基于人因仿真的臥式加工中心裝夾操作舒適性評(píng)價(jià)方法*

彭衛(wèi)平，王 慶，雷 金，張秋華，胡向陽(yáng)

(武漢大學(xué) 流體機(jī)械與動(dòng)力工程裝備技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引言

目前，大型臥式加工中心已被廣泛應(yīng)用于箱體類、盤類、板件及模具類等復(fù)雜零件的精密加工，是航天、航空、模具等精密零件加工的基礎(chǔ)設(shè)備[1-2]。其中裝夾操作是機(jī)加工操作的重要環(huán)節(jié)，由于工件結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，裝夾操作當(dāng)前還無法完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作；此外，大型臥式加工中心因工作臺(tái)位置及尺寸，操作者裝拆工件時(shí)往往需要反復(fù)進(jìn)入機(jī)床封閉空間內(nèi)操作，這樣長(zhǎng)期操作將會(huì)給操作者帶來肌肉損傷或身體不適等問題[3-4]，所以需要深入開展裝夾操作舒適性研究。

操作舒適性是指在保證順利操作的前提下，操作省力、姿勢(shì)合理、避免身體不適和操作疲勞，它是臥式加工中心人機(jī)性能的重要評(píng)價(jià)因素，是以人為中心的現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)理念的重要內(nèi)容。良好的操作舒適性不僅能夠緩解操作者肌肉疲勞，有效預(yù)防操作者職業(yè)病的發(fā)生，還能夠提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[5]?，F(xiàn)有的機(jī)床操作舒適性研究主要集中在控制面板操作以及相關(guān)姿勢(shì)舒適度方面[6-8]。評(píng)價(jià)方法多是采用模糊層次方法對(duì)機(jī)床整機(jī)[9-11]、潛艇[12]或銑刀[13]等對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[14]采用人因仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的裝配序列進(jìn)行建模與評(píng)價(jià)。對(duì)于現(xiàn)有操作舒適性評(píng)價(jià)多需要實(shí)物樣機(jī)的支持，開發(fā)周期長(zhǎng)且成本高；評(píng)價(jià)體系中主要還是依靠專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)分，缺乏嚴(yán)格科學(xué)依據(jù)；此外，僅從關(guān)節(jié)角度或操作姿勢(shì)方面難以全面揭示出機(jī)床操作的不舒適性。目前還鮮有從機(jī)床結(jié)構(gòu)尺寸、裝夾任務(wù)要求以及人的生理和心理特點(diǎn)出發(fā)，綜合評(píng)價(jià)臥式加工中心裝夾操作舒適性的報(bào)道。

為了減少作業(yè)疲勞，降低動(dòng)作強(qiáng)度，提高工作效率以獲得舒適的裝夾操作，本文提出了基于人因仿真的人-機(jī)-環(huán)多因素裝夾操作多層次模糊評(píng)價(jià)方法。建立了臥式加工中心裝夾操作舒適性評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建了綜合評(píng)價(jià)模型；以Jack虛擬人體模型結(jié)合人體姿勢(shì)、受力條件等因素進(jìn)行全面裝夾操作舒適度的分析；以國(guó)產(chǎn)臥式加工中心630HF為例進(jìn)行了操作舒適性的綜合評(píng)價(jià)分析，并驗(yàn)證了該方法的有效性，為國(guó)產(chǎn)臥式加工中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升提供技術(shù)支持。

1 裝夾操作舒適性的影響因素分析

為了全面地考慮各個(gè)因素的影響，根據(jù)人機(jī)學(xué)的基本原理，按照“人-機(jī)-環(huán)”將影響因素分為以下三類：機(jī)床結(jié)構(gòu)因素，人體機(jī)能因素，環(huán)境因素。

(1)機(jī)床結(jié)構(gòu)因素。機(jī)床結(jié)構(gòu)缺乏人性化設(shè)計(jì)會(huì)影響裝夾操作。機(jī)床門下?lián)醢咫x站立平面(地面或腳踏板)過高會(huì)導(dǎo)致操作者跨入困難；機(jī)床內(nèi)部門邊緣無適合站立的平面會(huì)導(dǎo)致操作者跨入機(jī)床后站立不穩(wěn)。在安裝工件時(shí)，如果工作臺(tái)離操作者站立平面距離過遠(yuǎn)，操作者將無法完成手動(dòng)裝夾工作；高度過高或過低，操作者則會(huì)在不舒適的姿勢(shì)下完成裝夾操作。

(2)人體機(jī)能因素。由于工件裝夾一般需要操作者施力才能順利完成，而人體不像機(jī)械能無限度地不停工作，其各項(xiàng)身體機(jī)能是有一定限度的。主要包括：操作力限制，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制，肌肉受力限制，勞動(dòng)強(qiáng)度限制等。

(3)環(huán)境因素。影響裝夾舒適性的環(huán)境因素主要包括溫度和照明。工作環(huán)境溫度過高或者過低都會(huì)使操作者感到不適。光照不足會(huì)使加工效率變慢，加工精度變低，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致操作者反復(fù)仔細(xì)觀察，引起眼部疲勞。光照過強(qiáng)則會(huì)造成炫目，致使操作者無法看清加工對(duì)象，同時(shí)會(huì)刺傷其眼睛。

2 裝夾操作舒適性的分析框架

如圖1所示，基于人因仿真的臥式加工中心裝夾操作舒適性評(píng)價(jià)體系包括舒適性影響因素分析系統(tǒng)，舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，舒適性人因仿真分析系統(tǒng)。影響因素分析系統(tǒng)是評(píng)價(jià)系統(tǒng)和人因仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)；裝夾操作舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)以人機(jī)學(xué)和評(píng)價(jià)學(xué)對(duì)臥式加工中心操作舒適性問題進(jìn)行了科學(xué)的系統(tǒng)性分析；人因仿真分析系統(tǒng)通過仿真分析獲取相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的仿真數(shù)據(jù)，為舒適性評(píng)價(jià)系統(tǒng)提供重要數(shù)據(jù)來源。

圖1 臥式加工中心裝夾舒適性評(píng)價(jià)體系框圖

3 裝夾操作舒適性評(píng)價(jià)模型

3.1 舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)

結(jié)合裝夾操作過程和舒適性要求，將影響大型臥式加工中心工件裝夾操作舒適性的因素主要分為兩大類：生理因素(B)和心理因素(P)，如圖2所示。并將兩類一級(jí)指標(biāo)進(jìn)一步劃分為二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)。然后通過查找文獻(xiàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)要求。

圖2 臥式加工中心裝夾舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

舒適性生理因素主要是指與人的身體結(jié)構(gòu)，身體尺寸，身體機(jī)能，肌肉耐受度等相關(guān)的因素，主要包括可達(dá)性B1(身體尺寸)，操作力B2(肌肉耐受度)，操作姿勢(shì)B3(關(guān)節(jié)耐受度)，工作任務(wù)B4(身體機(jī)能)。舒適性心理因素主要是指與人的意識(shí)感受相關(guān)的因素，主要包括環(huán)境因素P1和心理空間因素P2。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次法來確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。臥式加工中心裝夾舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定過程如下：

(1)分析待評(píng)價(jià)問題。將待評(píng)價(jià)問題分解為若干相關(guān)的評(píng)價(jià)因素，然后根據(jù)這些因素之間的相關(guān)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行主次分析，確定各個(gè)因素之間的隸屬關(guān)系。

(2)構(gòu)建評(píng)價(jià)模型。根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的隸屬關(guān)系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。臥式加工中心人機(jī)學(xué)評(píng)價(jià)模型按圖2所示結(jié)構(gòu)構(gòu)建。

(3)建立比較判別矩陣。根據(jù)各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于上級(jí)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度，對(duì)所有同級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩重要度分析，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度比值矩陣，即為判別矩陣。由于九級(jí)標(biāo)度法標(biāo)度區(qū)分過細(xì)，往往會(huì)出現(xiàn)兩指標(biāo)之間重要程度無法明確界定或當(dāng)某一層評(píng)價(jià)指標(biāo)過多時(shí)會(huì)存在邏輯錯(cuò)誤的情況，因此將評(píng)價(jià)級(jí)數(shù)縮減到三級(jí)，同時(shí)三級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)度也避免了進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的問題。具體的評(píng)判標(biāo)度及其含義如表1所示。

表1 判別矩陣的標(biāo)度及其含義

(4)層次單排序。層次單排序需要計(jì)算判別矩陣R的最大特征值λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量ξ，然后對(duì)特征向量ξ進(jìn)行歸一化處理，得到的數(shù)值可對(duì)應(yīng)到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。本文利用Matlab軟件計(jì)算出每個(gè)判別矩陣的最大特征值λmax所對(duì)應(yīng)的特征向量，歸一化后得到各指標(biāo)的絕對(duì)權(quán)重，然后將絕對(duì)權(quán)重?fù)Q算成相對(duì)權(quán)重并構(gòu)造權(quán)重矩陣W。三級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣W=[w1,w2,……,w15]，各指標(biāo)權(quán)重如圖3所示。

圖3 裝夾操作舒適性評(píng)價(jià)三級(jí)指標(biāo)權(quán)重分配

3.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

結(jié)合人機(jī)學(xué)理論，裝夾操作舒適性各個(gè)指標(biāo)獲取示意如圖4所示。其中生理指標(biāo)綜合考慮了操作者的背部、手臂、腿部以及負(fù)荷，采用人機(jī)學(xué)仿真軟件Jack來確定；心理指標(biāo)采用溫濕度計(jì)、風(fēng)量計(jì)、照度計(jì)和激光測(cè)距儀等設(shè)備，在實(shí)際工況下測(cè)量獲取。

圖4 裝夾舒適性生理和心理指標(biāo)獲取圖

3.4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算

本文擬采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)臥式加工中心裝夾操作舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其基本評(píng)價(jià)步驟如下：

(1)確定評(píng)判指標(biāo)集。由15項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定臥式加工中心裝夾操作舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)集如下：

U={B11,B12,……,P21,P22}=
{U1,U2,……,U14,U15}

(1)

(2)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)集。根據(jù)一般評(píng)價(jià)原則，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)置幾個(gè)等級(jí)的評(píng)語(yǔ)，本文采用優(yōu)，良，中，差，極差5級(jí)評(píng)語(yǔ)對(duì)臥式加工中心裝夾操作舒適性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判，各級(jí)評(píng)語(yǔ)分別對(duì)應(yīng)的得分范圍為{90～100,80～90,70～80,60～70,0～60}。其評(píng)語(yǔ)集如下：

V={v1,v2,v2,v4,v5}={優(yōu)，良，中，差，極差}

(2)

(3)確定評(píng)判矩陣R。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)造隸屬度函數(shù)μvi(x)，其表達(dá)式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

通過Jack仿真或依據(jù)人機(jī)學(xué)原理給出各指標(biāo)的評(píng)分x，再由隸屬度函數(shù)確定各評(píng)判對(duì)象對(duì)評(píng)語(yǔ)集V的隸屬度。對(duì)某個(gè)指標(biāo)Ui(i=1,2,……,15)可得其隸屬度矩陣Ri=[ri1,ri2,ri3,ri4,ri5]，rij反應(yīng)指標(biāo)Ui對(duì)某一評(píng)語(yǔ)等級(jí)vj(j=1,2,3,4,5) 的隸屬程度。每個(gè)指標(biāo)Ui都對(duì)應(yīng)于一個(gè)隸屬度矩陣Ri，將15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度矩陣組成一個(gè)總的評(píng)判矩陣R。

(8)

(4)綜合評(píng)判。將通過層次法得出的權(quán)重矩陣W和總評(píng)判矩陣R作模糊變換得到綜合評(píng)判矩陣B。將評(píng)判矩陣B中每個(gè)隸屬度與對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)值做綜合計(jì)算，可得臥式加工中心的總評(píng)價(jià)等級(jí)值S，將S與5個(gè)等級(jí)值對(duì)比，并對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)集，得到臥式加工中心綜合評(píng)判結(jié)果。綜合評(píng)判矩陣B：

(9)

式中,i為指標(biāo)個(gè)數(shù)，“°”為模糊合成算子，在這里取加權(quán)平均型M(·,⊕)算子。

最終總評(píng)價(jià)等級(jí)值S為：

(10)

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 630HF裝夾舒適性評(píng)價(jià)

為了證明本文提出的評(píng)價(jià)方法的有效性，以國(guó)產(chǎn)大型臥式加工中心μ2000-630HF為例對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，其照片實(shí)物和人機(jī)模型如圖5所示。當(dāng)加工小批量異形工件時(shí)，為了減少夾具和操作快捷，該臥式加工中心的裝夾是由操作者直接進(jìn)入機(jī)床到主工作臺(tái)來完成，本文就是在此實(shí)際工況下研究該臥式加工中心的裝夾舒適度。此外，其工作臺(tái)中心離工作面門窗距離為830mm，大于第95百分位中國(guó)成年男性手臂長(zhǎng)度(肩部到指尖)790mm，因此需要操作者進(jìn)入機(jī)床內(nèi)部裝夾工件。

圖5 國(guó)產(chǎn)μ2000-630HF臥式加工中心

將630HF的三維實(shí)體模型導(dǎo)入Jack，并在中國(guó)人體數(shù)據(jù)庫(kù)中選取第5、50和95百分位(P5，P50，P95)中國(guó)成年男性虛擬人體模型，建立如圖5b所示的虛擬仿真環(huán)境。運(yùn)用Jack中的分析工具對(duì)10項(xiàng)生理指標(biāo)分別進(jìn)行相關(guān)人因仿真分析，通過相關(guān)設(shè)備實(shí)測(cè)獲取5項(xiàng)心理指標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖6所示。針對(duì)圖6的15項(xiàng)分析結(jié)果，分別做出評(píng)價(jià)說明并進(jìn)行評(píng)分，如表2所示。

圖6 人因仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)照片

序號(hào)評(píng)價(jià)說明評(píng)分①P5操作者能觸及物料臺(tái)絕大部分區(qū)域,評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)。95②跨入機(jī)床時(shí)P5操作者相對(duì)于P95操作者較為吃力,評(píng)價(jià)等76級(jí)為中。③P5操作者適當(dāng)調(diào)整姿勢(shì)后可觸及到工作臺(tái)的大部分區(qū)87域,評(píng)價(jià)等級(jí)為良。④搬運(yùn)工件質(zhì)量約為1kg,對(duì)P5操作者各關(guān)節(jié)幾乎沒有影97響,評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)。⑤約有5%的P5操作者會(huì)感到膝蓋不適,評(píng)價(jià)等級(jí)為良。89⑥仿真結(jié)果顯示姿勢(shì)級(jí)別為2,該姿勢(shì)有一定不良影響,應(yīng)70近期調(diào)整,評(píng)價(jià)等級(jí)為中。⑦仿真結(jié)果顯示姿勢(shì)級(jí)別為2,該姿勢(shì)有一定不良影響,應(yīng)70近期調(diào)整,評(píng)價(jià)等級(jí)為中⑧仿真結(jié)果顯示姿勢(shì)級(jí)別為3,該姿勢(shì)有不良影響,應(yīng)盡快56調(diào)整,評(píng)價(jià)等級(jí)為極差。⑨P95操作者的新陳代謝速率要小于推薦值,工人處在健康94的工作任務(wù)中,評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)。⑩P95操作者有十分充足的疲勞恢復(fù)時(shí)間,評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)。100 實(shí)測(cè)得環(huán)境溫度t≈22℃,溫度較為舒適,適合操作者工87作,評(píng)價(jià)等級(jí)為良。 實(shí)測(cè)機(jī)床內(nèi)照明E內(nèi)≈300lx,環(huán)境偏暗,評(píng)價(jià)等級(jí)為差。69 實(shí)測(cè)得機(jī)床外照明E外≈160lx環(huán)境較暗,評(píng)價(jià)等級(jí)為中。73 加工中心內(nèi)部長(zhǎng)l=2060mm,寬w=1400mm,操作者存在74心理壓力,評(píng)價(jià)等級(jí)為中。 加工中心內(nèi)部高度h=2100mm,相對(duì)較為寬闊,評(píng)價(jià)等級(jí)85為良。

由隸屬度函數(shù)μvi(x)及表2所給出的評(píng)分，可確定總評(píng)判矩陣R。

由圖3可知各三級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣W。

已知總評(píng)判矩陣R和三級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣W，由公式(9)得到綜合評(píng)判矩陣B，可知μ2000-630HF臥式加工中心裝夾操作舒適性對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬關(guān)系，并由公式(10)計(jì)算總評(píng)價(jià)等級(jí)值S，如圖7所示。

圖7 裝夾操作舒適性綜合評(píng)判結(jié)果

由圖7可知，μ2000-630HF臥式加工中心裝夾操作總評(píng)價(jià)等級(jí)值S接近于3，故評(píng)價(jià)等級(jí)為v3，對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)為“中”。因此，μ2000-630HF臥式加工中心的裝夾舒適性為中等。通過三級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果，同樣的也可以得到二級(jí)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度，如表3所示。

表3 各二級(jí)指標(biāo)綜合評(píng)判結(jié)果

由表3可知，μ2000-630HF臥式加工中心的勞動(dòng)強(qiáng)度與操作力對(duì)操作者較為適宜，不過操作姿勢(shì)、環(huán)境因素等對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)較差，不利于操作者完成工作任務(wù)。為提高工作效率，改善工人的工作條件，應(yīng)在評(píng)價(jià)較差的方面做出調(diào)整，如增加臥式加工中心內(nèi)部與外部環(huán)境的燈光，改善照明條件；調(diào)整腳踏板與機(jī)床門底部的高度差，方便操作者跨入機(jī)床。此外，在臥式加工中心設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮人機(jī)因素，如操作空間，操作姿勢(shì)等，以降低操作者的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)論

本文利用人因仿真技術(shù)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論，提出了臥式加工中心裝夾操作舒適性的評(píng)價(jià)方法，主要得出如下結(jié)論：

(1)從臥式加工中心裝夾操作特點(diǎn)出發(fā)，構(gòu)建了生理和心理兩大方面的指標(biāo)體系，其中生理指標(biāo)分為4個(gè)二級(jí)指標(biāo)和10個(gè)三級(jí)指標(biāo)；心理指標(biāo)分為2個(gè)二級(jí)指標(biāo)和5個(gè)三級(jí)指標(biāo)。

(2)建立了裝夾操作舒適性多層次模糊綜合評(píng)價(jià)模型。利用層次法得到各級(jí)指標(biāo)權(quán)重，通過人因仿真獲取生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，以相關(guān)設(shè)備實(shí)測(cè)獲取心理指標(biāo)數(shù)據(jù)，確定評(píng)價(jià)集，并構(gòu)造隸屬度函數(shù)，最終進(jìn)行模糊綜合評(píng)判計(jì)算。

(3)以國(guó)產(chǎn)臥式加工中心為例，驗(yàn)證該裝夾操作評(píng)價(jià)方法的可行性。最終得到了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)也對(duì)二級(jí)和三級(jí)指標(biāo)分別進(jìn)行了評(píng)價(jià)，找到了存在的具體問題，并給出了優(yōu)化建議，對(duì)于改善臥式加工中心裝夾操作舒適性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。