,构建装配作业层次结构图,从而能够更加准确地进行虚拟装配作业仿真和工效分析;通过把装配作业分解到基本作业动素层,最终实现装配作业人员自身运动仿真、作业人员操作工具作业仿真及吊装仿真等,使得装配作业工序的整个过程在虚拟环境中得到实时准确的实现。最后导出装配作业过程动画,可直观的指导工人的装配作业。(2)对目前装配作业过程存在的人因问题进行深入分析,结合虚拟装配环境的特点对虚拟环境下装配作业舒适性的进行定义;在评价指标的选取原则及指标体系构建原则的指导下,提出面向虚拟装配的装配作业工效评估指标体系;针对影响装配作业舒适性的各指标的特点,完成底层各指标定性、定量因素的划分;研究分析各指标的评价实现和评价准则,为装配作业舒适性多级模糊综合评价提供理论基础。(3)基于模糊综合评价方法的理论,建立面向虚拟装配的装配舒适性多指标综合评价方法,应用模糊综合评判方法装配作业过程进行工效分析。完成定性指标量化、定量指标隶属函数的选取及隶属度计算、指标权重的确定,在此基础上利用建立的综合评价模型,以某机械手的装配作业为例,对装配工艺进行工效评价。评价结果表明:当前装配作业舒适度隶属于“较差”这一评价等级的测度最高,因此亟需采取相应的措施进行人因改进。(4)根据目前作业的评价结果,提出改进方案。增加移动货架缩短零件搬运距离来减少体力负荷;采取电动扳手改善手工操作方式等。针对改进后的作业姿势进行重新评价,并与改进前评价结果进行对比,结果表明该方法改善效果明显:避免了大量的人工劳动、缓解累积疲劳,减少了空手行走的距离,提高了装配效率。本论文基于DELMIA数字化仿真平台,对装配过程及工具的交互式操作进行仿真研究,通过建立面向虚拟装配作业仿真的工效综合评价方法,对作业过程进行分析,优化装配方案。本文的研究思路和方法为产品装配工艺设计、作业过程优化和作业环境的改善提供更贴合实际的参考依据和技术支撑,其对竞争日益激烈的国内企业具有十分重要的意义。


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