整車廠焊裝車間高自動化率下人工搬運工效學(xué)分析

李丹　鄭艷玲

摘 要：目的 汽車整車廠焊裝車間高自動化率下員工搬運零件操作的優(yōu)化設(shè)計對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操作為研究主體，采用工效學(xué)分析方法對高自動化率下員工上料、搬運和下料操作過程進行分析。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渡料架等工位改進方案，實現(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設(shè)計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

中國是勞動密集型制造大國，低端產(chǎn)能過剩，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)前國內(nèi)發(fā)展動能轉(zhuǎn)換和國際競爭加劇的形勢下，發(fā)展智能制造，是實現(xiàn)工業(yè)強國戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑[1]。

智能制造成為推進“中國制造2025”國家戰(zhàn)略最重要的舉措。其中，智能工廠作為智能制造重要的實踐領(lǐng)域，已引起了國內(nèi)車企的廣泛關(guān)注和高度重視。多家車企生產(chǎn)升級，提高自動化水平，沖壓和油漆車間因為工藝要求高自動化率早已經(jīng)實現(xiàn)，近五年各家車企主要提升焊裝車間自動化率，實現(xiàn)焊接、鉚接、螺接和涂膠等操作全部由機器人自動完成，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。

伴隨著高自動化率，汽車車間出現(xiàn)了新的人機關(guān)注問題[2-4]。汽車零部件生產(chǎn)過程中，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)負荷水平對工人肌肉骨骼疾患水平有直接影響[8-11]。以焊裝車間為例，因為以往焊裝車間低自動化率現(xiàn)場，員工每個節(jié)拍只需要在一個工裝前，從線旁料架取料擺放到工裝，完成10-20個焊點的焊接操作，然后從工裝下料擺放到下一工裝或料架，所以走動距離很短。如今焊裝車間高自動化率現(xiàn)場，員工無需焊接操作，只負責(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，因此員工每個節(jié)拍需要在料架與2、3個工裝間上料、下料，走動距離變長，增加了體能消耗。本文運用體能消耗軟件分析和有限元分析，通過現(xiàn)場布局和勞保鞋的優(yōu)化設(shè)計，減少員工體能消耗，削減員工足底疲勞，提升現(xiàn)場員工人機滿意度，最終實現(xiàn)汽車整車開發(fā)流程的人因分析與改善[12-16]。

2 內(nèi)板總成工位人機工程分析作業(yè)描述

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

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從工裝3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，按控制開關(guān)3，機器人開始焊接。②從控制開關(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，按控制開關(guān)2，機器人開始焊接。③從控制開關(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，按控制開關(guān)1，機器人開始焊接。④從控制開關(guān)1處步行到工裝3，開始下一循環(huán)。

2.2 工位人機工程狀態(tài)分析

該工位三臺機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)拍時間是160S，生產(chǎn)線平衡精益排布決定這個區(qū)域只能一個人完成所有上料和下料操作。這是高自動化率下焊裝車間新生的人機關(guān)注問題，操作集中在“零件搬運”和“空手步行”。下面通過體能分析軟件，仿真分析這個崗位的人機狀態(tài)。

3 體能消耗軟件分析

對該工位員工上料和下料零件重量進行稱量，發(fā)現(xiàn)最重零件就是內(nèi)板總成件8公斤，符合人機要求，無大件搬運人機問題。接下來對上料、下料和步行距離進行測量，記錄下所有操作信息，開始使用體能分析軟件進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。它針對步行和搬運等動作要素，輸入搬運重量和步行距離，軟件即可自動算出完成這些動作體能消耗的卡路里。

首先我們利用軟件分析：一個體重70kg的男性，在靜止站立狀態(tài)，無任何操作時，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個上料、下料和徒手走動的動作要素輸入軟件，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工程標(biāo)準，內(nèi)板總成工位每分鐘體能消耗3.3Kcal，不屬于人機工程不可接受崗位，屬于在盡可能范圍內(nèi)整改崗位。

4 工位改進研究

4.1 改進方案

通過對動作要素進行分析，該員工160秒的操作循環(huán)時間中，步行距離合計90米，其中搬運零件步行41米，徒手步行49米。綜合看，步行距離比較遠，我們考慮通過現(xiàn)場布局的優(yōu)化設(shè)計減少員工走動距離。

首先，在每個工裝附件增設(shè)過渡料架合計4個，將原本需要到生產(chǎn)線四周取的7個零件中的4個零件放置在過渡料架上，從而減少員工到操作區(qū)域最外圍取料的走動距離，

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，搬運距離長。我們將控制器開關(guān)向外移動80cm，增設(shè)尼龍滾輪架，員工可以通過滾輪架將內(nèi)板分總成在兩個工裝之間運送，不必人工搬運，同時減少走動距離。

最后，通過兩方面的改進，新的現(xiàn)場布局圖如圖2所示，

該員工160秒的操作循環(huán)時間中，步行距離合計68.6米，其中搬運零件23.8米，徒手步行44.8米。所有動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，進入可接受范圍。

4.2 改進前后對比分析

通過增加尼龍滾輪架和過渡料架，員工每個節(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)場所接受，員工也表示非常滿意。

5 生物力學(xué)研究

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

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，足部健康無疾病，對其雙足進行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求解器計算，得到結(jié)果如圖5所示：

》穿著平面鞋墊時，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，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)我們采購勞保鞋對供應(yīng)商的要求，曲面鞋墊的導(dǎo)入讓現(xiàn)場步行距離遠的員工受益。

6 結(jié)論與展望

隨著中國制造2025戰(zhàn)略落地，汽車行業(yè)將迎來更多技術(shù)進化，需要員工密集作業(yè)的現(xiàn)場越來越少，如何減少員工走動和站立的體能消耗及緩解員工足底疲勞成為我們對高自動化率整車廠人機重點關(guān)注項。本文利用美國通用汽車大學(xué)開發(fā)的軟件對體能消耗進行量化，明確優(yōu)化前后降低體能消耗的效果，指導(dǎo)了整車廠人機優(yōu)化的方向，同時足底壓力有限元的分析，對公司采購勞保鞋提供了理論依據(jù)。我們希望通過一系列人性化現(xiàn)場布局和人性化勞保用品的配發(fā)，從根本上提升員工人機滿意度和舒適度，打造更加人性化整車廠。

參考文獻：

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

[2]王百負，金書香，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].中國安全科學(xué)學(xué)報，1996（04）：43-45+49.

[3]尹民鑫，高文杰.汽車總布置評審流程[J].機械工程與自動化，2015（04）：207-208.

[4]方超.關(guān)于人機工程在汽車總布置設(shè)計中的應(yīng)用分析[J].時代汽車，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，王忠旭.汽車裝配作業(yè)工人肌肉骨骼損傷與工效學(xué)負荷水平的相關(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)負荷水平與肌肉骨骼疾患關(guān)系研究[J].中國職業(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)計及工效學(xué)評價[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2007（10）：62-66+176.

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

[14]朱磊，張顯奎，楊利芳.汽車儀表板的人機工效多級模糊評價研究[J].計算機測量與控制，2004（07）：654-656.

[15]劉浩學(xué)，楊立本，何樹坤.汽車制動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，吳運強，黃玲，周金偉.汽車整車開發(fā)流程分析[J].公路與汽運，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.