李丹　鄭艷玲

摘 要：目的 汽車整車廠焊裝車間高自動(dòng)化率下員工搬運(yùn)零件操作的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于減少員工的體能消耗、提升員工滿意度具有非常重要的作用。方法 本文以汽車整車廠焊裝車間的搬運(yùn)操作為研究主體，采用工效學(xué)分析方法對(duì)高自動(dòng)化率下員工上料、搬運(yùn)和下料操作過(guò)程進(jìn)行分析。結(jié)果 基于體能消耗分析軟件，提出了增加尼龍滾輪架和過(guò)渡料架等工位改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)員工體能消耗減少25%。基于有限元分析方法，研究員工穿著平面鞋墊和曲面鞋墊時(shí)足底壓力分布規(guī)律，結(jié)果表明員工穿著曲面鞋墊足底壓力峰值比平面鞋墊的壓力峰值減小36%。結(jié)論 本文提出的工位改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和員工勞保鞋曲面鞋墊的建議為整車廠焊接車間高自動(dòng)化率下提高員工操作效率和舒適性提供了充分的理論依據(jù)，有極大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：焊裝車間；體能消耗；有限元分析；足底壓力；工效學(xué)分析

1 引言

中國(guó)是勞動(dòng)密集型制造大國(guó)，低端產(chǎn)能過(guò)剩，高端供給明顯不足，產(chǎn)業(yè)整體仍處于全球制造業(yè)鏈條的中低端。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)能轉(zhuǎn)換和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇的形勢(shì)下，發(fā)展智能制造，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑[1]。

智能制造成為推進(jìn)“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略最重要的舉措。其中，智能工廠作為智能制造重要的實(shí)踐領(lǐng)域，已引起了國(guó)內(nèi)車企的廣泛關(guān)注和高度重視。多家車企生產(chǎn)升級(jí)，提高自動(dòng)化水平，沖壓和油漆車間因?yàn)楣に囈蟾咦詣?dòng)化率早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，近五年各家車企主要提升焊裝車間自動(dòng)化率，實(shí)現(xiàn)焊接、鉚接、螺接和涂膠等操作全部由機(jī)器人自動(dòng)完成，這不僅提升焊接精度，更提升的工廠的柔性化和生產(chǎn)效率。

伴隨著高自動(dòng)化率，汽車車間出現(xiàn)了新的人機(jī)關(guān)注問(wèn)題[2-4]。汽車零部件生產(chǎn)過(guò)程中，流水線作業(yè)仍然需要大量的人工操作，工效已成為影響整體產(chǎn)業(yè)的重要因素[5-7]，汽車制造企業(yè)工人工效學(xué)負(fù)荷水平對(duì)工人肌肉骨骼疾患水平有直接影響[8-11]。以焊裝車間為例，因?yàn)橐酝秆b車間低自動(dòng)化率現(xiàn)場(chǎng)，員工每個(gè)節(jié)拍只需要在一個(gè)工裝前，從線旁料架取料擺放到工裝，完成10-20個(gè)焊點(diǎn)的焊接操作，然后從工裝下料擺放到下一工裝或料架，所以走動(dòng)距離很短。如今焊裝車間高自動(dòng)化率現(xiàn)場(chǎng)，員工無(wú)需焊接操作，只負(fù)責(zé)從線旁料架取料擺放到工裝和從工裝下料擺放到下一工裝或料架，因此員工每個(gè)節(jié)拍需要在料架與2、3個(gè)工裝間上料、下料，走動(dòng)距離變長(zhǎng)，增加了體能消耗。本文運(yùn)用體能消耗軟件分析和有限元分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布局和勞保鞋的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少員工體能消耗，削減員工足底疲勞，提升現(xiàn)場(chǎng)員工人機(jī)滿意度，最終實(shí)現(xiàn)汽車整車開(kāi)發(fā)流程的人因分析與改善[12-16]。

2 內(nèi)板總成工位人機(jī)工程分析作業(yè)描述

本文取整車廠焊裝車間某零件內(nèi)板總成工位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)體能消耗軟件對(duì)此崗位優(yōu)化前后體能消耗進(jìn)行量化分析。

2.1 工位操作內(nèi)容描述

工位布局如圖1所示，為工裝1、2、3上料和下料的操作由一人完成，具體操作步驟如下：

①?gòu)墓ぱb3下料內(nèi)板總成至料架。返回工裝2處，取內(nèi)板分總成上料至工裝3。從料架分別取零件a和零件b安裝到工裝3上，按控制開(kāi)關(guān)3，機(jī)器人開(kāi)始焊接。②從控制開(kāi)關(guān)3處步行到工裝1，取內(nèi)板分總成上料至工裝2。從料架分別取零件c和零件d安裝到工裝2上，按控制開(kāi)關(guān)2，機(jī)器人開(kāi)始焊接。③從控制開(kāi)關(guān)2處步行到料架，取內(nèi)板上至工裝1。從料架分別取零件e、零件f和零件g安裝到工裝1上，按控制開(kāi)關(guān)1，機(jī)器人開(kāi)始焊接。④從控制開(kāi)關(guān)1處步行到工裝3，開(kāi)始下一循環(huán)。

2.2 工位人機(jī)工程狀態(tài)分析

該工位三臺(tái)機(jī)器人完成全部焊接操作，員工只需要上料和下料的操作。工位節(jié)拍時(shí)間是160S，生產(chǎn)線平衡精益排布決定這個(gè)區(qū)域只能一個(gè)人完成所有上料和下料操作。這是高自動(dòng)化率下焊裝車間新生的人機(jī)關(guān)注問(wèn)題，操作集中在“零件搬運(yùn)”和“空手步行”。下面通過(guò)體能分析軟件，仿真分析這個(gè)崗位的人機(jī)狀態(tài)。

3 體能消耗軟件分析

對(duì)該工位員工上料和下料零件重量進(jìn)行稱量，發(fā)現(xiàn)最重零件就是內(nèi)板總成件8公斤，符合人機(jī)要求，無(wú)大件搬運(yùn)人機(jī)問(wèn)題。接下來(lái)對(duì)上料、下料和步行距離進(jìn)行測(cè)量，記錄下所有操作信息，開(kāi)始使用體能分析軟件進(jìn)行體能消耗仿真分析。

3.1 工位仿真分析

體能消耗軟件應(yīng)用在全球通用汽車研發(fā)中心和各工廠。它針對(duì)步行和搬運(yùn)等動(dòng)作要素，輸入搬運(yùn)重量和步行距離，軟件即可自動(dòng)算出完成這些動(dòng)作體能消耗的卡路里。

首先我們利用軟件分析：一個(gè)體重70kg的男性，在靜止站立狀態(tài)，無(wú)任何操作時(shí)，需要消耗1.68kcal/min。如表1所示。

其次，我們將內(nèi)板總成工位該名員工的25個(gè)上料、下料和徒手走動(dòng)的動(dòng)作要素輸入軟件，如表2所示。

最后，我們得到表3所示的體能消耗經(jīng)軟件量化的數(shù)值即此崗位員工每分鐘消耗3.3kcal。

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)公司體能消耗的人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)板總成工位每分鐘體能消耗3.3Kcal，不屬于人機(jī)工程不可接受崗位，屬于在盡可能范圍內(nèi)整改崗位。

4 工位改進(jìn)研究

4.1 改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)動(dòng)作要素進(jìn)行分析，該員工160秒的操作循環(huán)時(shí)間中，步行距離合計(jì)90米，其中搬運(yùn)零件步行41米，徒手步行49米。綜合看，步行距離比較遠(yuǎn)，我們考慮通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)減少員工走動(dòng)距離。

首先，在每個(gè)工裝附件增設(shè)過(guò)渡料架合計(jì)4個(gè)，將原本需要到生產(chǎn)線四周取的7個(gè)零件中的4個(gè)零件放置在過(guò)渡料架上，從而減少員工到操作區(qū)域最外圍取料的走動(dòng)距離，

其次，內(nèi)板分總成從工裝1到工裝2，從工裝2到工裝3，零件較重，搬運(yùn)距離長(zhǎng)。我們將控制器開(kāi)關(guān)向外移動(dòng)80cm，增設(shè)尼龍滾輪架，員工可以通過(guò)滾輪架將內(nèi)板分總成在兩個(gè)工裝之間運(yùn)送，不必人工搬運(yùn)，同時(shí)減少走動(dòng)距離。

最后，通過(guò)兩方面的改進(jìn)，新的現(xiàn)場(chǎng)布局圖如圖2所示，

該員工160秒的操作循環(huán)時(shí)間中，步行距離合計(jì)68.6米，其中搬運(yùn)零件23.8米，徒手步行44.8米。所有動(dòng)作要素輸入體能消耗軟件如表4所示。

我們得到表5所示的體能消耗軟件量化的數(shù)值即此崗位員工每分鐘消耗2.76 kcal，進(jìn)入可接受范圍。

4.2 改進(jìn)前后對(duì)比分析

通過(guò)增加尼龍滾輪架和過(guò)渡料架，員工每個(gè)節(jié)拍步行距離從90米減小到68.6米，減少步行距離21.4m，員工體能消耗從每分鐘3.3Kcal的黃色優(yōu)化到每分鐘2.76kcalde 綠色可接受區(qū)域。如表6示，體能消耗減小了25%，這樣的優(yōu)化效果被現(xiàn)場(chǎng)所接受，員工也表示非常滿意。

5 生物力學(xué)研究

我們?cè)谶M(jìn)行該崗位優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少步行距離的同時(shí)，我們也深層次思考，勞保鞋鞋墊形狀對(duì)足底疲勞的影響。我們通過(guò)有限元軟件分析鞋墊是平面和曲面兩種情況時(shí)的足底壓力峰值。

5.1 足底壓力有限元分析

本文選取一名男性被試，25歲，身高178cm，體重70kg，足部健康無(wú)疾病，對(duì)其雙足進(jìn)行CT掃描，建立了包含軟組織、28塊骨骼、足底腱膜及23條主要韌帶的足部有限元模型，如圖3。除趾趾關(guān)節(jié)設(shè)為綁定接觸外，其他關(guān)節(jié)都設(shè)為Workbench接觸中定義的No Separation接觸類型，骨骼和皮膚接觸部分設(shè)置為Bonded接觸類型，軟組織和鞋墊接s觸部分及鞋墊和地面接觸部分都設(shè)置為摩擦系數(shù)為0.6的Frictional接觸類型。材料屬性設(shè)置如表7[17-20]，載荷及邊界如圖4，提交ANSYS求解器計(jì)算，得到結(jié)果如圖5所示：

》穿著平面鞋墊時(shí)，壓力峰值為247Kpa，壓力主要集中在跖骨及足跟區(qū)域。

》穿著曲面鞋墊時(shí)，接觸面積增大，壓力峰值為157Kpa，是前者的63.7%。

》與足部底面貼合的曲面鞋墊可以有效增大接觸面積，使足底壓力分布更均勻，降低足底壓力。

》員工不再僅僅滿足于鞋墊的裝飾性更加強(qiáng)調(diào)鞋墊的功能性，能夠符合人的足型且具有一定功能的鞋墊越來(lái)越受到人們的青睞。

5.2 勞保鞋墊優(yōu)化

有限元分析表明曲面鞋墊足底壓力峰值比平面鞋墊的壓力峰值減小36%，有限元分析的結(jié)果將指導(dǎo)我們采購(gòu)勞保鞋對(duì)供應(yīng)商的要求，曲面鞋墊的導(dǎo)入讓現(xiàn)場(chǎng)步行距離遠(yuǎn)的員工受益。

6 結(jié)論與展望

隨著中國(guó)制造2025戰(zhàn)略落地，汽車行業(yè)將迎來(lái)更多技術(shù)進(jìn)化，需要員工密集作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越少，如何減少員工走動(dòng)和站立的體能消耗及緩解員工足底疲勞成為我們對(duì)高自動(dòng)化率整車廠人機(jī)重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)。本文利用美國(guó)通用汽車大學(xué)開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)體能消耗進(jìn)行量化，明確優(yōu)化前后降低體能消耗的效果，指導(dǎo)了整車廠人機(jī)優(yōu)化的方向，同時(shí)足底壓力有限元的分析，對(duì)公司采購(gòu)勞保鞋提供了理論依據(jù)。我們希望通過(guò)一系列人性化現(xiàn)場(chǎng)布局和人性化勞保用品的配發(fā)，從根本上提升員工人機(jī)滿意度和舒適度，打造更加人性化整車廠。

參考文獻(xiàn)：

[1]曉宇.中國(guó)智能制造五年規(guī)劃發(fā)布、定調(diào)“兩步走”戰(zhàn)略 [J].經(jīng)濟(jì)研究參考，2017，12：22.

[2]王百負(fù)，金書(shū)香，張祥春，黃海潮，李序梅，李天麟.汽車組裝流水線作業(yè)工人工效學(xué)調(diào)查研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1996（04）：43-45+49.

[3]尹民鑫，高文杰.汽車總布置評(píng)審流程[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（04）：207-208.

[4]方超.關(guān)于人機(jī)工程在汽車總布置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].時(shí)代汽車，2018（09）：100-101.

[5]焦菲凡，張新敏.汽車車身零件翻包作業(yè)工效學(xué)分析及改善研究[J].價(jià)值工程，2018，37（28）：270-272.

[6]賈寧，凌瑞杰，王偉，王忠旭.汽車裝配工人工效學(xué)負(fù)荷與工作相關(guān)肌肉骨骼損傷的相關(guān)性研究[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2017，34（10）：858-863.

[7]林曠世，薛慶.汽車組裝流水線作業(yè)工人工效學(xué)調(diào)查研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（22）：248.

[8]王會(huì)寧，王忠旭，秦汝莉，李玉珍，張雪艷，賈寧，李玨.汽車裝配工人肌肉骨骼疾患的不良工效學(xué)因素[J].中國(guó)工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志，2016，29（04）：266-270.

[9]李玉珍，李玨，李剛，秦汝莉，張秋玲，張雪艷，趙杰，賈寧，李煥煥，姜海強(qiáng)，王忠旭.汽車裝配作業(yè)工人肌肉骨骼損傷與工效學(xué)負(fù)荷水平的相關(guān)性[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2015，32（05）：393-398.

[10]吳琳，肖呂武，周浩，劉移民，杜偉佳，黃燦東，周靜東.汽車制造業(yè)工人肌肉骨骼疾患工效學(xué)因素分析[J].中國(guó)公共衛(wèi)生，2012，28（05）：609-611.

[11]周浩，肖呂武，吳琳，劉移民，杜偉佳，黃燦東，周靜東.汽車制造企業(yè)工人工效學(xué)負(fù)荷水平與肌肉骨骼疾患關(guān)系研究[J].中國(guó)職業(yè)醫(yī)學(xué)，2011，38（04）：312-315.

[12]顏春萍，于琦.基于人因的汽車儀表設(shè)計(jì)及工效學(xué)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007（10）：62-66+176.

[13]胡清梅，方衛(wèi)寧，李伏京.基于工效學(xué)的機(jī)車前窗刮雨器尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)[J].鐵道學(xué)報(bào)，2005（06）：34-38.

[14]朱磊，張顯奎，楊利芳.汽車儀表板的人機(jī)工效多級(jí)模糊評(píng)價(jià)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004（07）：654-656.

[15]劉浩學(xué)，楊立本，何樹(shù)坤.汽車制動(dòng)與加速踏板高度差的工效學(xué)研究[J].人類工效學(xué)，1998（03）：23-25+72.

[16]周紹鵬，游衛(wèi)平，游小平，吳運(yùn)強(qiáng)，黃玲，周金偉.汽車整車開(kāi)發(fā)流程分析[J].公路與汽運(yùn)，2018 （05）：9-12.

[17] Behforootan S，Chatzistergos P，Naemi R，Chockalingam N，F(xiàn)inite element modeling of the foot for clinical application：A systematic review [J].Medical Engineering & Physics，2017，39：1-11.

[18] Nakamura S，Crowninshield RD，Cooper RR，et al.An analysis of soft tissue loading in the foot-a preliminary report [J].Bulletin of Prosthetics Research，1981，18：27-34.

[19] Lemmon，D.，Shiang，T.Y.，Hashmi，A.，Ulbrecht，J.S.Cavanagh，P.R.The effect of insoles in therapeutic footwear-a finite element approach [J].Journal of Biomechanics，1997，30，615-620.

[20] Luo Z P，Kitaoka H B，Hsu H C，et al.Physiological elongation of ligamentous complex surrounding the hindfoot joints：in vitro biomechanical study [J].Foot & Ankle International，1997，18（5）：277-83.