基于Tecnomatix的手動(dòng)擰緊發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸承蓋螺栓的人機(jī)工程仿真分析

王體金 陳浩 張賀 劉毅 石剛

摘 要：本文以某四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上的手動(dòng)擰緊凸輪軸承蓋螺栓工位作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)3D數(shù)模的處理和格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入Tecnomatix_仿真軟件中進(jìn)行3D建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)定義和仿真模擬分析，對(duì)不同身高的操作者在手動(dòng)擰緊凸輪軸承蓋螺栓時(shí)的可達(dá)性、可見性、關(guān)節(jié)姿態(tài)（OWAS）和肌肉疲勞強(qiáng)度（FATIGUER）四個(gè)維度進(jìn)行人機(jī)工程仿真分析。根據(jù)人機(jī)工程仿真分析結(jié)果，識(shí)別手動(dòng)操作過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)的解決措施，優(yōu)化工藝方案，避免對(duì)人體造成傷害，保證了方案實(shí)施的安全性和合理性。

關(guān)鍵詞：凸輪軸承蓋 螺栓 安全性 合理性

Abstract：In this paper， the manual tightening of cam bearing cap bolts on a four-cylinder gasoline engine assembly line is taken as the research object. After 3D digital analog processing and format conversion， it is imported into Tecnomatix simulation software for 3D modeling， kinematic definition and simulation analysis. The accessibility， visibility， and the ergonomic simulation analysis is carried out in four dimensions of joint posture （Owas） and muscle fatigue strength （fatiguer）. According to the results of ergonomic simulation analysis， the risks in manual operation are identified to avoid harm to human body. The process scheme is optimized to ensure the safety and rationality of the implementation of the scheme.

Key words：cam bearing cover， bolt， security， rationality， Tecnomatix， OWAS， FATIGUER

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)凸輪軸上的凸輪來(lái)控制氣門的關(guān)閉和開啟，而氣門關(guān)閉和開啟的時(shí)刻、間隔、開啟時(shí)長(zhǎng)及開度大小，一方面由凸輪的形狀決定，另一方面也受凸輪軸承的影響。而凸輪軸承位于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的末端，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)可以自動(dòng)、及時(shí)的為凸輪軸承補(bǔ)充潤(rùn)滑劑，使凸輪軸承能得到充分的潤(rùn)滑。

凸輪軸承蓋由蓋體和鎖緊螺栓組成；蓋體的底面設(shè)置有與凸輪軸承的形狀和大小相匹配的凹槽，另外，蓋體的底面設(shè)置有與鎖緊螺栓的形狀和大小相匹配的螺孔。

將蓋體扣裝在凸輪軸承的側(cè)面，并通過(guò)擰緊鎖緊螺栓來(lái)進(jìn)行加固。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)將潤(rùn)滑油由軸承螺栓內(nèi)設(shè)的潤(rùn)滑油道泵進(jìn)入凹槽內(nèi)，然后經(jīng)凹槽擠入凸輪軸承外圈和凸輪軸承之間的縫隙內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸承進(jìn)行自動(dòng)潤(rùn)滑。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)凸輪軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，既減輕了凸輪軸承的磨損，又避免了人工潤(rùn)滑的麻煩。因此，對(duì)鎖緊螺栓的加固非常重要，它將影響到對(duì)凸輪軸承潤(rùn)滑的效率和性能。

為滿足對(duì)凸輪軸承蓋螺栓擰緊的工藝要求，通過(guò)Tecnomatix仿真工具，實(shí)現(xiàn)在軟件層面對(duì)手動(dòng)擰緊工藝的人機(jī)工程分析，獲得最優(yōu)的手動(dòng)擰緊工藝方案，并且可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)之前，識(shí)別作業(yè)過(guò)程中對(duì)人體存在傷害的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取優(yōu)化措施，為評(píng)估手動(dòng)擰緊凸輪軸承蓋作業(yè)的合理性和安全性提供了重要的理論數(shù)據(jù)支持和評(píng)判依據(jù)。

2 仿真模型搭建

2.1 凸輪軸承蓋手動(dòng)擰緊工位模型搭建

凸輪軸承蓋螺栓手動(dòng)擰緊工位主要是通過(guò)工人手持?jǐn)Q緊槍擰緊凸輪軸承蓋上預(yù)裝的17顆螺栓。本工位從CATIA三維軟件中獲得工位框架、輸送輥道、托盤、適配器料架、踏臺(tái)、工人和產(chǎn)品等3D數(shù)模，將數(shù)模保存成Step或3dxml格式，將數(shù)模轉(zhuǎn)換成jt格式，導(dǎo)入到Tecnomatix軟件中，根據(jù)工位布局圖擺放對(duì)應(yīng)位置的設(shè)備模型。

2.2 輸送托盤工裝運(yùn)動(dòng)學(xué)定義

在輸送原位和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的狀態(tài)下對(duì)手動(dòng)擰緊操作進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，故需要對(duì)輸送托盤進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)定義，使其可以在仿真環(huán)境下模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際托盤的旋轉(zhuǎn)。

2.3 工人屬性設(shè)置

為了更真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作狀況，同時(shí)考慮到東西方人以及男女之間體質(zhì)的不同，在工人模型庫(kù)中，在仿真工人模型庫(kù)中，可根據(jù)需求選擇對(duì)應(yīng)國(guó)籍和性別的工人模型。根據(jù)本工位研究對(duì)象，考慮實(shí)際情況，選擇中國(guó)籍男性，身高分別為165cm、170cm和175cm的工人模型進(jìn)行人機(jī)工程仿真分析，見圖3。

3 載荷及邊界條件輸入

手動(dòng)擰緊凸輪軸承蓋螺栓時(shí)，雙手持?jǐn)Q緊槍，且雙手對(duì)擰緊槍均需要施加一定的壓力，才能滿足擰緊要求。根據(jù)工藝要求，擰緊頭端需施加的壓力為20N，另一端（即輔助手持端）需施加的壓力為5N。

4 仿真過(guò)程分析

凸輪軸承蓋手動(dòng)擰緊工位，在托盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°和托盤不旋轉(zhuǎn)的情況下，從可達(dá)性、可見性、OWAS關(guān)節(jié)姿態(tài)和FATIGUER疲勞強(qiáng)度四個(gè)維度進(jìn)行人機(jī)工程仿真分析驗(yàn)證。

4.1 可達(dá)性分析

即分析目標(biāo)物體是否在抓取工具或人手可以觸及到的范圍內(nèi)。

驗(yàn)證擰緊距離工人最遠(yuǎn)處的螺栓時(shí)，是否滿足可達(dá)性要求即可。通過(guò)驗(yàn)證在在托盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°和不旋轉(zhuǎn)的情況下，均滿足可達(dá)性要求。

4.2 可見性分析

分析目標(biāo)是否在視線范圍內(nèi)。

驗(yàn)證擰緊距離工人最遠(yuǎn)處和特殊位置（比如遮擋或凹槽內(nèi)）的螺栓時(shí)，是否滿足可見性要求即可。在托盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°和不旋轉(zhuǎn)的情況下，均無(wú)法看到凹槽內(nèi)的螺栓，故不滿足可見性要求。

4.3 關(guān)節(jié)姿態(tài)分析

OWAS（ovako working-posture analyzing system）關(guān)節(jié)姿態(tài)表分析了包括人的頭部（Head），胳膊（Arms），背部（Back），腿部（Legs）和負(fù)重（Load）五個(gè)對(duì)關(guān)節(jié)疲勞度有關(guān)的因素，從中得出總的疲勞等級(jí)值（Category）。

疲勞等級(jí)分類如下表2所示。

在托盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，由OWAS分析報(bào)告可以看出，關(guān)節(jié)姿態(tài)的綜合疲勞等級(jí)為1級(jí)，可以接受。

在托盤不旋轉(zhuǎn)時(shí)，由OWAS分析報(bào)告可以看出，Action_Category列代表五個(gè)參數(shù)的綜合疲勞等級(jí)達(dá)到了2級(jí)，屬于輕微傷害。

4.4 FATIGUER疲勞強(qiáng)度分析

即疲勞和恢復(fù)分析，可以幫助評(píng)估足夠的恢復(fù)時(shí)間是否可用于給定的工作周期，以避免工人疲勞。該工具可計(jì)算出循環(huán)所需的恢復(fù)時(shí)間，并將其與可用的休息時(shí)間比較。如果在工作周期中沒(méi)有足夠的休息時(shí)間來(lái)適應(yīng)恢復(fù)時(shí)間，則認(rèn)為工人有疲勞的風(fēng)險(xiǎn)。

在托盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°和不旋轉(zhuǎn)的情況下，由FATIGUE分析報(bào)告可以看出，整個(gè)工作過(guò)程中，不存在肌肉扭傷，即不需要額外的恢復(fù)時(shí)間，故該情況下不存在因肌肉扭傷帶來(lái)的疲勞傷害。

5 結(jié)論及優(yōu)化

5.1 人機(jī)工程仿真分析匯總表

5.2 結(jié)論

通過(guò)以上人機(jī)工程仿真分析匯總，得出以下論：

（1）在托盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的情況下并不能解決不可見的問(wèn)題。

（2） 在托盤不旋轉(zhuǎn)的情況下，身高170cm的工人存在關(guān)節(jié)輕微傷害，不滿足人機(jī)工程要求。

5.3 優(yōu)化建議

建議：采用自動(dòng)擰緊方式，改造現(xiàn)有GEP3擰緊設(shè)備為四軸柔性擰緊系統(tǒng)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本文通過(guò)Tecnomatix仿真軟件以發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線凸輪軸承蓋螺栓手動(dòng)擰緊工位為研究對(duì)象，采用人機(jī)工程仿真分析的技術(shù)，在滿足工藝輸入要求的前提下，驗(yàn)證是否滿足人機(jī)工程的要求。規(guī)避了人身傷害，優(yōu)化了工藝方案，為前期工藝方案規(guī)劃及后需改造提供了重要數(shù)據(jù)支持。

（2）隨著人機(jī)工程仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)工藝、變速器工藝和生產(chǎn)線設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，更方便，精確的識(shí)別工藝規(guī)劃方案中潛在的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于降低設(shè)計(jì)成本、縮短規(guī)劃周期、減少物理實(shí)驗(yàn)、避免人身傷害等方面提供了新的工作方向。

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