汽车总装线车门安装—PDPS人机工程仿真案例
创始人
2025-09-02 12:19:44
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以下是一个汽车总装线车门安装的 PDPS 人机工程仿真案例，结合车门装配工艺特性和 PDPS 的功能模块，详细展示从建模到优化的全流程：

项目背景

某汽车制造企业对总装线车门安装工位进行改造，目标是降低工人弯腰、抬举等高危动作频率，减少因重复性劳动导致的腰肌劳损风险，并提升装配效率。通过 PDPS 人机工程仿真，提前验证设计方案的合理性。

一、仿真过程

1. 三维模型构建

  • 环境建模
  • 导入车间 CAD 图纸，使用 PDPS 的三维建模工具构建车身输送线、车门缓存区、装配台等设施模型。车门模型通过 CATIA 设计后转换为 JT 格式导入，设置物理属性（重量 18kg，重心位于铰链中心后 200mm 处）。
  • 工装集成
  • 创建电动拧紧枪、助力机械手等工具模型，定义其与工人的交互接口（如拧紧枪扭矩范围 15-25N・m，机械手负载 20kg）。
  • 人体模型配置
  • 根据企业工人数据（平均身高 172cm，体重 70kg），在 PDPS 中生成带关节驱动的人体模型，启用 JACK 模块的肌肉骨骼系统，模拟真实人体力学特性。

2. 操作流程定义

  • 任务分解
  • 将车门安装分解为 6 个关键步骤：
  1. 从缓存区取车门（步行 2.5m，双手握持车门把手）
  2. 搬运至车身安装位（水平移动 1.2m，高度调整至铰链对齐）
  3. 手动预定位铰链（双手扶持车门，调整角度）
  4. 电动拧紧枪紧固螺栓（4 个点位，每个耗时 8 秒）
  5. 检查门缝间隙（使用塞尺，弯腰测量 3 处）
  6. 放置工具并返回缓存区（步行 1.8m）
  • 路径规划
  • 通过 PDPS 的行走创建器工具，记录工人在工位间的移动路径，设置最大步行速度 1.2m/s，避免与设备碰撞。

3. 人机交互仿真

  • 动作捕捉校准
  • 使用诺亦腾惯性动捕设备采集工人实际操作数据，同步到 PDPS 人体模型，修正关节角度和动作时序，确保仿真与实际操作一致。
  • 动态干涉检测
  • 运行仿真时，系统自动检测工人头部与车身顶盖的最小距离（需≥300mm），以及拧紧枪与车门板的碰撞风险。发现原设计中工人拧紧下铰链时肘部与车身门槛干涉（最小距离 180mm），需调整装配台高度。
  • 视线分析
  • 通过 PDPS 的视线窗口工具，模拟工人在预定位铰链时的视野范围，发现需增加辅助光源以消除阴影区域。

4. 人机工程评估

  • 姿势风险评估
  • OWAS 分析
  • 对关键动作进行 Ovako 工作姿势评估，发现弯腰测量门缝时姿势风险等级为 3 级（需立即改进），主要因腰部弯曲角度达 45°。
  • 静态强度预测
  • 使用 JACK 模块分析抬举车门动作，计算得出 L5/S1 椎间盘压力达 4200N，超过 3400N 的安全阈值，存在腰椎损伤风险。
  • 疲劳量化分析
  • 代谢能量消耗
  • 根据 MTM-UAS 标准分解动作，计算总能耗为 3.2kcal/min，超出 2.5kcal/min 的可持续工作强度。
  • 动作经济性评估
  • 通过 PDPS 的 MTM 模块分析，发现取放工具路径存在冗余动作，导致单件作业时间延长 12 秒。

5. 方案优化与验证

  • 工装改进
  • 安装可升降装配台，使车门铰链安装高度从 1000mm 调整至 900mm，减少弯腰角度至 15°。
  • 设计磁吸式定位销，将手动预定位时间从 15 秒缩短至 8 秒。
  • 流程重构
  • 采用 “U 型” 布局，将工具放置区从缓存区旁移至装配台侧，减少步行距离 40%。
  • 引入协作机器人辅助搬运，将车门搬运环节的人力负荷降低 60%。
  • 仿真验证
  • 优化后 OWAS 风险等级降至 1 级，L5/S1 椎间盘压力降至 2800N。
  • 单件作业时间从 78 秒缩短至 62 秒，达到生产线节拍要求。
  • 工人每日能量消耗从 2400kcal 降至 1800kcal，符合 ISO 8996 标准。

二、应用效果

  1. 降低工伤风险
  2. 通过姿势优化和工具改进，腰肌劳损风险降低 70%，拧紧作业的上肢重复性劳损风险下降 45%。
  3. 提升装配质量
  4. 磁吸定位销使铰链安装精度从 ±1.5mm 提升至 ±0.8mm，门缝间隙合格率从 92% 提高到 98%。
  5. 增强生产柔性
  6. 协作机器人的引入使该工位可兼容 3 种车型的车门安装，换型时间从 30 分钟缩短至 10 分钟。
  7. 节省改造成本
  8. 在设计阶段提前发现并解决问题，避免了传统方法中试错导致的设备返工费用约 120 万元。

三、技术创新点

  • 多源数据融合
  • 结合动捕数据、MTM 工时分析和有限元仿真（如车门关闭力模拟），实现人机环系统的全面评估。
  • 智能决策支持
  • 通过 PDPS 与 JACK 的集成，自动生成优化建议（如设备高度调整值、工具放置位置），缩短方案设计周期 30%。
  • 虚拟培训体系
  • 基于仿真模型开发的 VR 培训系统，使新员工上岗培训时间从 5 天减少至 2 天，操作熟练度提升 40%。

该案例验证了 PDPS 在汽车总装线人机工程优化中的有效性，为企业实现 “高效、安全、柔性” 生产提供了数字化解决方案。

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