基于人因仿真的卧式加工中心装夹操作舒适性评价方法*

彭卫平，王 庆，雷 金，张秋华，胡向阳

(武汉大学 流体机械与动力工程装备技术湖北省重点实验室，武汉 430072)

0 引言

目前，大型卧式加工中心已被广泛应用于箱体类、盘类、板件及模具类等复杂零件的精密加工，是航天、航空、模具等精密零件加工的基础设备[1-2]。其中装夹操作是机加工操作的重要环节，由于工件结构的多样性和复杂性，装夹操作当前还无法完全实现自动化操作；此外，大型卧式加工中心因工作台位置及尺寸，操作者装拆工件时往往需要反复进入机床封闭空间内操作，这样长期操作将会给操作者带来肌肉损伤或身体不适等问题[3-4]，所以需要深入开展装夹操作舒适性研究。

操作舒适性是指在保证顺利操作的前提下，操作省力、姿势合理、避免身体不适和操作疲劳，它是卧式加工中心人机性能的重要评价因素，是以人为中心的现代机床设计理念的重要内容。良好的操作舒适性不仅能够缓解操作者肌肉疲劳，有效预防操作者职业病的发生，还能够提高企业的生产效率和产品质量[5]。现有的机床操作舒适性研究主要集中在控制面板操作以及相关姿势舒适度方面[6-8]。评价方法多是采用模糊层次方法对机床整机[9-11]、潜艇[12]或铣刀[13]等对象进行评价。文献[14]采用人因仿真技术对产品的装配序列进行建模与评价。对于现有操作舒适性评价多需要实物样机的支持，开发周期长且成本高；评价体系中主要还是依靠专家经验评分，缺乏严格科学依据；此外，仅从关节角度或操作姿势方面难以全面揭示出机床操作的不舒适性。目前还鲜有从机床结构尺寸、装夹任务要求以及人的生理和心理特点出发，综合评价卧式加工中心装夹操作舒适性的报道。

为了减少作业疲劳，降低动作强度，提高工作效率以获得舒适的装夹操作，本文提出了基于人因仿真的人-机-环多因素装夹操作多层次模糊评价方法。建立了卧式加工中心装夹操作舒适性评价体系，构建了综合评价模型；以Jack虚拟人体模型结合人体姿势、受力条件等因素进行全面装夹操作舒适度的分析；以国产卧式加工中心630HF为例进行了操作舒适性的综合评价分析，并验证了该方法的有效性，为国产卧式加工中心的结构优化和性能提升提供技术支持。

1 装夹操作舒适性的影响因素分析

为了全面地考虑各个因素的影响，根据人机学的基本原理，按照“人-机-环”将影响因素分为以下三类：机床结构因素，人体机能因素，环境因素。

(1)机床结构因素。机床结构缺乏人性化设计会影响装夹操作。机床门下挡板离站立平面(地面或脚踏板)过高会导致操作者跨入困难；机床内部门边缘无适合站立的平面会导致操作者跨入机床后站立不稳。在安装工件时，如果工作台离操作者站立平面距离过远，操作者将无法完成手动装夹工作；高度过高或过低，操作者则会在不舒适的姿势下完成装夹操作。

(2)人体机能因素。由于工件装夹一般需要操作者施力才能顺利完成，而人体不像机械能无限度地不停工作，其各项身体机能是有一定限度的。主要包括：操作力限制，关节转动角度限制，肌肉受力限制，劳动强度限制等。

(3)环境因素。影响装夹舒适性的环境因素主要包括温度和照明。工作环境温度过高或者过低都会使操作者感到不适。光照不足会使加工效率变慢，加工精度变低，同时会导致操作者反复仔细观察，引起眼部疲劳。光照过强则会造成炫目，致使操作者无法看清加工对象，同时会刺伤其眼睛。

2 装夹操作舒适性的分析框架

如图1所示，基于人因仿真的卧式加工中心装夹操作舒适性评价体系包括舒适性影响因素分析系统，舒适性评价系统，舒适性人因仿真分析系统。影响因素分析系统是评价系统和人因仿真系统的基础；装夹操作舒适性评价系统以人机学和评价学对卧式加工中心操作舒适性问题进行了科学的系统性分析；人因仿真分析系统通过仿真分析获取相关指标参数的仿真数据，为舒适性评价系统提供重要数据来源。

图1 卧式加工中心装夹舒适性评价体系框图

3 装夹操作舒适性评价模型

3.1 舒适性评价指标

结合装夹操作过程和舒适性要求，将影响大型卧式加工中心工件装夹操作舒适性的因素主要分为两大类：生理因素(B)和心理因素(P)，如图2所示。并将两类一级指标进一步划分为二级指标和三级指标。然后通过查找文献和相关标准，确定各个指标的评价要求。

图2 卧式加工中心装夹舒适性评价指标体系

舒适性生理因素主要是指与人的身体结构，身体尺寸，身体机能，肌肉耐受度等相关的因素，主要包括可达性B1(身体尺寸)，操作力B2(肌肉耐受度)，操作姿势B3(关节耐受度)，工作任务B4(身体机能)。舒适性心理因素主要是指与人的意识感受相关的因素，主要包括环境因素P1和心理空间因素P2。

3.2 指标权重确定

根据评价指标，采用层次法来确定各评价指标的权重。卧式加工中心装夹舒适性评价指标权重的确定过程如下：

(1)分析待评价问题。将待评价问题分解为若干相关的评价因素，然后根据这些因素之间的相关关联，进行主次分析，确定各个因素之间的隶属关系。

(2)构建评价模型。根据各个评价指标之间的隶属关系构建层次结构模型。卧式加工中心人机学评价模型按图2所示结构构建。

(3)建立比较判别矩阵。根据各级评价指标对于上级指标的贡献度，对所有同级评价指标进行两两重要度分析，得到评价指标的重要度比值矩阵，即为判别矩阵。由于九级标度法标度区分过细，往往会出现两指标之间重要程度无法明确界定或当某一层评价指标过多时会存在逻辑错误的情况，因此将评价级数缩减到三级，同时三级评价标度也避免了进行一致性检验的问题。具体的评判标度及其含义如表1所示。

表1 判别矩阵的标度及其含义

(4)层次单排序。层次单排序需要计算判别矩阵R的最大特征值λmax所对应的特征向量ξ，然后对特征向量ξ进行归一化处理，得到的数值可对应到每个评价指标的权重。本文利用Matlab软件计算出每个判别矩阵的最大特征值λmax所对应的特征向量，归一化后得到各指标的绝对权重，然后将绝对权重换算成相对权重并构造权重矩阵W。三级指标权重矩阵W=[w1,w2,……,w15]，各指标权重如图3所示。

图3 装夹操作舒适性评价三级指标权重分配

3.3 指标数据获取

结合人机学理论，装夹操作舒适性各个指标获取示意如图4所示。其中生理指标综合考虑了操作者的背部、手臂、腿部以及负荷，采用人机学仿真软件Jack来确定；心理指标采用温湿度计、风量计、照度计和激光测距仪等设备，在实际工况下测量获取。

图4 装夹舒适性生理和心理指标获取图

3.4 综合评价结果计算

本文拟采用模糊综合评价法对卧式加工中心装夹操作舒适性进行评价，其基本评价步骤如下：

(1)确定评判指标集。由15项评价指标确定卧式加工中心装夹操作舒适性的评价指标集如下：

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

(1)

(2)确定评价指标的评语集。根据一般评价原则，对各评价指标设置几个等级的评语，本文采用优，良，中，差，极差5级评语对卧式加工中心装夹操作舒适性指标进行评判，各级评语分别对应的得分范围为{90～100,80～90,70～80,60～70,0～60}。其评语集如下：

V={v1,v2,v2,v4,v5}={优，良，中，差，极差}

(2)

(3)确定评判矩阵R。根据模糊数学理论，构造隶属度函数μvi(x)，其表达式为：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

通过Jack仿真或依据人机学原理给出各指标的评分x，再由隶属度函数确定各评判对象对评语集V的隶属度。对某个指标Ui(i=1,2,……,15)可得其隶属度矩阵Ri=[ri1,ri2,ri3,ri4,ri5]，rij反应指标Ui对某一评语等级vj(j=1,2,3,4,5) 的隶属程度。每个指标Ui都对应于一个隶属度矩阵Ri，将15个评价指标的隶属度矩阵组成一个总的评判矩阵R。

(8)

(4)综合评判。将通过层次法得出的权重矩阵W和总评判矩阵R作模糊变换得到综合评判矩阵B。将评判矩阵B中每个隶属度与对应的评价等级值做综合计算，可得卧式加工中心的总评价等级值S，将S与5个等级值对比，并对应评语集，得到卧式加工中心综合评判结果。综合评判矩阵B：

(9)

式中,i为指标个数，“°”为模糊合成算子，在这里取加权平均型M(·,⊕)算子。

最终总评价等级值S为：

(10)

4 实例应用

4.1 630HF装夹舒适性评价

为了证明本文提出的评价方法的有效性，以国产大型卧式加工中心μ2000-630HF为例对该方法进行验证，其照片实物和人机模型如图5所示。当加工小批量异形工件时，为了减少夹具和操作快捷，该卧式加工中心的装夹是由操作者直接进入机床到主工作台来完成，本文就是在此实际工况下研究该卧式加工中心的装夹舒适度。此外，其工作台中心离工作面门窗距离为830mm，大于第95百分位中国成年男性手臂长度(肩部到指尖)790mm，因此需要操作者进入机床内部装夹工件。

图5 国产μ2000-630HF卧式加工中心

将630HF的三维实体模型导入Jack，并在中国人体数据库中选取第5、50和95百分位(P5，P50，P95)中国成年男性虚拟人体模型，建立如图5b所示的虚拟仿真环境。运用Jack中的分析工具对10项生理指标分别进行相关人因仿真分析，通过相关设备实测获取5项心理指标数据，如图6所示。针对图6的15项分析结果，分别做出评价说明并进行评分，如表2所示。

图6 人因仿真结果与实测数据照片

序号评价说明评分①P5操作者能触及物料台绝大部分区域,评价等级为优。95②跨入机床时P5操作者相对于P95操作者较为吃力,评价等76级为中。③P5操作者适当调整姿势后可触及到工作台的大部分区87域,评价等级为良。④搬运工件质量约为1kg,对P5操作者各关节几乎没有影97响,评价等级为优。⑤约有5%的P5操作者会感到膝盖不适,评价等级为良。89⑥仿真结果显示姿势级别为2,该姿势有一定不良影响,应70近期调整,评价等级为中。⑦仿真结果显示姿势级别为2,该姿势有一定不良影响,应70近期调整,评价等级为中⑧仿真结果显示姿势级别为3,该姿势有不良影响,应尽快56调整,评价等级为极差。⑨P95操作者的新陈代谢速率要小于推荐值,工人处在健康94的工作任务中,评价等级为优。⑩P95操作者有十分充足的疲劳恢复时间,评价等级为优。100 实测得环境温度t≈22℃,温度较为舒适,适合操作者工87作,评价等级为良。 实测机床内照明E内≈300lx,环境偏暗,评价等级为差。69 实测得机床外照明E外≈160lx环境较暗,评价等级为中。73 加工中心内部长l=2060mm,宽w=1400mm,操作者存在74心理压力,评价等级为中。 加工中心内部高度h=2100mm,相对较为宽阔,评价等级85为良。

由隶属度函数μvi(x)及表2所给出的评分，可确定总评判矩阵R。

由图3可知各三级指标权重矩阵W。

已知总评判矩阵R和三级指标权重矩阵W，由公式(9)得到综合评判矩阵B，可知μ2000-630HF卧式加工中心装夹操作舒适性对于各评价等级的隶属关系，并由公式(10)计算总评价等级值S，如图7所示。

图7 装夹操作舒适性综合评判结果

由图7可知，μ2000-630HF卧式加工中心装夹操作总评价等级值S接近于3，故评价等级为v3，对应的评语为“中”。因此，μ2000-630HF卧式加工中心的装夹舒适性为中等。通过三级指标的评价结果，同样的也可以得到二级指标对于评价等级的隶属程度，如表3所示。

表3 各二级指标综合评判结果

由表3可知，μ2000-630HF卧式加工中心的劳动强度与操作力对操作者较为适宜，不过操作姿势、环境因素等对应的评价较差，不利于操作者完成工作任务。为提高工作效率，改善工人的工作条件，应在评价较差的方面做出调整，如增加卧式加工中心内部与外部环境的灯光，改善照明条件；调整脚踏板与机床门底部的高度差，方便操作者跨入机床。此外，在卧式加工中心设计过程中应充分考虑人机因素，如操作空间，操作姿势等，以降低操作者的劳动负担。

5 结论

本文利用人因仿真技术，结合人机工程学理论，提出了卧式加工中心装夹操作舒适性的评价方法，主要得出如下结论：

(1)从卧式加工中心装夹操作特点出发，构建了生理和心理两大方面的指标体系，其中生理指标分为4个二级指标和10个三级指标；心理指标分为2个二级指标和5个三级指标。

(2)建立了装夹操作舒适性多层次模糊综合评价模型。利用层次法得到各级指标权重，通过人因仿真获取生理指标数据，以相关设备实测获取心理指标数据，确定评价集，并构造隶属度函数，最终进行模糊综合评判计算。

(3)以国产卧式加工中心为例，验证该装夹操作评价方法的可行性。最终得到了综合评价结果，同时也对二级和三级指标分别进行了评价，找到了存在的具体问题，并给出了优化建议，对于改善卧式加工中心装夹操作舒适性具有重要的现实意义。