當(dāng)今，全球制造企業(yè)之間的競爭越來越激烈，決定制造企業(yè)全球競爭能力的主要指標(biāo)是產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間、質(zhì)量、成本以及相應(yīng)的服務(wù)。為適應(yīng)市場瞬息多變的要求，減少成本和周期，各制造企業(yè)將許多新出現(xiàn)的技術(shù)引入到設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域中來。其中“虛擬制造”(Virtual Manufacturing，VM)技術(shù)就是最為突出的一種， “虛擬制造”技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的各個(gè)階段把握產(chǎn)品制造過程各個(gè)階段的實(shí)況，能確實(shí)有效地協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與制造各階段的關(guān)系，以尋求企業(yè)整體全局最優(yōu)效益。通俗點(diǎn)講“虛擬制造”就是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品制造全過程進(jìn)行模擬，找出全階段可能出現(xiàn)的問題，通過設(shè)計(jì)的最優(yōu)化達(dá)到產(chǎn)品的一次性制造成功。可以說它是現(xiàn)代制造技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。

    目前國內(nèi)外關(guān)于虛擬制造理論性的著述較多，而針對于實(shí)踐應(yīng)用的文章很少�，F(xiàn)對虛擬制造中部分常用軟件的實(shí)際應(yīng)用做個(gè)經(jīng)驗(yàn)性小結(jié)。

    人機(jī)工程分析是虛擬制造系統(tǒng)中比較重要的一個(gè)分支。下面將結(jié)合—個(gè)比較典型實(shí)例，介紹一下典型的人機(jī)工程分析軟件在虛擬制造中的應(yīng)用。

    Classic Jack軟件是虛擬制造中比較常用的電子工具，它是由美國UGS公司開發(fā)并推出的，目前版本已發(fā)展到5．1版本，與它同出一門的還有大名鼎鼎的Vis Mockup。

    當(dāng)新產(chǎn)品的初級設(shè)計(jì)階段完成，接下來的任務(wù)就是由工藝工程師利用Classic Jack虛擬制造車間現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備，針對產(chǎn)品進(jìn)行人機(jī)工程分析。

    首先打開Jack軟件，從已利用Factory CAD等其它電子工具完善的設(shè)備庫中導(dǎo)出生產(chǎn)車問現(xiàn)場設(shè)備環(huán)境，如圖l所示。

圖1操作環(huán)境布局

    要做的具體分析是：驗(yàn)證在閉塞空間進(jìn)行軸承座裝配操作的可行性，如圖2所示的局部放大圖。

圖2作業(yè)空間放大

    在現(xiàn)場環(huán)境虛擬構(gòu)建完畢后，可先使用軟件中Modules菜單下的任務(wù)模擬建構(gòu)器(Task—Simulation-Builter)和動畫生成系統(tǒng)(Animation System)來使虛擬環(huán)境中的“操作者’’完成整個(gè)裝配操作過程。Jack軟件動畫模擬功能的另一重要意義就是可以導(dǎo)出AVI等格式的短片來指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中的操作者進(jìn)行正確的操作。

    在這個(gè)裝配分析任務(wù)中，裝配的順序是：①把螺母擰到已定位的螺栓上；②利用風(fēng)動扳手在閉塞空間內(nèi)將螺母鎖緊。

    對裝配中以上兩個(gè)重要操作的工作姿勢進(jìn)行分析，首先是手工擰螺母，重新計(jì)算并回放操作過程，在動畫進(jìn)行到該操作時(shí)通過暫停鍵將工作姿勢定格，姿勢的截圖如圖3所示。

圖3手工代緊螺母

    操作者在操作過程中受到螺母向下的重力0．245 N和右前臂水平向右的推進(jìn)作用力0．98 N。然后調(diào)用軟件Analysis菜單下Task analysis toolkit子菜單下的Ovako Working Posture Analysis命令，按照要求首先選取保持該操作狀態(tài)的人物模型，接著輸入他的負(fù)荷(0．245 N的重力和0．98N推進(jìn)力)，并輸出分析結(jié)果如圖4所示。

圖4作業(yè)姿勢分析輸出

    當(dāng)今，全球制造企業(yè)之間的競爭越來越激烈，決定制造企業(yè)全球競爭能力的主要指標(biāo)是產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間、質(zhì)量、成本以及相應(yīng)的服務(wù)。為適應(yīng)市場瞬息多變的要求，減少成本和周期，各制造企業(yè)將許多新出現(xiàn)的技術(shù)引入到設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域中來。其中“虛擬制造”(Virtual Manufacturing，VM)技術(shù)就是最為突出的一種， “虛擬制造”技術(shù)能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的各個(gè)階段把握產(chǎn)品制造過程各個(gè)階段的實(shí)況，能確實(shí)有效地協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與制造各階段的關(guān)系，以尋求企業(yè)整體全局最優(yōu)效益。通俗點(diǎn)講“虛擬制造”就是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品制造全過程進(jìn)行模擬，找出全階段可能出現(xiàn)的問題，通過設(shè)計(jì)的最優(yōu)化達(dá)到產(chǎn)品的一次性制造成功�？梢哉f它是現(xiàn)代制造技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。

    目前國內(nèi)外關(guān)于虛擬制造理論性的著述較多，而針對于實(shí)踐應(yīng)用的文章很少。現(xiàn)對虛擬制造中部分常用軟件的實(shí)際應(yīng)用做個(gè)經(jīng)驗(yàn)性小結(jié)。

    人機(jī)工程分析是虛擬制造系統(tǒng)中比較重要的一個(gè)分支。下面將結(jié)合—個(gè)比較典型實(shí)例，介紹一下典型的人機(jī)工程分析軟件在虛擬制造中的應(yīng)用。

    Classic Jack軟件是虛擬制造中比較常用的電子工具，它是由美國UGS公司開發(fā)并推出的，目前版本已發(fā)展到5．1版本，與它同出一門的還有大名鼎鼎的Vis Mockup。

    當(dāng)新產(chǎn)品的初級設(shè)計(jì)階段完成，接下來的任務(wù)就是由工藝工程師利用Classic Jack虛擬制造車間現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備，針對產(chǎn)品進(jìn)行人機(jī)工程分析。

    首先打開Jack軟件，從已利用Factory CAD等其它電子工具完善的設(shè)備庫中導(dǎo)出生產(chǎn)車問現(xiàn)場設(shè)備環(huán)境，如圖l所示。

圖1操作環(huán)境布局

    要做的具體分析是：驗(yàn)證在閉塞空間進(jìn)行軸承座裝配操作的可行性，如圖2所示的局部放大圖。

圖2作業(yè)空間放大

    在現(xiàn)場環(huán)境虛擬構(gòu)建完畢后，可先使用軟件中Modules菜單下的任務(wù)模擬建構(gòu)器(Task—Simulation-Builter)和動畫生成系統(tǒng)(Animation System)來使虛擬環(huán)境中的“操作者’’完成整個(gè)裝配操作過程。Jack軟件動畫模擬功能的另一重要意義就是可以導(dǎo)出AVI等格式的短片來指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中的操作者進(jìn)行正確的操作。

    在這個(gè)裝配分析任務(wù)中，裝配的順序是：①把螺母擰到已定位的螺栓上；②利用風(fēng)動扳手在閉塞空間內(nèi)將螺母鎖緊。

    對裝配中以上兩個(gè)重要操作的工作姿勢進(jìn)行分析，首先是手工擰螺母，重新計(jì)算并回放操作過程，在動畫進(jìn)行到該操作時(shí)通過暫停鍵將工作姿勢定格，姿勢的截圖如圖3所示。

圖3手工代緊螺母

    操作者在操作過程中受到螺母向下的重力0．245 N和右前臂水平向右的推進(jìn)作用力0．98 N。然后調(diào)用軟件Analysis菜單下Task analysis toolkit子菜單下的Ovako Working Posture Analysis命令，按照要求首先選取保持該操作狀態(tài)的人物模型，接著輸入他的負(fù)荷(0．245 N的重力和0．98N推進(jìn)力)，并輸出分析結(jié)果如圖4所示。

圖4作業(yè)姿勢分析輸出系統(tǒng)提示：該操作姿勢對操作者肌肉和骨骼系統(tǒng)有一定的傷害，但不是極限，系統(tǒng)鼓勵(lì)調(diào)整姿勢。這里要說明一下，Jack軟件對工作姿勢的分析結(jié)果分為四個(gè)等級，如圖4所示剛才的分析結(jié)果處于第二等級(位于刻度軸2的上方)就是說有點(diǎn)問題但并不嚴(yán)重；處于第一等級是最優(yōu)的也是最安全的；如果處于第三等級也是有問題的，系統(tǒng)提示“盡可能快”地糾正到正確的范圍；第四等級是最危險(xiǎn)的等級，系統(tǒng)會要求馬上更改操作。另外可以看到在分析報(bào)告中有“Owas(Ovako Working Posture Analysis System)Code：2121”字樣體現(xiàn)，其中姿勢編碼“2121”是依表1所示規(guī)則進(jìn)行的。

表1姿勢編碼規(guī)則表

    這個(gè)代碼規(guī)則出自《Louhevaara and Suumakki(1992)》被引用到了Jack OWAS工具中�；剡^頭再審核上面的站立姿勢并轉(zhuǎn)換成Owas代碼將是：背部=2(向前彎)，手臂=1(兩個(gè)手臂在肩以下)，腿=2(雙腿垂直站立)，負(fù)荷=l(少于或等于10kg)，合起來就是2121。在工作姿勢分析中系統(tǒng)會自動給出當(dāng)前虛擬人物的姿勢代碼，但應(yīng)知道原理。

    接下來是虛擬操作者用風(fēng)動扳手在閉塞空問內(nèi)將螺母鎖緊操作，在動畫進(jìn)行到該操作時(shí)通過暫停鍵將實(shí)時(shí)工作姿勢定格，姿勢的截圖如圖5所示。

圖5利用工具鎖緊螺母

    操作者在操作過程中受一個(gè)手中工具向下的重力19．6 N和右手腕部水平向左的推進(jìn)作用力49 N。繼續(xù)調(diào)用Ovako Working Posture Analysis命令并輸出分析結(jié)果，系統(tǒng)依舊提示：該操作姿勢對操作者肌肉和骨骼系統(tǒng)有一定的傷害，但不是極限，系統(tǒng)鼓勵(lì)調(diào)整姿勢。

    分析至此基本可得一個(gè)階段性的結(jié)論：在空間上可以達(dá)到裝配要求，但由于受設(shè)備器具的限制使操作者的工作姿勢不完全符合人機(jī)工程，通過以前對人機(jī)工程的理論知識的理解，長期不同幅度的彎腰操作必定會給操作者帶來一定的損傷，故利用軟件進(jìn)行逆向分析后，采取對車間現(xiàn)有工位器具進(jìn)行調(diào)整的方法——將固定生產(chǎn)件的工位器具升高100 mm，使其達(dá)到利于操作者操作的范圍。

    圖6是改造后手工代螺母操作的截圖，操作者負(fù)荷大小不變但腰部的彎曲可以看到明顯減弱，分析報(bào)告(圖7)的結(jié)果也是滿意的，達(dá)到第一等級。

圖6改善后的作業(yè)姿勢

圖7新作業(yè)姿勢的分析輸出

    在此基礎(chǔ)上再使用同一菜單下的疲勞分析命令Fatigue Analysis，依照要求首先選取保持該操作狀態(tài)的人物模型，接著按提示輸入他的負(fù)荷(0．245 N重力和0．98 N推進(jìn)力)，輸入從IE工程師那里獲得的該項(xiàng)任務(wù)的操作時(shí)間，并輸出分析結(jié)果(圖8)。

圖8疲勞恢復(fù)分析輸出

    系統(tǒng)分析得出手工代每個(gè)螺母的疲勞阪復(fù)時(shí)間是0．157秒，而工業(yè)工程部門(IE)給出的寬限時(shí)間是0．56秒大于疲勞阪復(fù)時(shí)間，報(bào)告的最終結(jié)論：認(rèn)為該項(xiàng)任務(wù)在時(shí)間分配上也是合理的。所以說疲勞分析命令是驗(yàn)證操作循環(huán)時(shí)間是否合理的更科學(xué)和方便的工具。

    同樣原理，再對使用風(fēng)動扳手鎖螺母的工作姿勢分析，分析結(jié)果仍是最優(yōu)的第一等級。疲勞分析結(jié)果：恢復(fù)時(shí)間是0．736秒小于寬限時(shí)問1．05秒。經(jīng)過以上一系列的分析得出最終的結(jié)論：在對生產(chǎn)車間部分現(xiàn)有器具進(jìn)行改造的前提下，在受限制空間內(nèi)可以手工將螺母代上并利用風(fēng)動扳手工具進(jìn)行高效率的鎖緊操作，操作符合人機(jī)工程學(xué)的要求，新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理。

    另外Class Jack除在任務(wù)分析上有強(qiáng)大優(yōu)勢，對現(xiàn)場實(shí)際操作的指導(dǎo)意義也可見一斑，圖9是利用JACK模擬工作姿勢指導(dǎo)現(xiàn)場安全操作的一例。

圖9模擬與實(shí)際對比

    通過以上的分析過程不難理解，虛擬制造技術(shù)是由許多先進(jìn)學(xué)科和先進(jìn)知識形成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，其本質(zhì)是以虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為前提，對設(shè)計(jì)、制造等生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，實(shí)時(shí)并行地模擬產(chǎn)品的制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測產(chǎn)品的性能、成本和可制造性，從而更有效、更經(jīng)濟(jì)靈活地組織生產(chǎn)制造，合理配置工廠和車間的資源。虛擬制造包括了產(chǎn)品整個(gè)生命周期的虛擬設(shè)計(jì)與制造，它有兩層含義：一是通過模擬驗(yàn)證改進(jìn)優(yōu)化已存在的產(chǎn)品和制造系統(tǒng)；另一是模擬設(shè)計(jì)未有的產(chǎn)品和制造系統(tǒng)，在未實(shí)現(xiàn)之前進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，以保證一次試制成功。