43、无人机机翼装配车间布局优化与叉车操作员舒适度研究

无人机机翼装配车间布局优化与叉车操作员舒适度研究

在工业生产中，车间布局的优化以及员工工作的舒适度和安全性至关重要。本文将介绍无人机机翼装配车间的布局优化方法，以及如何运用计算机辅助工程软件评估叉车操作员倒车时的不适程度和视野范围。

1. 无人机机翼装配车间布局优化

为了降低运营单元之间的物料搬运成本，并使紧密相关的生产单元尽可能靠近，我们采用了系统布局设计方法和粒子群算法。以下是具体的操作步骤和相关数据：
- 确定各运营单元的中心坐标 ：各运营单元的中心坐标如下表所示：
| 编号 | 运营单元名称 | 中心横坐标 | 中心纵坐标 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 1 | 蒙皮加工单元 | 4.1 | 3.8 |
| 2 | 肋条加工单元 | 4.0 | 3.6 |
| 3 | 襟翼组装单元 | 5.2 | 4.8 |
| 4 | 副翼组装单元 | 5.0 | 4.8 |
| 5 | 翼盒组装单元 | 6.1 | 5.8 |
| 6 | 前缘组装单元 | 5.1 | 4.9 |
| 7 | 机翼组装单元 | 8.0 | 7.6 |

• 模拟实验 ：根据上述设计参数，使用粒子群算法对模型进行模拟。将改进前后方案中各运营单元的中心坐标代入数学模型，可以发现与改进前的方案相比，改进方案中的物料搬运成本显著降低，且运营单元之间无物流交叉。运营单元之间的非物流关系程度也得到了改善，具体数据如下表所示：
  | 运营单元名称 | 优化前 | 优化后 |
  | ---- | ---- | ---- |
  | 运营单元之间的物流强度 Z | 7264.8808 | 6706.5550 |
  | 运营单元之间的非物流关系程度 N | 14.2 | 16 |
  | 运营单元之间的综合关系程度 G | 0.0892 | 0.0754 |

粒子群算法在解决设施布局问题上具有显著优势。系统布局设计方法得到的最终布局结果更侧重于运营单元之间的相对位置，而粒子群优化算法得到的最终结果是每个运营单元的具体坐标值，对改善设施内的布局具有更大的参考价值。同时，当参与设施布局的对象较多时，系统布局设计方法在有限时间内难以获得中等规模以上的最优解，而粒子群算法收敛速度更快，更具实用性。

以下是该优化过程的流程图：

graph LR
    A[确定设计参数] --> B[使用粒子群算法模拟模型]
    B --> C[代入改进前后坐标到数学模型]
    C --> D[对比分析结果]
    D --> E[得出优化方案]

2. 叉车操作员不适程度和视野评估

叉车是工业中运输货物和材料的重要工具，但叉车操作员由于工作时的不良姿势和视野障碍，容易患上肌肉骨骼疾病。我们使用 RAMSIS 软件模拟工业场景，评估叉车操作员倒车时的不适程度和视野范围。具体步骤如下：
- 启动 RAMSIS 软件并加载几何场景 ：
1. 从 RAMSIS 压缩文件夹中双击“launch RAMSIS NextGen”文件启动 RAMSIS 应用程序，此时会加载一个空的工作区。
2. 通过导航至“文件”>“加载会话”，选择“_forklift_scene”文件夹内的“session”文件夹，然后按“确定”，将叉车会话加载到 RAMSIS 工作区。该会话包含四个不同的人体模型。
3. 为了更好地显示工作区，可通过导航至“菜单”>“视图”>“渲染样式”>“阴影”来更改渲染样式。
- 人体模型定义和激活 ：
1. 通过结构树中的选项（新项目>测试样本>驾驶员>选择所需的人体模型>右键单击>对象属性）可视化四个不同人体模型的对象属性。该窗口提供了人体模型的“关节活动度”、“视野范围”和“附加选项”等信息。
2. 当叉车会话加载时，所有人体模型均处于激活状态。本次分析选择中等身材男性驾驶员人体模型，通过在结构树中双击其余人体模型的名称将其停用。
- 模拟工业环境并进行分析 ：
1. 分析的重点场景是叉车操作员倒车的情况。点击工具栏中的姿势计算按钮，将激活的人体模型置于方向盘后面，模拟这种环境，此时人体模型会移动到驾驶员座位。
2. 在叉车后面放置一个假定为工业工人的附加人体模型。导航至工具栏>测试样本>创建，创建一个新的人体模型，创建一个具有特定特征的女性人体模型。
3. 通过导航至工具栏>平移并手动将其拖动到所需坐标，将女性人体模型放置在叉车后面。然后激活工具栏中的逆运动学选项，拖动运动链到所需位置，使女性人体模型面向远离叉车的方向，并抬起右手，模拟一名专注工作的工人。
4. 分析分三种不同情况进行：
- 情况 1：叉车操作员向后转身 ：驾驶员在倒车前转身观察叉车后面的场景，这需要身体进行一些扭转动作以看清站在叉车后面的女性人体模型。通过激活逆运动学按钮并调整驾驶员人体模型的运动链来实现这个新姿势。点击工具栏>内部视图，可查看中等身材男性驾驶员人体模型眼中的视图，此时叉车的 ROPS（翻车保护结构）会稍微遮挡驾驶员对女性人体模型的视线。对该姿势下的叉车驾驶员进行不适评估，点击驾驶员人体模型并导航至菜单>分析>舒适度感受，记录读数。
- 情况 2：在叉车上安装侧视镜 ：
1. 分两步在叉车的前 ROPS 上安装侧视镜。首先，通过菜单>几何>点在 ROPS 上创建“点 1”，选择“在对象上创建”点类型并选择 ROPS 表面。
2. 通过菜单>人体工程学>镜子定义将镜子放置在“点 1”上，命名为“侧视镜”，从结构树中选择“点 1”指定镜子的原点，将镜子尺寸设置为 100 * 100 毫米（宽 * 高）。点击“添加默认镜子关节”为镜子添加一个自由度，以便自由移动镜子，并相应调整值以获得精确的视角。
3. 使用逆运动学使驾驶员看向镜子。通过菜单>分析>视野>侧视镜创建一个视野锥体，该视野锥体包含了女性人体模型。按照情况 1 中讨论的步骤对该姿势下的叉车驾驶员进行不适评估，并记录结果。
- 情况 3：在叉车上安装后视摄像头 ：
1. 同样分两步在叉车的车顶后表面安装后视摄像头。首先，通过菜单>几何>点创建“点 2”，选择“在对象上创建”点类型并选择车顶上表面的中间部分。
2. 通过人体工程学>摄像头定义将摄像头放置在“点 2”上，命名为“后视摄像头”，从结构树中选择“点 2”指定摄像头的原点，将水平和垂直开口角度分别设置为 80°和 50°。
3. 在操作员正前方创建一个平面，模拟摄像头显示屏。通过菜单>几何>平面创建所需的几何图形，选择“在表面上”平面类型并选择升降机后表面的中间部分。使用逆运动学使驾驶员的视线朝向显示屏。

以下是该评估过程的流程图：

graph LR
    A[启动 RAMSIS 软件并加载场景] --> B[定义和激活人体模型]
    B --> C[模拟工业环境]
    C --> D[情况 1：操作员向后转身]
    D --> E[进行不适评估]
    C --> F[情况 2：安装侧视镜]
    F --> G[调整镜子并评估]
    C --> H[情况 3：安装后视摄像头]
    H --> I[设置摄像头和显示屏并评估]

通过以上对无人机机翼装配车间布局的优化以及叉车操作员不适程度和视野的评估，我们可以在提高生产效率的同时，保障员工的工作安全和舒适度。未来，我们可以进一步增加优化目标，以提高车间布局设计的优化效果。

无人机机翼装配车间布局优化与叉车操作员舒适度研究

3. 两种研究的综合意义与拓展思考

上述对无人机机翼装配车间布局的优化以及叉车操作员不适程度和视野的评估，在工业生产领域具有重要的综合意义。

从车间布局优化来看，降低物料搬运成本、改善运营单元之间的物流和非物流关系，能够直接提高车间的生产效率和资源利用率。合理的布局使得生产流程更加顺畅，减少了不必要的物料运输时间和成本，从而提升了整个车间的经济效益。例如，通过粒子群算法确定的各运营单元的具体坐标，能够让相关的生产单元紧密相邻，便于物料的快速流转和人员的高效协作。

而对于叉车操作员的评估，关注了员工在工作过程中的实际体验和安全问题。叉车作为车间内重要的运输工具，操作员的舒适度和视野范围直接影响到工作的准确性和安全性。通过使用 RAMSIS 软件进行模拟分析，并对不同的设计改进方案进行评估，可以为叉车的设计和改进提供科学依据，减少操作员患上肌肉骨骼疾病的风险，同时降低因视野障碍导致的事故发生率。

在实际应用中，我们可以进一步拓展这两项研究的成果。以下是一些拓展思考：
- 多目标优化的融合 ：在车间布局优化中，可以将叉车的运行路径和停放区域纳入考虑，实现车间布局和叉车使用的多目标优化。例如，在确定运营单元坐标时，考虑叉车的行驶便利性，减少叉车的转弯次数和行驶距离，从而进一步提高整体的物流效率。
- 实时监测与动态调整 ：对于叉车操作员的舒适度和视野评估，可以引入实时监测系统。通过在叉车上安装传感器，实时监测操作员的姿势和视野情况，并根据监测结果及时调整叉车的设备，如自动调整镜子的角度或摄像头的参数，以保证操作员始终处于舒适和安全的工作状态。
- 员工培训与教育 ：结合车间布局优化和叉车设计改进的成果，开展员工培训和教育活动。让员工了解优化后的车间布局和叉车的使用方法，提高他们的操作技能和安全意识。例如，培训员工如何正确使用侧视镜和后视摄像头，以充分发挥这些设备的作用。

4. 总结与展望

通过对无人机机翼装配车间布局的优化和叉车操作员不适程度与视野的评估，我们取得了一系列有价值的成果。在车间布局方面，通过系统布局设计方法和粒子群算法的结合，降低了物料搬运成本，改善了运营单元之间的关系。在叉车操作员评估方面，使用 RAMSIS 软件模拟不同场景，为叉车的设计改进提供了依据。

以下是对这两项研究成果的总结表格：
| 研究内容 | 主要成果 | 实际意义 |
| ---- | ---- | ---- |
| 车间布局优化 | 降低物料搬运成本，改善物流和非物流关系，确定运营单元具体坐标 | 提高生产效率，提升经济效益 |
| 叉车操作员评估 | 评估不同设计方案下的不适程度和视野范围，为叉车设计改进提供依据 | 保障员工安全和舒适度，降低事故发生率 |

展望未来，我们可以在以下几个方面进一步开展工作：
- 增加优化目标 ：在车间布局设计中，除了考虑物流成本和非物流关系，还可以增加更多的优化目标，如能源消耗、空间利用率等，以进一步提高车间布局的优化效果。
- 技术创新应用 ：引入更多的先进技术，如人工智能、物联网等，实现车间布局和叉车使用的智能化管理。例如，利用人工智能算法实时分析车间内的物流情况，自动调整运营单元的布局和叉车的运行路径。
- 跨领域合作 ：加强与其他领域的合作，如人体工程学、机械设计等，从多个角度对车间和叉车进行改进。例如，与人体工程学专家合作，进一步优化叉车的座椅设计和操作界面，提高操作员的舒适度。

总之，通过不断的研究和改进，我们可以在工业生产中实现更高的效率、更好的员工体验和更安全的工作环境。

以下是整个研究过程的综合流程图：

graph LR
    A[车间布局优化研究] --> B[确定设计参数]
    B --> C[粒子群算法模拟]
    C --> D[对比分析得出优化方案]
    E[叉车操作员评估研究] --> F[启动 RAMSIS 软件并加载场景]
    F --> G[定义和激活人体模型]
    G --> H[模拟工业环境]
    H --> I[不同情况分析与评估]
    D --> J[综合应用与拓展思考]
    I --> J
    J --> K[未来工作展望]

综上所述，工业生产中的车间布局优化和员工舒适度评估是一个持续的过程，需要我们不断地探索和创新，以适应不断变化的生产需求和员工需求。