基于JACK虛擬仿真技術的裁板鋸人機功效優化?

趙晏林 陳昱熹 劉春旭

（攀枝花學院智能制造學院，四川 攀枝花 617000）

裁板鋸是人造板開料工序的主要設備，用于將板材鋸切成所需要的規格大小，是家具制造的第一步工序，其作業狀況直接影響整個制造過程的進度。裁板鋸運行中，工作崗位以一人一機模式為主，工人主要動作為上料、調試參數以及下料。由于上下料時工人需要將沉重的板材搬至裁板鋸上，涉及彎腰、拖拽等動作，易產生脊柱勞損、酸痛，以及頭暈、判斷力減弱等現象，易引發安全事故和職業病[1]。在生產效率上，工人上下料所需時間如與機器配送時間分配不佳，會導致整體加工效率較低。因此，對裁板鋸崗位進行人機功效研究，降低工人疲勞度，提高崗位加工效率具有重要意義。

JACK虛擬仿真技術是一款具有環境建模、數字人體建模、人機工效仿真等功能的高級人機工效仿真軟件[2-3]。本文借助JACK虛擬仿真技術，對裁板鋸操作崗位的人機效率、下背部受力情況、作業疲勞恢復時間、新陳代謝等進行深入分析，以達到裁板鋸工作崗位合理設計。

1 裁板鋸作業分析

1.1 加工對象

本文以某公司家具下料車間為例，基于JACK虛擬仿真技術對裁板鋸人機功效進行優化分析。裁板鋸加工對象為纖維板、刨花板、膠合板等人造板。加工板材的尺寸規格為1 220 mm×1 220 mm，厚度為3、5、9、12、15、16、18、20、25、30 mm。

1.2 工藝流程分析

1.2.1 工作現場布置根據實際情況繪制裁板鋸工作現場平面布置簡圖。為便于研究，將各個工作臺面分別命名為工作臺a、工作臺b、工作臺c和工作臺d，具體布局及工件路線如圖1 所示。

1.2.2 工藝流程

圖1 裁板鋸操作崗位平面簡圖Fig.1 Position plan of cut-to-size saw operation

該裁板鋸工藝流程如圖2 所示。整個工序的工作流程：將板材從堆放處搬運至工作臺a，再搬運至工作臺b，由工作臺b搬運至工作臺c，接著靠齊板材后搬運至推尺位置，二次靠齊后調試參數并啟動系統，裁板鋸開始鋸切板材；鋸切結束后，人工轉換板材方向，再次調試參數，重新啟動系統；裁板鋸再次鋸切板材，鋸切結束后，搬運板材到工作臺d，最后工人將板材搬運到成品存放位置。

圖2 裁板鋸崗位工作流程Fig.2 Cut-to-size saw flow sheet

該公司家具車間的裁板鋸主要加工1 220 mm× 1 220 mm的板材，因此本文以該尺寸的板材為例進行分析。通過現場多次采集數據，刨除異常值，得到如表1 所示的各分解作業所用時間表，并求出各分解作業的平均值，最后根據各平均值求得該加工過程總時間為382 s。

表1 各分解作業時間表Tab.1 Each breakdown action schedule

1.3 人機作業

對裁板鋸鋸切工序人機作業進行分析，以獲得合理的人機作業方法，從而提高作業效率與經濟效益。分析得出人機配合作業的時間，如表2 所示。

表2 人機作業分析Tab.2 Man-machine work analysis

由表2 可見，在裁板鋸鋸切工序作業過程中，由于工件大而沉重，上料時工人搬運緩慢，耗費較長時間，導致人、機利用率均較低，人的利用率僅為40.8%，裁板鋸利用率為59.2%。整個作業過程中，由于搬運的板材重，且彎腰、站立兩個動作交替進行，在較大負荷下作業，易導致人機體損傷、過度疲勞等，對工作效率與工人健康影響較大。

2 裁板鋸崗位虛擬仿真分析流程與建模

JACK虛擬仿真技術是人機工效學仿真領域應用廣泛的軟件，本文利用該軟件與其他三維軟件對接，以精確仿真不同的外形特征、運動軌跡、動力學特效等，分析計算可達性、舒適性、下背部脊柱受力、新陳代謝、疲勞恢復時間等指標，采用上述指標進行人機工效優化分析[4-7]。

2.1 人機工效虛擬仿真流程

首先構建人機工效基礎模型，基礎模型包含裁板鋸崗位虛擬仿真環境和虛擬操作工作，然后進行動態行為仿真，將工作過程分解，得到以下使用頻率高、難度大、持續時間長的5 個姿勢：1）拖曳，即工人在上下料過程中將工件從前往后、從右往左拖動的行為；2）推，即工人在上下料過程中將工件從后往前、從右往左推動的行為；3）抬，即工人在上料過程中將工件從工作臺a抬到工作臺b的行為；4）行走，即工人上下料時來回行走的行為；5）設定參數，即工人站在裁板鋸顯示屏前調試設備參數的行為。最后對操作員在裁板鋸崗位工作行為進行人機工效優化分析。通過動態行為仿真，可對操作工人任意姿勢下的下背部脊柱受力，以及疲勞恢復時間和新陳代謝進行分析[8-10]。此外，對工人行走和設定參數進行新陳代謝分析。整個分析流程如圖3 所示。

圖3 仿真分析流程Fig.3 Simulation analysis flowsheet

2.2 構建虛擬工作環境

虛擬工作環境是在JACK仿真系統中模擬生產實際的工作環境，因此需要構建裁板鋸工作臺、裁板鋸設備和被切割的板材等模型，設置模型運行參數、光澤度和幾何形狀等特性，構建如圖4 所示的虛擬工作環境。

圖4 虛擬場景構建Fig.4 Construction of virtual scene

2.3 構建虛擬人體模型

在JACK虛擬仿真中，需要建立自定義的虛擬人體模型，包括身高、腹厚、最大肩寬、足長、頭最大長度、坐高、拇指尖距地高度等26 項數據[11-12]。車間調研發現，裁板鋸操作工以男性為主，因此選擇男性虛擬人體參數錄入仿真系統。根據國標《中國成年人人體尺寸》選取第50 百分位數的男性身高尺寸1 678 mm，修正量+25 mm，體重取59 kg，修正量+2 kg。根據《成年人人體慣性參數》得到各測量項目的值，輸入參考文獻[13]的男性成年人相關尺寸。

3 裁板鋸下背部人機工效分析

醫學中腰椎分為L1～L5 等級，其中L4、L5 是最容易疲勞，同時也是腰椎病高發段[14-15]，因此，本文以L4、L5 椎關節作為受力分析切入點，使用JACK中TAT模塊的Lower Back Analysis（下背部分析）工具對工人上下料過程進行分析，獲得作業中L4、L5 椎受力情況及造成損傷的風險。利用JACK仿真中的人體模型數據庫，在分析時選擇百分位的虛擬人模型，調整虛擬人姿勢即可得到該百分位人體的下背部受力值[16-17]。下背部受力分析與工人工作姿勢及負載有關，與作業時間長短及作業次數無關，避免了因分析次數少而導致結果不準確的問題[18-21]。下文對作業過程中需要用力的姿勢進行背部受力分析。

3.1 拖曳

在上料作業中工人一直處于站立狀態，根據工作臺的設計高度（目前高度為97 cm），工件移動位置以及大小、重量，工人采取無偏轉彎腰（圖5a）和偏轉彎腰（圖5b）以達到相應操作目的。

圖5 無、有偏轉彎腰Fig.5 Deflection bending

在分析時先對虛擬人進行姿勢調整，使之與實際情況更接近。先將虛擬人調整為身體面向工作臺，腰椎向前彎曲30°，無左右偏轉和側向傾斜，模擬工人向外拖出工件的姿勢。此時下背部L4、L5 關節受力為 3 403 N，大于標準值3 400 N。然后對虛擬人添加一個左偏轉的動作，模擬工人將工件向左拖動的姿勢。此時下背部L4、L5 關節所受的壓力為4 153 N，關節壓力大于未偏轉時關節所受壓力。這是因為當人體軀干發生偏轉時人體重心發生改變，為保持身體平衡，背部肌肉會產生更大的收縮力，L4、L5 作為連接身體上半身和下半身的主要活動關節會受到更大的壓力及橫向剪切力。但無論有無偏轉，從分析結果可知L4、L5 關節的受力均大于標準值。

3.2 推

工人在上料時同樣也會采用推的姿勢，因工作臺設計高度原因，也需要彎腰。根據實際觀測，工人上料時的推動姿勢如圖6a、b所示。

圖6 下背部推Fig.6 Lower back pushing simulation

先將虛擬人面向工作臺，模擬工人將工件由內向外推的姿勢，腰椎向前彎曲16°，此時下背部壓力值為3 735 N，大于標準值3 400 N。

3.3 抬

工人在上料時，由于工作臺比原材料堆放處高，因此工人往往需要將工件抬到工作臺上，根據實際情況對虛擬人的設計如圖7 所示。

圖7 下背部抬分析結果Fig.7 Lower back lifting analysis results

此時下背部受力分析結果為3 945 N，L4、L5 關節的受力大于標準值。

通過上述人機工效仿真受力分析得出，該工作崗位的下背受力超出了標準值，主要原因是板材尺寸較大且較沉，工作臺高度不合理，因此需要對該崗位進行合理優化。

4 操作人員疲勞恢復時間分析

作業中疲勞恢復時間是評價該工作崗位操作人員疲勞時間與恢復時間之間的關系是否滿足要求的一個指標，直接反映該崗位人機工效是否合理[22-23]。在操作員疲勞恢復時間分析中，拖曳、推和抬是對疲勞恢復影響較大作業，裁板鋸其余作業幾乎不需要疲勞恢復時間，因此本文以拖曳、推和抬為研究對象[24]。

通過JACK仿真分析得出，拖曳工作所需疲勞恢復時間為115.5 s，推的恢復時間為3.3 s，抬的恢復時間為0.6 s，共需要119.4 s恢復時間。裁板機作業總時間為382 s，其中可用恢復時間226 s（表2 中人的空閑時間），且下料作業較為輕松，因此實際可用于疲勞恢復的時間更加充裕。JACK仿真結果表明在該作業周期內，工人的疲勞恢復時間足夠。因此，可以通過調整該工序的操作，適當減少工人休息時間，提高加工效率。

5 新陳代謝分析

JACK工作分析工具包中包含能量代謝消耗分析模塊，該模塊通過計算設定時間內的虛擬人的總代謝與平均代謝能耗，輸出虛擬人的疲勞程度[25]。根據現場調研，分析得出裁板鋸工作的主要操作內容有拖曳、推、抬、測量、休息、調試、靠齊、轉向、搬運、行走，分別進行新陳代謝仿真分析，仿真結果如表3 所示。

表3 人機作業分析Tab.3 Man-machine work analysis

裁板鋸鋸切板材是一項持續性工作，因此應計算單位時間內的代謝能耗值E，E=作業周期總代謝能量/作業周期時間，可得上述作業內容的E為1.39 kcal/min＜ 4.0 kcal/min（標準值），均遠小于上限值4.0 kcal/min，說明工人在該崗位操作非常輕松。從效益角度看，人員利用率不高，導致企業用人成本高，可對該崗位進行適當調整。仿真結果的E小于標準值，但是拖、推和抬的新陳代謝較高，說明工人處于疲勞狀態，可見拖、推和抬3 個姿勢在裁板鋸操作崗位的動作序列中，是造成作業疲勞較危險動作。而這3 個姿勢均屬于上料動作，因此應改進上料作業方式，降低作業難度。

6 裁板鋸崗位優化設計

由上述分析可知，在裁板鋸崗位上，難度大的是將沉重的工件從工作臺a搬到工作臺b這一上料環節，工人一直處于拖曳、推和抬3 個費力的姿勢中，后續過程由于工作臺b、c設有滾珠，d非常光滑相對輕松。因此本文主要對上料方式進行改進，進一步作仿真分析，以設計出裁板鋸工作臺最佳高度，然后對裁板鋸人機配合進行一人雙機設計，在符合人機工效的情況下使裁板鋸和人的利用率最大化。

6.1 工作臺高度優化設計參數

分別對裁板鋸工作臺高度為57、67、77、87、97、107、117、127 cm時工人的受力情況（裁板鋸現有設計高度為97 cm）進行仿真分析，結果呈如圖8 所示趨勢。

圖8 不同高度受力圖Fig.8 Force condition at diあerent heights

由圖8 可知，當裁板鋸工作臺高度為87 cm時工人受力最小，因此，將裁板鋸工作臺高度調整為87 cm為宜。

6.2 設計彈力工作臺

由前文分析可知，在裁板鋸工位操作過程中，工人下背部受力最大，上料時將工件從工作臺a搬到工作臺b是最易疲勞的環節。經實際調查，當工作臺a上工件數量較多時，工件由上往下被拖拉至工作臺b上；工件數量變少后，工人需要通過多次拖曳、推拉動作先將工件調整至裁板鋸工作臺高度，然后再拖到工作臺b上。工件位置較高和較低時，工人上料都很困難，只有在略高于裁板鋸工作臺時才較為輕松。因此，本文將工作臺a改為一種高度一定的彈力工作臺，并采用電力驅動調整高度。改造后工人只需一個拖曳姿勢就可直接將工件拖至工作臺b上。

6.3 一人雙機優化設計

通過上述仿真分析可知疲勞恢復時間富裕與新陳代謝值遠小于標準值，對操作人員效率的改進還有很大空間，符合一人雙機的前提條件，因此對裁板鋸崗位進行一人雙機的優化設計。將表1 中的1～7 作業合并為81 s的一個作業，9～10 作業合并為27 s的一個作業，繪制一人雙機時間分配如圖9 所示。

圖9 一人雙機時間分配Fig.9 One person two machine time allocation

如果不考慮疲勞恢復時間的限制，在人機作業分析中，同一時刻一人不能同時做兩件事（圖9 中，同一時間軸操作工人不能有兩個作業），機器運行過程中不能被打斷，某些作業不能被分割，因此一人雙機配合至少需要增加27 s，總時間從原有的382 s增加到409 s才能保證一人雙機的正常運轉。仿真分析結果表明操作一臺機器的疲勞恢復時間為119.4 s，操作兩臺機器則應為238.8 s，雙機配合中可用的疲勞恢復時間為97 s，因此需要補充141.8 s的疲勞恢復時間，才能讓操作工人能夠持續性作業而不損傷身體。新陳代謝E在操作一臺設備時為1.39 kcal/min，一人雙機后為2.78 kcal/min＜4.0 kcal/min（標準值）。一人雙機設計的總時間為550.8 s，操作工人作業總時間為312 s，機器作業總時間為452 s，則人的利用率為56.6%，機器的利用率為82.1%。

6.4 虛擬仿真檢驗

運用JACK虛擬仿真技術，對改進后的工作流程在人體背部受力、疲勞恢復時間、新陳代謝方面進行檢驗分析，確定改進是否合理，檢驗結果如表4 所示。

表4 虛擬仿真檢驗表Tab.4 Virtual simulation check table

推、抬動作的背部受力因彈力工作臺的引入消失，因此相關仿真結果為0 N，分別降低了3 735 、3 945 N；優化后的拖拽受力降低了684 、845 N；人的利用率提高了15.8%；機器的利用率提高了22.9%；疲勞恢復時間增加到了238.8 s，并且一人雙機配合的最少疲勞恢復時間為238.8 s，達到了保證人機工效合理情況下的效率最大化。

7 結論

采用JACK虛擬仿真技術構建裁板鋸的虛擬仿真環境，對裁板鋸工作崗位的下背部受力、疲勞恢復時間和新陳代謝模擬仿真，獲得相關數據。通過仿真結果分析，優化設計工作臺高度，引入彈力工作臺減去了操作工人的推、抬背部受力；根據疲勞恢復時間和新陳代謝仿真結果數據，設計了一人雙機配合作業，一人雙機可同時滿足新陳代謝標準值和疲勞恢復時間最小值的要求，達到人機工效合理情況下的最佳人機配合。優化設計后，人的效率提高了15.8%，機器效率提高了22.9%，并且降低了操作工人的背部受力，可減少職業病發生概率，保證操作工人的身心健康。結果表明，JACK虛擬仿真技術用于裁板鋸的人機工效優化有效，對人機工效的提升具有一定的促進作用。