人机操作分析在底座生产线改进中的应用

人机操作分析在底座生产线改进中的应用

姚志平1，张仙芬2，李海庆2

(1.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000；2.北方特种能源集团晋东公司，山西 阳泉 045000)

摘 要：依据某型产品底座生产线节拍，找出引起底座供货期滞后的生产线瓶颈，应用人机操作程序图对底座车型、钻孔与去毛刺瓶颈工序的人、机时间利用率进行分析，通过操作人员可操作设备台数计算，指出传统管理中一人一机的生产组织方式导致了车型工序人员利用率低；通过对操作人员的动作分析，指出钻孔与去毛刺工序操作人员双手动素不平衡、无效动素多导致了人工时间长带来的设备闲置。采取增加车型工序操作人员设备操作台数，使车型工序操作人员的利用率由33.6%提高到了67.3%，工序生产节拍由113 s降为56.5 s；采取改进钻模，缩短了钻孔与去毛刺工序操作人员的工作时间，使设备利用率由16.1%提高到了71.8%，人员利用率由83.9%提高到了89.7%，有效利用了人员与设备的闲余能量，提高了底座机械加工生产线的生产效率，保证了合同供货期。

关键词：闲余能量；人机操作程序图；动作分析；生产节拍；宽放率；三倍标准差法

随着科学技术的迅猛发展，机械制造与加工技术发生着日新月异的变化，机械加工设备的种类不断更新，自动化程度不断提高，越来越多的现代化机械加工设备应用于生产，成为制造业提高生产效率的重要手段。在现代生产中，自动化设备的应用取代了人力[1]，使人在生产作业中的作用变得越来越小[2]，由此，人、机时间利用率差异带来的人机配合不同步问题显现出来。释放员工潜能，促进人机协调作业，成为现代生产中提升人、机作业效率的关键。

近年来，北方特种能源集团晋东公司因产品种类增多、订货需求增加，致使公司现有机械加工能力与订货需求不匹配，主要表现为部分产品的机械加工零件的生产进度滞后于非机械加工零件的生产进度，从而制约成品装配，影响合同交付的进度。其中，某型产品底座供货进度滞后最为明显。本文以某型产品底座机械加工生产线为研究对象，应用人机操作分析对底座生产线中人机时间利用率进行分析，以提高生产效率。

1 底座生产线人机操作分析

1.1 人机操作分析

人机操作分析又称人机作业分析，是应用于机械作业的一种最常用的分析技术。其通过对某一项作业的现场观察，应用人机操作程序图记录作业过程中的人员和设备在同一时间内的工作状况，描述在设备运转的状态下，1个操作周期内操作人员和设备的关系，将操作周期内操作人员的手动时间和设备的运转时间清楚地显示出来，进而深入分析工作不合理之处和存在的浪费现象，得到最合理的操作方法的过程[3]。其目的在于了解并利用人员工作时间和机器工作时间中没有充分利用的那部分时间和能力——人和机器的闲余能量[4]，使人和机器的配合更加协调，充分发挥人和机器的效率，以消除过程时间和成本浪费，改善作业效率。

1.2 底座生产线人机操作分析

1.2.1 生产线生产节拍

某型产品底座生产线有12道工序，配用公司机械加工生产线中设备5台、操作人员9人。底座的生产工艺流程为：下料→车型→清洗Ⅰ→普验Ⅰ→车端面与镗孔→清洗Ⅱ→普验Ⅱ→钻孔与去毛刺→清洗Ⅲ→车螺纹→清洗Ⅳ→普验Ⅲ。其中，下料、车型、车端面与镗孔、钻孔与去毛刺、车螺纹工序为人机作业，每道工序配1台设备、1名操作人员；清洗、普验工序为人工作业，4道清洗工序由1名操作人员负责完成，每道普验工序配1名操作人员。

根据合同订货量、供货期及成品装配进度要求，底座生产线生产节拍[5]为57 s，统计底座生产线各工序生产时间如图1所示。其中，车型工序时间为113 s，超出生产线生产节拍56 s；钻孔与去毛刺工序时间为87 s，超出生产线生产节拍30 s。车型、钻孔与去毛刺工序是影响底座生产线生产效率的瓶颈，因此，对车型、钻孔与去毛刺瓶颈[6]工序进行人机操作分析与改善。

图1 底座生产线各工序生产节拍

1.2.2 标准工时测定

本公司制订的劳动定额执行如下。

1)60进分秒式秒表计时法，观测频次10次，观测时机为设备正常运行约1 h进行。

2)异常数据采用三倍标准差法剔除，计算公式为：

式中，X是观测时间；σ是标准差。

3)观测时间平均值观测值剔除异常值后的平均值。

4)机械加工生产时间宽放率为18.8%(含：生理需要15 min、休息宽放40 min、作业宽放15 min、准备与结束宽放20 min，工作时间8 h)，宽放率=(生理需要+休息宽放+作业宽放+准备与结束宽放)/工作时间×100%。

5)评定系数：1。

6)正常时间=观测时间×评定系数。

7)标准时间=正常时间×(1+宽放率)。

根据底座加工工艺规程，分别对车型工序、钻孔与去毛刺工序进行作业单元划分，按上述要求进行各作业单元时间观测，并计算正常时间和标准时间，结果分别见表1和表2。表2中钻孔Ⅰ、钻孔Ⅱ时间观测值为设备显示操作时间值。

表1 车型工序作业单元标准时间表

名称夹料送料夹紧钻孔1钻孔2粗镗孔精镗孔精车外圆粗车外圆精车外圆切断抽检观测值/s203688106811515174896129794121947879771051422466976995151856968899413195776107784131749971178761118377696810515174888787105131846977697614观测时间/s19478797895143σ52333532433UCL24610111014101013817LCL1424544465211评比系数11111111111正常时间/s1947879789514宽放率/%18.818.818.818.818.818.818.818.818.818.818.8标准时间/s22588108911616

表2 钻孔与去毛刺工序作业单元标准时间表

名称取底座底座装夹紧夹开机钻孔Ⅰ钻孔Ⅱ松夹取底座去毛刺抽检观测值/s84134661049963156661457764126661271098510466114118731366615687531156610769651156611877841256612697931146613478761256612969观测时间/s7412566126883σ4342005553UCL71676617111311LCL3183667135评比系数1111111111正常时间/s741256612688宽放率/%18.818.818.818.818.818.818.818.818.818.8标准时间/s8514677147910

1.2.3 绘制人机操作程序图

根据表1和表2标准时间，分别绘制车型、钻孔与去毛刺工序人机操作程序图(见图2和图3)。

图2 车型工序人机操作程序图

图3 钻孔与去毛刺工序人机操作程序图

1.3 存在的问题

从图2可知，车型工序存在问题是操作人员空闲时间长，人员利用率仅为33.6%，人员空闲率高达66.4%，人工时间浪费严重。

从图3可知，钻孔与去毛刺工序存在的问题是设备(数控铣床)闲置时间长，设备利用率仅为16.1%，闲置率高达83.9%，设备闲余能量多，浪费严重。

车型工序中人的闲置和钻孔与去毛刺工序中设备的闲置，使工序人机配合不协调，生产效率低，整条底座生产线存在等待浪费现象。

2 问题分析与改善

2.1 车型工序问题分析与改善

在车型工序中，由于设备工作时间长，使操作人员有较多的闲余时间。分析、计算底座结构与加工工艺中自动车床各作业单元的加工速度、工作行程、走刀量、工作转速及夹辅具等工艺参数，所有工艺参数都无缩短车床加工时间的调整空间。根据底座结构尺寸、公司车削工时制定标准，计算换用数控车床进行底座车型的工作时间，计算结果为235 s，因此更换数控车床不能缩短设备的工作时间。

现场调查公司机械加工生产线布局，所有自动车床统布在同一区域，每台车床间隔距离2.5 m，测试相临2台设备工位间步行时间约为6 s。车型工序操作时间(L)、设备工作时间(M)、设备工位间步行时间(W)和操作人员可操作设备台数(N)计算公式如下：

由上式计算可知，底座车型操作人员有较多的富余能量(见表3)。在公司传统管理中，一人一机的生产组织方式造成了车型工序人员的闲置。

表3 操作人员可操作的设备台数计算表

步行设备布局W/sL/sM/sN/台相临638752.6间隔1台1238752.3间隔2台1838752.0

针对生产安排不合理造成的车型工序操作人员闲置，采取增加底座操作人员设备操作台数来提高人员利用率。由于公司现有设备全部用于不同产品零件的生产，不能将其他产品用设备调整到底座生产线中，因此，采用底座车型工序操作人员再操作1台生产其他产品零件的自动车床，与另一名操作人员进行两班轮班作业，可缩短车型工序生产节拍，提高操作人员利用率[7]，降低其他工序等待形成的浪费[8]。根据任务量及零件加工时间测算，每名操作工可以增加1台操作时间同为38 s、设备工作时间为75 s、步行时间为12 s(与底座车型设备间隔1台设备)的零件生产自动车床。

2.2 钻孔与去毛刺工序问题分析与改善

钻孔与去毛刺工序中，操作人员操作时间是设备操作时间的5.2倍，围绕该工序现场操作布局(见图4)，观察、分析工序中各作业单元，应用周程测时法对操作人员操作动素进行时间观测与动作分析(见图5)。

图4 钻孔与去毛刺工序布局示意图

图5 钻孔与去毛刺工序操作人员动作分析

由图5动作分析反映出如下问题。

1)双手动作不均衡。在双手的40个动素中，右手有效动素[9]18次，左手有效动素仅9次，左手的其他11个动素均为无效的把持与等待动素。

2)移动动素多，时间长。在双手的27个有效动素中，有12次为移动动素，时间为39 s。移动动素中，操作人员需要频繁弯、伸腰部，容易使操作人员疲劳而放缓操作速度。

3)左手把持次数多，无效操作占用时间长。左手把持动素7次，时间为32 s，其中紧夹、松夹把持底座时间为24 s。

4)操作人员存在等待。操作人员双手等待6次，其中设备操作时需要等待28 s。

5)测底座时，读数时间长。测底座尺寸时，使用游标卡尺进行测量，读数时间需要7 s，时间相对较长，且容易使操作人员出现视觉疲劳。

分析表明，上述5项问题的存在，造成了操作人员操作时间长，致使设备长时间等待与闲置。针对上述问题，进行如下改进。

1)改进钻孔模具。根据底座尺寸设计6工位组合钻模，用6工位组合钻模代替原来的单件三爪夹，延长一次装夹后钻孔设备的工作时间，减少操作人员装夹次数，即减少装夹的操作、移动、等待动素和装夹过程中操作人员弯腰的频次，同时平衡双手作业动素，底座装钻模及钻模装夹时，双手进行相同操作，避免把持与等待动素，缩短操作时间，减轻人员劳动强度。

2)改进钻模夹具。根据6工位组合钻模设计带有定位元件的平口钳，用平口钳装夹6工位组合钻模代替原来弹簧卡套三爪的单件装夹方式，保证6工位组合钻模装夹需要；用定位元件加快装模速度，取消装夹时左手把持的无效动素时间。

3)配备2套6工位组合钻模。在6工位组合钻模延长钻孔设备工作时间的同时，配备2套组合钻模，在一套钻模装底座进行钻孔作业时，操作人员进行另一套钻模的装模作业，减少设备工作时操作人员的等待时间及操作人员装模过程设备的闲置时间。

4)调整抽验量具。将游标卡尺改用电子数显卡尺，简化操作人员认读过程，提高认读速度，缩短抽验时间，减轻操作人员视觉疲劳[10]。

3 效果评价

3.1 车型工序改善效果评价

3.1.1 生产节拍时间

改进后，车型工序操作人员操作2台设备，在113 s的时间内出产2件零件，生产节拍降为56.5 s。3.1.2 人机时间利用率操作人员操作2台设备后，操作人员工作时间增至76(38+38) s，人工时间利用率提高到了67.3%(76/113×100%)，较改进前提高了33.7%。改进后车型工序人机操作程序图如图6所示。

图6 改进后车型工序人机操作程序图

3.2 钻孔与去毛刺工序改善效果评价

3.2.1 生产节拍时间

改进后，钻孔与去毛刺工序生产6件的周程时间为117 s，生产节拍降为19.5 s，生产效率大幅度提升。

3.2.2 人机时间利用率

改用6工位组合钻模后，平衡了双手操作，双手操作动素相差由原来的33.%降为13.5%；移动动素由原来的44.8%降为34.2%；无效动素由原来的42.5%降为37.6%。改进后动作分析图如图7所示。

图7 改进后钻孔与去毛刺工序动作分析图

数控铣床一次装模加工时间由原来的14 s提高到了84 s，设备利用率由原来的16.1%提高到了71.8%；配用2套6工位组合钻模，在设备工作中，操作人员进行去毛刺、抽验和装模操作，避免了原来设备工作过程中操作人员完全处于等待的状态，人员利用率由原来的83.9%提高到了89.7%。改进后人机操作程序图如图8所示。

图8 改进后钻孔与去毛刺工序人机操作程序图

3.3 改进前后对比

车型、钻孔与去毛刺工序改进前、后指标对比见表4。

表4 改进前、后效果对比

工序名称指标名称前后变化值车型生产节拍/s11356.556.5人工时间/s387638人员利用率/%33.667.333.7钻孔与去毛刺生产节拍/s8719.567.5人员利用率/%83.989.75.8设备利用率/%16.171.855.7双手操作动素差/%33.413.819.6移动动素/%44.834.210.6无效动素/%42.537.64.9

4 结语

机械加工是制造业中较为广泛的一种加工形式，本文应用人机操作分析，对某型产品底座机械加工生产线进行了分析与改进，对企业其他机械加工零件生产线及传统管理方式的改进起到了助推作用，使生产管理逐步朝着精益化管理方向发展。底座生产线的改进有效提高了生产效率，实现了降低人员和设备闲余能量的目标，但从生产线各操作工序的生产节拍、生产线工序平衡[11]和人机时间利用率来看，还有较大的提升空间，这将是后续持续改善的方向与目标。

参考文献：

[1] 莱克·杰弗瑞.丰田模式[M]. 李芳龄，译.北京：机械工业出版社，2013.

[2] 段伟仪，孙丽，韦江，等.人机作业分析在轮对生产线中的应用[J].大连交通大学学报，2014,35(1)：111-113.

[3] 华通咨询.精益管理技术[M].广州：广东经济出版社，2014.

[4] 温薇,丁文英,董绍华. 动作分析法在减速器装配流水线设计教学中的应用[J].工业工程,2009,12(2):126-130.

[5] 姜上泉.打造一流现场的77个关键细节[M].北京：中国电力出版社，2011.

[6] 白东哲.生产系统现场工作研究[M].北京：机械工业出版社，2004.

[7] 章旸.成本驱动精益生产[M].杭州：浙江大学出版社，2011.

[8] 金应锡.丰田精益生产管理实践[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[9] 俞伟.吸油烟机总装流水线系统平衡技术研究与应用[D].上海：上海交通大学，2007.

[10] 丁玉兰.人机工程学[M]. 3版.北京：北京理工大学出版社，2005.

[11] 鲍·凯特,德鲁·劳克尔. 精益办公价值流[M]. 张晓光，谢安平，译.北京：中国时政经济出版社，2010.

责任编辑 郑练

The Application of Man-machine Operation Analysis in the Base Line Improvement

YAO Zhiping1, ZHANG Xianfen2, LI Haiqing2

(1.Shanxi College of engineering and technology, Yangquan 045000, China; 2.Jindong Company of North Special Energy Group Co., Ltd., Yangquan 045000, China)

Abstract：On the basis of a certain type of product base production line rhythm, JD company find out the cause of the production line delivery delay bottleneck base. Applying man-machine operation procedure, the base models and drilling and deburring process bottlenecks concerning man and machine utilization are analyzed. Through the operating personnel operating the equipment station number calculation, a problem is pointed out that in traditional management, a machine production organization leads to low utilization of vehicle process personnel; through the operation of personnel movement analysis, find out the drilling and deburring process operators hands therbligz imbalance which is caused by long hours of idle equipment. To increase the vehicle operation personnel and equipment operation units, the use of models operation personnel rate increases from 33.6% to 67.3%, and production process is reduced from 113 s to 56.5 s; to improve drilling die, shorten the time of drilling and deburring operations staff , the equipment utilization rate increased from 16.1% to 71.8%, and personnel utilization rate is enhanced from 83.9% to 89.7%, effectively using personnel and equipment spare energy, and improving the efficiency of the production base of machining production line, ensuring the contract delivery period.

Key words：idle energy, man-machine operation program, motion analysis, takt time, wide release rate, three times standard deviation method

中图分类号：TH 163

文献标志码：A

作者简介：姚志平(1966-)，男，讲师，主要从事机械制造教学与工艺技术等方面的研究。

收稿日期：2016-12-19