汽車制造領域人機工程體系的創新開發及應用

李丹 鈕建偉

摘要：汽車制造企業工人工效負荷是影響工人身體健康狀況和員工企業忠誠度的重要指標，為提升汽車制造領域人性化操作水平，本研究以汽車整車廠操作為研究主體，創新開發了一整套汽車整車制造領域人機工程體系。通過建立覆蓋新車型研發和量產全生命周期的汽車人機工程流程體系，制定了整車新項目、新工廠和運行原有工廠等多維度的人機工作方法，基于大數據平臺搭建了汽車制造的人機工程數據庫。通過主動人機工程，完成新汽車項目開發全過程的人機評估和優化改進，實現了所有操作的人性化設計;通過被動人機工程，進一步優化汽車量產后的現場人機狀態，提升現場員工的人機安全感和滿意度。創新開發的汽車制造領域人機工程體系，在產品設計源頭消除了人機問題隱患，最大限度改善了現場員工的人機環境，在汽車制造領域實現了“以人為本，安全生產”的理念，為汽車整車開發流程改善提供了重要基石。

關鍵詞：主動人機工程;被動人機工程;人機工程體系;汽車制造;創新開發

中圖分類號：U 121;TB 18文獻標識碼：A文章編號：1672-7312（2019）02-0203-05

0引言

汽車制造業是一種典型的勞動密集型產業，負荷高、節奏快、體位差等不良姿勢廣泛存在。因此，汽車產業職業健康亟待以人為中心的設計理念[1]，而人機工程學研究正是以人為中心，強調人的健康性、舒適性和作業的安全性、有效性[2]。企業可以依據汽車生產線工藝特點和作業環境，運用ECRS（取消、合并、調整、簡化）四原則分析存在的不良工效學問題，改善汽車產業工人的工作環境和工作條件。

國際人類工效學學會對人機工程學定義：人機工程學是研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素;研究人和機器及環境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中如何統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科 [3]。

人機工程學是實現以人為中心的設計思想的重要理論基礎，也是衡量當代產品設計的重要指標。人機工程在汽車儀表設計[4-5]、汽車前窗刮雨器[6]、汽車制動與加速踏板[7]、軍用車輛駕駛室照明[8]、校車內設施[9]、指路標志[10]、生產線包裝崗位[11]、汽車組裝流水線[12-13]、工程機械[14]、汽車車身零件翻包作業[15]等多個領域獲得應用，特別是汽車制造領域目前仍屬于勞動密集型行業，汽車工人的工效學負荷與工作相關肌肉骨骼損傷的相關性研究引起了廣泛關注[16-21]，因此，人機工程已經成為我國實現工業4.0和“中國制造2025”戰略目標的重要提手[22]。以上海通用汽車制造公司為例，詳細闡述人機工程體系在汽車制造過程中的創新及應用。

開發了一整套應用于新車型設計開發和量產后工廠正常運行生產的制造領域人機工程體系[23]。在國內車企率先創建貫穿整車開發全過程以及量產后穩定生產全過程的整車制造領域“4+1”人機工程體系（如圖1所示）。所謂的“4”是指新車型設計開發階段的主動人機工程：產品設計人機評審、現場設備人機評審、生產線高度人機評審和料箱/料架人機評審;所謂的“1”是指量產后的被動人機工程：運行工廠人機工程評價[24]。

通過新車型開發階段產品和工藝設計的人機優化，以及穩定運行工廠的一系列人機改進，增強操作人員對工作的滿意度和舒適度;保證高質量生產的同時，具有較高的工作效率，為整車產品制造中操作員工的人性化生產提供了保障[25]。

1.1主動人機工程

新車型開發包含產品開發和工藝開發2大系統，先后經歷虛擬造車和實物造車2大階段。主動人機工程是指正式批量投產節點前新車型開發全過程中所有人機工程工作。主動意味著在設計階段發現的人機問題，可以盡早主動解決。譬如可以通過在數模中的虛擬造車發現可達性或通過性類型人機問題，在數模狀態下進行模擬、優化和改進，將問題解決，實現開發成本最小化。研究團隊在實物造車過程中發現與安裝力、力矩相關的人機問題，通過材質或過盈量等的優化達到滿足人機標準要求。在新車型開發階段，進行細致深入的主動人機工程工作，對量產后運行工廠人機狀態會起到至關緊要的作用。

1.2被動人機工程

新車型開發結束進入正式批量生產階段，進入量產后，產品性能和工藝布局基本固定，若在不影響生產情況下，進行人機改進是比較困難和被動的，因此量產后人機工作定義為被動人機工程工作。量產后在盡可能的情況下進行優化改善和組織員工輪崗來緩解體力疲勞，提高現場操作人員工作滿意度。

2制造人機工程體系在整車產品開發中的應用基于整車設計開發流程，在國內沒有可借鑒的新車型開發階段人機工程體系背景下，研究團隊自主開發覆蓋新車型虛擬造車和實物造車2大階段的人機工程流程體系，包括整車產品設計人機評審、設備人機評審、料箱料架人機評審、生產線高度人機評審。

在產品開發階段利用計算機仿真軟件進行人因分析已然成為主流趨勢，各種人因仿真軟件應運而生，JACK軟件正是其中的佼佼者[26]。在新車型產品設計人機評審中，研究團隊在每個數模發布關鍵節點，在國內車企中率先導入西門子開發的3D仿真軟件JACK（如圖2所示），進行同步人機工程評估。該仿真軟件搭載整車環境、工廠設備參數，對操作空間，操作可達性/通過性和盲裝等多方面，精準地進行人機狀態評估。對人機有問題的設計，直接向工程部和設計部提出改進建議，做到量化和細化[27]。

研究團隊開展了3D仿真分析的人機改進案例（如圖3所示）。通過原先設計方口的評估結果顯示，手部通過方口進行操作時發生干涉。研究團隊向設計部門提出改進建議：根據手部運動的軌跡，將開孔的上邊緣更改為圓弧形。此建議通過靜態仿真和手工樣件動態模擬的結合，完成最終新方案的評估，并且在之后的實物造車中得到驗證。仿真分析成功改善了手部的操作空間，避免了修改磨具開發成本的增加。

本研究團隊從人機風險要素：力量、姿態、重復性、環境等方面著眼，自主開發虛擬造車和實物造車階段人機確認清單，該清單，有效地實現了人機問題全面、高效的評審。團隊自主開發《SAICGM自制鈑金零件朝向確認人機工程確認流程》，從源頭上解決了沖壓模具出來的鈑金件上料架朝向和車身取料上工裝朝向要求相反的人機問題（如圖4所示），改善了現場人機狀態，消除了后期料架更改需要增加的成本。

新設備和料箱料架開發和樣件試做階段，應有明確的人機要求，發給相關的設備和料箱料架供應商標書中，也要列有相關人機評估標準和評估流程，要求供應商依據相關人機標準進行設計，從根本上確保進入企業的設備和料箱料架人性化設計水平。

3制造人機工程體系在新建整車廠中的應用過去十年間全國各家車企都在建新廠，擴大產能，本研究團隊在新工廠從圖紙規劃到正式投產創新建立了一整套人機工程工作方法。

利用大數據平臺，總結以往工廠曾經發生的人機問題，創新制定人機工程數據庫，包含人機Lessons Learned和Best Practice。沖壓車間、車身車間、油漆車間和總裝車間以及PT動力總成在新工廠規劃階段就對人機數據庫的各類問題制定策略，同時借鑒采用其它工廠的人機亮點融入到本區域規劃中。比如內飾線規劃成高度可調生產線;底盤線、門線設計同步隨行帶，機器人取代人工焊接、人工涂膠以及人工搬運。

下面是新工廠規劃階段底盤線人機優化設計案例。底盤線駕駛艙腳踏板附近某關鍵零件的安裝操作，操作點偏車前且偏車中央，員工要深度彎腰才能完成操作。

利用西門子JACK軟件進行仿真分析前，先確定吊臂橫梁距離地面高度和吊臂橫梁間距2個因子（如圖5所示），決定操作的彎腰幅度和可達性[28]。搭建如下數學模型。

1）吊臂橫梁距離地面高度50 cm時，彎腰幅度最大即探身幅度最大，滿足可達性前提下，常規設計吊臂橫梁間距2 180 cm就可以實現操作，但彎腰幅度最大，人機狀態不佳。

2）吊臂橫梁距離地面高度70 cm時，彎腰幅度有緩解，滿足可達性前提下，吊臂橫梁間距2 080 cm就可以實現操作。

3）吊臂橫梁距離地面高度95 cm時，彎腰幅度最小，探身幅度也最小，滿足可達性前提下，吊臂橫梁間距1 950 cm才可以實現操作。因為車型的寬度，吊臂橫梁間距縮小到1 950 cm有很大難度。但這個數模狀態下，員工彎腰幅度最小，人機狀態最佳。

新工廠規劃早期，研究團隊提出如上的仿真分析結果，新工廠項目組經過多次研討，最終采取將底盤吊具橫梁（L型）優化至車身底盤下方。吊臂橫梁間距從2 180 cm，縮小到1 950 cm.這樣員工就可以身體緊貼整車裙邊，無需深度彎腰就可以完成操作，人機狀態得到很好的改進。

新工廠規劃階段的人性化策略的制定，為破土動工打造了人性化生產線奠定了堅實的基礎，最大程度降低了新工廠的投入成本，同時最大的收益者是流水線上操作人員。

4制造人機工程體系在運行工廠中的應用

新車型正式量產后，運行工廠實施的多角度創新人機工程工作方法，在公司各基地工廠的全面實施，從根本上改善現場人機環境。譬如：對所有操作崗位進行最適合身高和最不適合身高人機評估和全覆蓋人機滿意度調查等。通過這些創新人機工作的開展，提升了現場員工的操作滿意度，提高了生產效率，降低了公司的運營成本。

為了操作員工更順暢完成操作，對所有操作崗位進行員工適合身高評估，實現適才適用，對崗位身高要求170 cm以下和180 cm以上崗位重點關注避免員工高個子彎腰操作和小個子員工翹腳操作（如圖6所示）。圖6汽車制造不同工位操作員工適合身高

整車出廠前需要拓印落水槽下面的鋼號。員工需要隔著前保險杠深度彎腰完成操作，每張拓印需要25 s時間。作為人機攻關課題，研究團隊借鑒電動剃須刀3個旋轉頭的結構，開發了電動拓印槍（如圖7所示），重量僅有0.5 kg，單手操作輕松簡便，可高速運轉。改進后拓印單張紙只需15 s的操作時間，每張節約10 s時間，一臺車拓印2次，合計減少20 s彎腰操作時間，人機狀態得到很好改善，操作員工的工作效率和舒適性得到提升。

5結論和展望

通過人機工程學分析方法，開發了貫穿整車開發全過程以及量產后穩定生產全過程的制造領域人機工程體系。通過虛擬數模階段發現人機問題，優化設計數學模型，大幅降低地了模具開模后變更帶來的成本增加。通過項目階段多角度的人機評審，確保量產后流水線上員工的人性化操作。通過建立覆蓋新車型研發和量產全生命周期的汽車人機工程流程體系，制定整車新項目、新工廠和運行原有工廠等多維度的人機工作方法，搭建汽車制造的人機工程大數據平臺。借助主動人機工程方法完成新汽車項目開發全過程的人機評估和優化改進，實現所有操作的人性化設計;借助被動人機工程方法進一步優化汽車量產后的現場人機狀態，提升現場員工的人機安全感和滿意度。因此，基于搭建汽車制造領域全覆蓋的人機評估體系，最大限度改善現場員工的人機環境，實現了“以人為本”的工效學理念。在未來研究中，將逐步把本研究提出的人機工程體系逐步落實到全過程、全員、全領域的細微之處，開展基礎人機工效的改善實驗，鼓勵員工深度參與人機工程體系的深化與細化。

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