Введение 4
1 Анализ эргономических показателей процессов технического обслуживания 9
1.1 Основные понятия об эргономике 9
1.2 Классификация эргономических показателей процессов технического
обслуживания 11
1.3 Особенности использования системы моделирования цифровых
манекенов для оценки эргономических показателей 13
2 Работа в виртуальной среде 20
2.1 Этапы работы с цифровыми манекенами 20
2.2 Создание цифрового манекена 22
2.3 Обзор инструментов для создания объектов 32
2.4 Обзор измерительных инструментов и функций контроля 35
2.5 Обзор конструктора симуляции задач и анимационной системы 40
2.6 Обзор эргономических инструментов анализа приложения Jack 43
2.7 Обзор вспомогательных инструментов приложения Jack 47
3 Оценка комфорта при выполнении технического обслуживания 64
3.1 Характеристика рабочего места 64
3.2 Создание цифрового манекена 65
3.3 Создание цифровой модели рабочего места 67
3.4 Проверка геометрии 71
3.5 Работа с конструктором задач 74
3.6 Проведение эргономического анализа 84
Заключение 105
Список используемых источников 108
Актуальность исследования. В соответствии с Трудовым кодексом Российской Федерации, статье 219 - «каждый работник имеет право на рабочее место, соответствующее требованиям охраны труда» [1]. Согласно статистике о травматизме на территории Российской Федерации [2], несмотря на устойчивые снижения количества ежегодных производственных травм с 2000 по 2018 г. (с 151.8 до 23.8 тыс., из них со смертельным исходом с 4.40 до 1.07 тыс.) число смертельных профессиональных травм на 100 000 работников составляет 6, что является одним из самых высоких показателей в мире. Для примера, в Великобритании данный показатель равен 0.4, в США 4.8. Данная статистика показывает острую необходимость создания безопасных условий труда на производствах.
Одной из ключевых обязанностей проектировщиков рабочего места является соблюдение требований безопасности, разработанных для обеспечения того, чтобы производственное оборудование эксплуатировалось без угрозы для каких-либо вовлеченных лиц. При определении и соблюдении применимых требований следует должным образом учитывать любые уникальные характеристики конкретных машин и технического оборудования, с тем, чтобы предоставить пользователю необходимый уровень защиты от любых существующих рисков [3]. Наиболее современным и эффективным решением вышеперечисленных проблем является виртуальное эргономическое проектирование.
С непрерывным развитием индустриализации, существует высокий интерес к проблемам эргономического проектирования процессов технического обслуживания. Современные предприятия не могут игнорировать постоянное развитие программного обеспечения виртуальной реальности. По этой причине важным аспектом является тенденция развития предприятий в направлении формирования цифрового производства, промышленного отклонения к виртуальной реальности, которое объединяет широкий набор технологий для поддержки производства, от проектирования до реализации продукта, мониторинга и оптимизации производственных процессов. Виртуальное проектирование позволяет устанавливать оптимальную компоновку производственного оборудования, оптимизировать использование автоматизированной машины, проводить кинематические и эргономические испытания цифровых манекенов, изучать взаимодействие человека и машины [4]. Помимо этого, формирование безопасных условий труда, снижение нервно - психических перегрузок, создание оптимальных рабочих поз - являются важными социальными и экономическими задачами.
Существует множество методов оценки эргономических показателей. Несмотря на большое разнообразие, подавляющее большинство являются неэффективными на сегодняшний день из-за ряда недостатков таких как: субъективный характер суждений, неправильная интерпретация полученных результатов, большое влияние производственных факторов на точность оборудования для оценки эргономических показателей.
Устранение перечисленных недостатков возможно согласно тенденциям развития современных способов оценки эргономических показателей [5], за счет внедрения цифровых моделей человека, которые позволяют изучать адаптацию продукта и процесса без потребности в физических прототипах, а также может сократить время и затраты на разработку рабочего места.
Проведенный анализ программных продуктов, предназначенных для анализа эргономических показателей с использованием цифровых манекенов показал, что программа Jack обладает расширенными возможностями для проектирования рабочего места и разнообразными инструментами для всесторонней оценки нагрузки на человеческое тело.
Исходя из вышеперечисленных данных, можно сделать вывод, что метод создания трехмерной среды и использования цифрового манекена для оценки эргономических показателей является актуальным и эффективным.
Цель исследования: разработка методики оценки эргономических показателей процессов технического обслуживания, обеспечивающей эффективность и результативность производственной системы, удовлетворяющей психофизиологические и иные потребности работников, на основе расчетов в трехмерной виртуальной среде.
Задачи исследования:
1) Выполнить анализ эргономических показателей процессов технического обслуживания.
2) Провести обзор инструментов работы в программном продукте Jack.
3) Оценить показатели комфорта при выполнении технического обслуживания.
Научная новизна: разработана методика оценки эргономических показателей, позволяющая обеспечить эффективное, не приносящее дискомфорт, соответствующее всем признакам психологического комфорта, рабочее место, на основе моделирования цифровых манекенов.
Объект исследования: методика оценки эргономических показателей при проектировании технического процесса и анализе рабочих поз цифрового манекена.
Предмет исследования: цифровой манекен процесса технического обслуживания.
Методы проведения исследования: в данной работе использовался метод оценки эргономических показателей на основе технологии цифрового манекена Jack Toolkit; методы эргономического анализа «Анализ нагрузки нижней части спины», «Инструмент прогнозирования статистической силы», «Анализ расхода метаболической энергии», «Эргономический анализ метрики», «Инструмент анализа усталости и восстановления».
Теоретическая значимость: методика численной оценки показателей эргономического риска в виртуальной среде позволяет выявлять критические проблемы, начиная с предварительных этапов проектирования изделий и связанных с ними производственных процессов, позволяя вносить виртуальные изменения в конструкцию до выхода на физическую производственную линию.
Практическая значимость: разработанная виртуальная среда рабочего места, метод проведения экспериментального исследования и обработка полученных результатов позволяют объективно оценивать эргономические показатели процесса технического обслуживания, в соответствии с требованиями ГОСТ Р 56274-2014 «Общие показатели и требования в эргономике» [6] и ГОСТ Р ИСО 6385-2007 «Эргономика. Применение эргономических принципов при проектировании производственных систем» [7].
Данная разработка может быть применима для промышленного производства, а также в дальнейших научно-исследовательских работах.
Апробация результатов: результаты диссертационной работы были предоставлены и рассматривались на заседаниях кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» Тольяттинского государственного университета.
Результаты докладывались на следующих конференциях:
- VI Международная научно-практическая конференция (школы- семинара) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук»;
- Всероссийская студенческая научно-практическая междисциплинарная конференция «Молодежь. Наука. Общество»;
- Научно-практическая конференция «Студенческие дни науки в ТГУ».
Личный вклад автора заключается в создании методики работы с цифровыми манекенами.
Структура и объем магистерской диссертации: магистерская диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем - 108 страниц. В данной работе содержатся 90 иллюстраций, 4 таблицы, 30 использованных источников.
1. Обзор различных методов эргономического проектирования рабочих мест показал, что виртуальное проектирование с использованием цифровых манекенов является наиболее актуальным методом, который позволяет эффективно оценивать рабочие нагрузки на человека, а также сокращать время на общую разработку рабочего места.
2. Разработана пошаговая методика и определён порядок действий эргономического проектирования рабочего места в программе Jack.
3. Для проверки созданной методики было выбрано рабочее место штамповщика. Создан цифровой манекен, разработана виртуальная рабочая среда и выполнена симуляция рабочих обязанностей штамповщика на основе учета факторов воздействия на работника и конструкционных особенностей оборудования.
4. К созданной симуляции рабочих обязанностей, были применены инструменты эргономического анализа.
4.1 Проведя эргономический анализ метрики, было выявлено, что частые позы тела, такие как сгибание, скручивание, поворот - вызывают проблемы со здоровьем, такие как дискомфорт в спине, в плечах, боль в запястьях, в шее и так далее. Это приводит к снижению эффективности работы работников.
4.2 Установлено, что самой сложной задачей в созданной симуляции, на основе результатов анализа усталости и восстановления, был перенос детали от конвейерной ленты к подвесному конвейеру, и наоборот. Было выявлено, что лодыжки - это части тела, которые несут наибольшую нагрузку, поэтому для них время восстановления самое длительное.
4.3. Проведенный анализ расхода метаболической энергии определил расход энергии для созданного рабочего цикла, выявил наиболее энергозатратную задачу. Также было рассчитано, что для оптимального физического состояния, работнику необходимо около 10 минут отдыха на каждые 20 минут рабочего времени.
4.4. С помощью инструмента «Анализ нагрузки нижней части спины» было выявлено, что при несоблюдении эргономических принципов рабочих поз, нагрузка на спину становится критической, что повышает риск получения травмы спины. Для преодоления вышеуказанной проблемы, необходимо обучать работников следовать стандартной рабочей процедуре [30], включая эргономически правильным положениям тела, последовательности движений.
4.5 Путем использования инструмента прогнозирования статической силы было выявлено, что около 45 % мужского рабочего населения обладают достаточной физической формой для комфортного выполнения данных рабочих обязанностей.
5. На основе полученных данных от эргономических анализов, были сформулированы требования к антропометрическим данным и здоровью работников. Для безопасного и комфортного выполнения рабочих обязанностей, рост человека должен быть не ниже 180 см, вес не ниже 80 кг. Работник должен быть хорошо физически развит и не иметь хронических заболеваний.
6. Проанализировав полученные результаты, можно утверждать, что созданная методика оценки эргономических показателей процессов технического обслуживания позволяет оценить все аспекты нагрузок на человеческое тело во время выполнения рабочих обязанностей и помогает в проектировании рабочих мест в соответствии с требованиями эргономики в трехмерной цифровой среде.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
