打印機零部件生產工序改進前后的功效研究

黃瓊,劉何清,唐炫,米立華,朱凱穎

(湖南科技大學 資源環境與安全工程學院,湖南 湘潭,411201)

工業工程是一門綜合性工程學科,核心是降低成本、提高質量和生產率。因此,在工業工程技術廣泛應用的生產線上的研究基本都是圍繞如何提高產品生產率和公司效益展開。目前,關于生產線的研究主要集中在對生產線的合理布局,優化工藝流程減少浪費,提高生產線的平衡,最后提高生產率。如,顧麗[1]等運用工業工程的相關理論,優化了壓縮機生產線的生產方式及生產線布局,提升了生產線總體效益;鄭躍君[2]等應用工業工程的取消、合并、調整、簡化原則,減少了注塑機底箱裝配生產線的浪費,提高了生產線效率。部分研究主要集中在工序對產品質量的影響。張明文[3]等通過測定葉絲干燥工序前后游離氨基酸含量發現,經過葉絲干燥工序后游離氨基酸含量下降,降低了卷煙的刺激性,提升了卷煙整體品質。在對工序研究的基礎上,有少量文獻主要研究如何合理安排工序順序。段淵[4]針對各工序之間復雜的銜接關系,認真分析研究其數字規律,在工序條形圖解決辦法的基礎上進行解法創新,建立了“數字分析法解法”,提高了工作效率。這些研究都是追求更低的成本和時間,達到更高的效率和效益,對調整后操作人員的勞動強度或能量消耗值是否會增加的關注則較少。關于人體能量消耗的研究,國外最早是在十九世紀九十年代,通過直接測量熱量的原理得出熱量數值。在二十世紀初,人們通過雙標水法和氣體交換法等間接方法測量運動時的能量消耗值[5]。現在關于人體能量消耗研究常用的方法有直接測熱法、間接測熱法、雙標水法、心率監測法、公式預測法和膳食調查法等[6–8]。其中,間接測熱法被認為是精度比較高的測試方法,其關鍵是如何有效收集人體的呼出氣體,分析呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量,并換算成熱量[9–10]。

本文作者根據自己切身經歷及相關生產工序的調研發現,許多廠家打印機零部件生產工序存在元器件布局及作業工序設計不合理的現象,致使生產耗時長,效率低,但相關的研究卻很少。因此,本文運用基礎工業工程相關理論,調整打印機零部件的生產工序,通過間接測熱法測定人體的能量消耗值,開展不同作業工序的能量消耗研究。然后,分析能量消耗的變化特征,以期掌握工序改進前后人體能量消耗值的變化規律,指導生產線操作方式的改進,并為制定高效率、低能耗的操作方式提供參考。

1 打印機零部件生產工序的優化

1.1 改進前的打印機零部件生產工序簡介

本文以某電子有限公司組裝車間中的打印機零部件生產工序為研究對象。工序為單人手工組裝工序,即操作者不用借助機器設備便可獨自完成組裝過程。工序成品由灰輪、黑輪、沖壓件和E型環4個部分組裝而成。正式作業前,黑輪和灰輪放置在操作臺左側,沖壓件和卡刀放置在中間,裝有E型環的底座放置在操作臺右上角,如圖1所示。常規作業程序:操作者首先拿取沖壓件至操作臺指定區域,后依次將黑輪和灰輪組裝于沖壓件,再用卡刀從底座上取E型環后卡于組裝件,最后將成品移至操作臺右下側成品區。具體操作情況如圖2所示。

對該工序現狀進行調查分析發現:常規作業工序耗時較長。主要的問題有:第一,拿取黑輪和灰輪時,存在單手操作的情況。第二,拿取灰輪和黑輪后,組裝灰輪和黑輪前,存在將灰輪和黑輪換手拿取的無效動作。第三,操作臺上各組裝件擺放較零散,所占范圍較大,導致操作者雙手動作幅度較大。

圖1 改進前工作臺布局

1.2 改進后的打印機零部件生產工序

基于動作經濟原則、“5W1H”提問技術和“ECRS”原則對工序進行作業分析和動作分析。針對工序現存問題,具體改進內容如下:

(1)工作臺布局的改進(圖3)。

第一步,將灰輪放置在工人右手邊,黑輪放置在工人左手邊。改進后操作者可雙手同時拿取灰輪和黑輪,從而改進單手操作的情況。第二步,調整沖壓件和成品的擺放位置,縮短工人伸手的距離,減小動作幅度。第三步,將卡刀放置于工人右手邊,便于拿取。

(2)作業工序的改進(圖4)。

圖2 改進前雙手作業分析圖

該工序操作方式改進方案為:第一,將單手操作改為雙手操作,即在左手取黑輪時右手拿灰輪,并同時持輪至指定區域。第二,取消將黑輪和灰輪從左手放置于右手的無效動作。

1.3 改進后打印機零部件生產工序的優勢

(1)通過調整灰輪和黑輪的擺放位置,改進了拿取灰輪和黑輪時的單手操作情況。

(2)取消了將黑輪和灰輪從左手放置于右手的無效動作。

(3)調整卡刀放置位置,便于操作者拿取。

(4)對沖壓件和成品的擺放位置進行調整,縮短了操作者伸手的距離,減小了動作幅度。

通過對工序的調整改進,操作者動作幅度明顯減小,成品生產時間縮短,生產線效率得到了提高。但這僅為定性感官上的一種感覺,不能確定具體變化值,因此,本文開展了成品作業工序能耗值、耗工時及生產效率的實驗研究。

圖3 改進后工作臺布局

2 作業工序能量消耗與生產效率

2.1 實驗方案

實驗共聘請受試者16名,其中男性8名,女性8名。通過儀器測量得出受試者的基本情況,如表1所示。

根據工廠實際情況相關參數設定為:溫度22～26℃;濕度50%～55%;風速不超過0.05 m/s。環境參數由湖南科技大學人工環境氣候艙實現。

實驗主要測定參數為作業總時長和操作時受試者呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量。作業時長通過秒表測得,操作時受試者呼出氣體中氧氣含量采用CYCK-201綜合氣體分析儀測得。

CYCK-201綜合氣體分析儀可用于氧氣和二氧化碳含量的測定以及溫度和濕度的測定,本實驗主要測量氧氣含量。氧氣含量測量范圍0～25%(Vol)(最大30%),分辨率0.01%,滿量程測量精度±0.1%。儀器主要采用芬蘭維薩拉CO2傳感器測定二氧化碳含量,測量范圍0～10%,分辨率0.01%,滿量程測量精度為±0.1%。

實驗過程如下:

(1)用型號為IPR-scale 02身高體重測量儀,測量受試者身高、體重和體重指數BMI。

(2)用CYCK-201綜合氣體分析儀抽取環境中的空氣,測量其氧氣濃度。

(3)受試者進入環境艙,戴上呼吸口罩準備試驗。

(4)受試者向口罩中呼出氣體,測量其靜息狀態下呼出氣體中氧氣濃度。

(5)受試者按改進前工序的操作要求進行操作,完成10個成品后結束操作。并用CYCK-01綜合氣體分析儀測得改進前受試者呼出氣體中氧氣的含量,用秒表測得改進前作業時長,并記錄下呼吸頻率(次/min)。

(6)休息10 min后,再按改進后的工序操作要求進行操作,完成10個成品。同樣測得改進后的作業時長,受試者呼出氣體中氧氣的含量和呼吸頻率(次/min)。

數據處理:

(1)由呼吸頻率與潮氣量(500 mL)的乘積得到每分鐘通氣量。

(2)用環境中的氧氣濃度值減去受試者在操作時呼出氣體中氧氣的濃度值,得氧氣濃度的變化值。氧氣濃度變化值乘以受試者每分鐘通氣量得到耗氧量。

圖4 改進后雙手作業分析圖

表1 受試者基本情況(±s)

表1 受試者基本情況(±s)

性別 年齡/歲 身高/c m 體重/k g B MI/(k g·m-2)男 2 3.4±0.9 1 7 3.4±3.9 6 4.4±7.9 2 1.4±1.9女 2 2.5±0.8 1 6 0.7±5.2 5 1.5±7.6 1 9.8±2.3

(3)相對耗氧量是指單位體重單位時間的耗氧值,由耗氧量除以體重得。

(4)由耗氧量和二氧化碳生成量得呼吸商,根據不同呼吸商的氧熱價計算單位時間內的能量消耗值[11]。

(5)1代謝當量(MET)被定義為每公斤體重每分鐘消耗3.5 mL氧氣,大概相當于一個人在安靜狀態下坐著, 沒有任何活動時每分鐘的氧氣消耗量[代謝當量=VO2(mL·kg-1·min-1)/3.5(mL·kg-1·min-1)]。

(6)生產率是生產過程的投入與商品或勞務的產出之間的關系。生產率是一個相對指標,可根據單一投入或兩種以上投入來度量,即單要素生產率及多要素產率,生產管理中常采用單要素度量法,并根據不同的生產工作類型而不同[13],如對該工序而言,生產率可根據作業總耗時和產出產品數量得到。

(7)為表征能量消耗與生產率的關系,本文引入生產效率的概念,它表示單位體重每消耗單位能量生產出的產品數量,單位為件·kg·J-1,生產效率=生產率÷能量消耗。

2.2 實驗結果分析

采用Microsoft EXCEL 2003建立數據庫,采用IBM SPSS Statistics 24統計分析,定量資料符合正態分布用均數±標準差表示。改進前后耗氧量、相對耗氧量、能量消耗、生產率和生產效率的比較采用成對樣本t檢驗。男女比較采用獨立樣本t檢驗,當兩性差異明顯時,男女分別比較。最后,除特別說明外,檢驗水準α=0.05。

(1)表2為兩性之間總作業時長和生產率的比較。由表2可知,兩性間總作業時長和生產率存在明顯差異,因此,比較改進前后總作業時長和生產率時分開比較。

從兩性角度看,改進前后男性總作業時長明顯高于女性,生產率明顯低于女性。從總體角度看,改進后總作業時長明顯縮短(P=0.002<0.05,t=4.966),總耗時縮短約29.1%。改進后生產率明顯提高(P=0.000<0.05,t=-7.641),每分鐘生產的產品數量增加約39.6%。

表2 兩性間改進前后總作業時長和生產率的比較

(2) 表3為改進前后耗氧量和能量消耗的比較。由實驗測試可得受試者靜息狀態和作業時的耗氧量,對數據進行處理得到相對耗氧量,代謝當量和能量消耗值(見表3)。由表3可知,改進后人體耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.889)和相對耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.582)都明顯增加,每分鐘分別增加約13.2%和13.6%;改進前后能量消耗差異明顯(P=0.001<0.05,t=-5.505),改進后人體每分鐘多消耗約13.5%能量。換而言之,改進后人體耗氧量、相對耗氧量和能量消耗都明顯增加,且具有統計學意義。

據美國疾控中心和運動醫學會1995年推薦標準[14]:能量消耗小于3個代謝當量為低強度體力活動,能量消耗3～6個代謝當量為中等強度體力活動,能量消耗大于6個代謝當量為高強度體力活動,對所測體力活動進行強度分級。該工序改進后代謝當量為(2.13±0.36)METs仍低于3 METs,屬于低強度體力活動。

表3 受試者各狀態下耗氧量和能量消耗值

(3) 表4為改進前后生產效率的比較。由表4可知,根據能量消耗值和生產率得到生產效率。改進后生產效率明顯增加(P=0.000<0.05,t=-6.700),單位體重每消耗一單位能量增加約10.0%的產量。改進后人體能量消耗和工序的生產率都明顯增加,但相較于原工序而言,生產率增幅更大,因此改進后生產效率增大。

表4 試者各狀態下能量消耗和生產效率值

3 結論

(1)工序調整后,打印機零部件生產工序的總時長縮短。每生產10個打印機零部件的總時長由原來的4.05 min縮短為2.86 min,總耗時縮短約29.1%。工序生產率明顯提高,操作者勞動時間縮短。

(2)改進后單位時間內人體能量消耗值增大。改進后人體能量消耗值由原來的137.35 J·(kg·min)-1上升到155.87 J·(kg·min)-1,單位體重每分鐘多消耗約13.5%能量。但改進后代謝當量為(2.13±0.36)MET小于3 MET,仍屬于低強度體力活動。換而言之,改進后操作者的勞動強度沒有顯著變化。

(3)改進后生產效率得到了提高。改進后生產效率由0.020件·kg·J-1上升為0.022件·kg·J-1,單位體重每消耗一單位能量增加約10.0%的產量。因此,改進后操作者消耗相同能量時可組裝更多產品,提高了生產功效。