基于Tecnomatix的手動擰緊發動機凸輪軸承蓋螺栓的人機工程仿真分析

王體金 陳浩 張賀 劉毅 石剛

摘 要：本文以某四缸汽油發動機裝配線上的手動擰緊凸輪軸承蓋螺栓工位作為研究對象，通過對3D數模的處理和格式轉換，導入Tecnomatix_仿真軟件中進行3D建模、運動學定義和仿真模擬分析，對不同身高的操作者在手動擰緊凸輪軸承蓋螺栓時的可達性、可見性、關節姿態（OWAS）和肌肉疲勞強度（FATIGUER）四個維度進行人機工程仿真分析。根據人機工程仿真分析結果，識別手動操作過程中存在的風險，采取相應的解決措施，優化工藝方案，避免對人體造成傷害，保證了方案實施的安全性和合理性。

關鍵詞：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

發動機通過凸輪軸上的凸輪來控制氣門的關閉和開啟，而氣門關閉和開啟的時刻、間隔、開啟時長及開度大小，一方面由凸輪的形狀決定，另一方面也受凸輪軸承的影響。而凸輪軸承位于發動機潤滑系統的末端，發動機潤滑系統可以自動、及時的為凸輪軸承補充潤滑劑，使凸輪軸承能得到充分的潤滑。

凸輪軸承蓋由蓋體和鎖緊螺栓組成；蓋體的底面設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面，并通過擰緊鎖緊螺栓來進行加固。發動機工作時，發動機潤滑系統將潤滑油由軸承螺栓內設的潤滑油道泵進入凹槽內，然后經凹槽擠入凸輪軸承外圈和凸輪軸承之間的縫隙內，從而實現對凸輪軸承進行自動潤滑。通過發動機的潤滑系統對凸輪軸承進行潤滑，既減輕了凸輪軸承的磨損，又避免了人工潤滑的麻煩。因此，對鎖緊螺栓的加固非常重要，它將影響到對凸輪軸承潤滑的效率和性能。

為滿足對凸輪軸承蓋螺栓擰緊的工藝要求，通過Tecnomatix仿真工具，實現在軟件層面對手動擰緊工藝的人機工程分析，獲得最優的手動擰緊工藝方案，并且可以在現場實際作業之前，識別作業過程中對人體存在傷害的風險，及時采取優化措施，為評估手動擰緊凸輪軸承蓋作業的合理性和安全性提供了重要的理論數據支持和評判依據。

2 仿真模型搭建

2.1 凸輪軸承蓋手動擰緊工位模型搭建

凸輪軸承蓋螺栓手動擰緊工位主要是通過工人手持擰緊槍擰緊凸輪軸承蓋上預裝的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、工人和產品等3D數模，將數模保存成Step或3dxml格式，將數模轉換成jt格式，導入到Tecnomatix軟件中，根據工位布局圖擺放對應位置的設備模型。

2.2 輸送托盤工裝運動學定義

在輸送原位和順時針旋轉90°的狀態下對手動擰緊操作進行仿真分析驗證，故需要對輸送托盤進行運動學定義，使其可以在仿真環境下模擬現場實際托盤的旋轉。

2.3 工人屬性設置

為了更真實的反應現場實際工作狀況，同時考慮到東西方人以及男女之間體質的不同，在工人模型庫中，在仿真工人模型庫中，可根據需求選擇對應國籍和性別的工人模型。根據本工位研究對象，考慮實際情況，選擇中國籍男性，身高分別為165cm、170cm和175cm的工人模型進行人機工程仿真分析，見圖3。

3 載荷及邊界條件輸入

手動擰緊凸輪軸承蓋螺栓時，雙手持擰緊槍，且雙手對擰緊槍均需要施加一定的壓力，才能滿足擰緊要求。根據工藝要求，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 仿真過程分析

凸輪軸承蓋手動擰緊工位，在托盤順時針旋轉90°和托盤不旋轉的情況下，從可達性、可見性、OWAS關節姿態和FATIGUER疲勞強度四個維度進行人機工程仿真分析驗證。

4.1 可達性分析

即分析目標物體是否在抓取工具或人手可以觸及到的范圍內。

驗證擰緊距離工人最遠處的螺栓時，是否滿足可達性要求即可。通過驗證在在托盤順時針旋轉90°和不旋轉的情況下，均滿足可達性要求。

4.2 可見性分析

分析目標是否在視線范圍內。

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

4.3 關節姿態分析

OWAS（ovako working-posture analyzing system）關節姿態表分析了包括人的頭部（Head），胳膊（Arms），背部（Back），腿部（Legs）和負重（Load）五個對關節疲勞度有關的因素，從中得出總的疲勞等級值（Category）。

疲勞等級分類如下表2所示。

在托盤順時針旋轉90°時，由OWAS分析報告可以看出，關節姿態的綜合疲勞等級為1級，可以接受。

在托盤不旋轉時，由OWAS分析報告可以看出，Action_Category列代表五個參數的綜合疲勞等級達到了2級，屬于輕微傷害。

4.4 FATIGUER疲勞強度分析

即疲勞和恢復分析，可以幫助評估足夠的恢復時間是否可用于給定的工作周期，以避免工人疲勞。該工具可計算出循環所需的恢復時間，并將其與可用的休息時間比較。如果在工作周期中沒有足夠的休息時間來適應恢復時間，則認為工人有疲勞的風險。

在托盤順時針旋轉90°和不旋轉的情況下，由FATIGUE分析報告可以看出，整個工作過程中，不存在肌肉扭傷，即不需要額外的恢復時間，故該情況下不存在因肌肉扭傷帶來的疲勞傷害。

5 結論及優化

5.1 人機工程仿真分析匯總表

5.2 結論

通過以上人機工程仿真分析匯總，得出以下論：

（1）在托盤順時針旋轉90°的情況下并不能解決不可見的問題。

（2） 在托盤不旋轉的情況下，身高170cm的工人存在關節輕微傷害，不滿足人機工程要求。

5.3 優化建議

建議：采用自動擰緊方式，改造現有GEP3擰緊設備為四軸柔性擰緊系統。

6 結語

（1）本文通過Tecnomatix仿真軟件以發動機裝配線凸輪軸承蓋螺栓手動擰緊工位為研究對象，采用人機工程仿真分析的技術，在滿足工藝輸入要求的前提下，驗證是否滿足人機工程的要求。規避了人身傷害，優化了工藝方案，為前期工藝方案規劃及后需改造提供了重要數據支持。

（2）隨著人機工程仿真技術在發動機工藝、變速器工藝和生產線設備等領域的應用越來越廣泛，更方便，精確的識別工藝規劃方案中潛在的風險。對于降低設計成本、縮短規劃周期、減少物理實驗、避免人身傷害等方面提供了新的工作方向。

參考文獻：

[1]肖世華．工業設計教程? ．北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]丁玉蘭．人機工程學（修訂版）．北京：北京理工大學出版社，2008.

[3]李建中，任衛紅，何定東．人機工程學．北京：中國礦業大學出版社出版社，2000.

[4]袁修干，莊達民．人機工程．北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[5]朱彥軍，虛擬現實中虛擬人體模型概述. 計算機仿真，2004（1）.