（机械电子工程专业论文）基于emengineer的车身焊装车间人机工程仿真研究.pdf

摘要 摘要 人机工程学把人一机一环境系统作为一个统一的整体来研究，以创造适合子 人操作的机械设备和作业环境，使人一机一环境系统相协调，从而保证人安全、 健康、高效、舒适的工作状态。随着社会的发展、科学技术的进步，人们对工作 和生活质量的要求越来越高，人机工程学的应用也越来越快捷、准确。本文应用 人机工程学仿真技术以及人机工程学的理论与方法，评估了某汽车企业车身焊装 生产车间的人机工程现状，对典型人机工程问题进行分析，并提出了可行的改善 方案，实践证明改善效果明显。 本文首先通过计算机辅助人机工程学、人机工程原理与分析方法和焊装工位 建模仿真技术的总结，引入了e m e n g i n e e r 仿真软件。接着在e m - e n g i n e e r 软件中 构建了焊装工位的三维虚拟模型并仿真工人操作的全过程，还原生产现场真实场 景。 本文通过计算机仿真，并结合人机工程理论，分析并改善了焊装车间内人机 状况较差的工位上的具体问题：( 1 ) 设计了一种具有宜人结构的车l - j # b 板物料架， 使工人取外板的动作更舒适，减轻了工人的劳动强度，整个操作的动作数和时间 也减少了一半；( 2 ) 引入了机械吊具解决车门的双人手工搬运问题，减轻了工人负 荷：( 3 ) 设计了一种无遮挡、梯形结构的物料箱，将物料在箱内按层排列，工人能 轻松的抓起物料，不需寻找、弯腰；( 4 ) 在工位上增加锤的喇叭型套筒支架和砂轮 的支架，改善了工人在取放工具时必须寻找、弯腰的问题；( 5 ) 在工位上增加工业 吹风机，由工人手持将散落在外板上的焊渣吹落，避免了非常困难的手举外板抖 落焊渣的动作；( 6 ) 更换了一种滑动式的焊枪悬挂锁链，简化了工人旋转焊枪的多 余动作，缩短了作业时间。 最后，本文借助e m e n g i n e e r 软件的人机工程分析工具，讨论了影响劳动负荷 的因素；引入了模糊层次分析法，对不同工种的工人在正常工作时所承受的劳动 负荷进行评价，得到了满意的评价结果；然后，根据评价的结果及经验，提出了 保持工人最佳劳动负荷的方法。 关键词人机工程学；仿真；e m e n g i n e e r ；车身焊装车间 a b s t r a c t a b s t r a c t o p e r a t o r s m a c h i n e s c o n d i t i o ns y s t e m i sc o n s i d e r e d 雒au n i f i e dw h o l ei n e r g o n o m i c s ，s ot h a tt h ee q u i p m e n ta n dc o n d i t i o nt h a ta d a p tf o rh u m a na r ec r e a t e da n d t h eo p e r a t o r s m a c h i n e s c o n d i t i o ns y s t e mi sc o r r e s p o n d e d ，s o 硒t oe n s u r eas a f e ，h e a l t h y , h i g h - e f f e c t i v e ，a n dc o m f o r t a b l ew o r k i n gs t a t u s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n d s c i e n c e ，m o r ea n dm o r ep e o p l eb e g i nt or e a l i z et h ei m p o r t a n c eo fw o r ks a f e t ya n dl i f e q u a l i t y , a n da p p l i c a t i o no fe r g o n o m i c sh a sa l s ob e c o m ei n c r e a s i n g l yc o n v e n i e n ta n d a c c u r a t e t h i sp a p e ra p p l i e st h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e o r yi ne r g o n o m i c s t h e s i t u a t i o no fc a rb o d yw e l d i n gw o r k s h o p si nam o t o rc o m p a n yi se v a l u a t e d t y p i c a l e r g o n o m i c sp r o b l e m si nt h es i t u a t i o n a l ea n a l y z e da n di m p r o v e m e n t sf o rt h e s e p r o b l e m sa l ec a r r i e do u t t h r o u g ht h ec o n t r a s ta n da n a l y s i sb e t w e e no l da n dn e w p r o j e c t ，t h ei m p r o v e m e n te f f e c ti so b v i o u s f i r s ta n df o r e m o s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h ec o m p u t e r - a i d e d e r g o n o m i c s ( c a e ) ，e r g o n o m i c sa n dw e l d i n gw o r k s t a t i o nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g y t h ee m e n g i n e e rs o f t w a r ei si n t r o d u c e dt ob u i l da3 dv i r t u a lm o d e lf o r w e l d i n gw o r k s t a t i o na n ds i m u l a t et h eo p e r a t i o n so fw o r k e r s s e c o n d ，t h ef o l l o w i n ge r g o n o m i c sp r o b l e m sa r ea n a l y z e da n di m p r o v e do n eb yo n e b a s e do nc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h e o r yi ne r g o n o m i c s ( 1 ) ac a rd o o rp l a t es h e l f w h o s es t r u c t u r ei si m p r o v e di sd e s i g n e d i tm a k e st h eo p e r a t i o n so fg e r i n gp l a t e s c o m f o r t a b l ea n dr e d u c e sw o r k e r s l a b o ri n t e n s i t y t h en u m b e ro fa c t i o n sa n dt h et i m e a r er e d u c e db yh a l f , t o o ( 2 ) ah a n g e ri si n t r o d u c e dt os o l v et h ep r o b l e mo fm a n u a l m a t e r i a lh a n d l i n ga n dr e d u c ew o r k e r s w o r k l o a d ( 3 ) al a d d e rs t r u c t u r em a t e r i a lb o x w i t h o u tw a l l si sd e s i g n e d t h em a t e r i a l sa l ea r r a n g e db yl a y e r si nt h i sb o x s ot h e w o r k e r sc a ne a s i l yg e tt h em a t e r i a l sw i t h o u ts e a r c h i n ga n db e n d i n g ( 4 ) ah o m t y p e s l e e v ef o rh a m m e ra n dab r a c k e tf o rg r i n d i n gw h e e la l ea d d e di nt h ew o r k s t a t i o n ss o t h a tt h ew o r k e rg e t st h et o o l sw i t h o u ts e a r c h i n ga n db e n d i n g ( 5 ) a ni n d u s t r i a lb l o w e ri s a d d e di nt h ew o r k s t a t i o ns ot h a tt h ew o r k e rc a nh o l di ta n dc l e a rt h ew e l d i n gs l a g i i i l i i 东人学硕士学位论文 s c a t t e r e do nt h ed o o rp l a t e t h u s ，t h ea c t i o n so fs h a k i n go f fs l a gb yh a n d sc a nb e a v o i d e d ( 6 ) as l i d i n g - t y p eh a n g i n gc h a i nf o rw e l d i n gg u ni si n t r o d u c e dt os i m p l i f yt h e r e d u n d a n tm o t i o n so fr o t a t i n gg u na n ds h o r t e nt h eo p e r a t i n gt i m e f i n a l l y , w i t ht h eh e l po fe r g o n o m i c sa n a l y s i st o o lo fe m - e n g i n e e rs o , w a r e t h i s p a p e rd i s c u s s e st h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ew o r k l o a d am e t h o df o re v a l u a t i n gw o r k l o a d s o fw o r k e r si nd i f f e r e n tt y p e so fw o r ki si n t r o d u c e db ya p p l y i n gt h ef u z z ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ( f a h p ) t h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa r ea p p r o v i n gw i d e l y t h e n ，am e t h o d t om a i n t a i nt h eo p t i m a lw o r k l o a di si n t r o d u c e db a s e do nt h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i e n c e k e y w o r d se r g o n o m i c s ；s i m u l a t i o n ；e m - e n g i n e e r ；c a rb o d yw e l d i n gp l a n t i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主塞丝 日期：鲨31 生：鲨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨惫缝导师签名：量型红日期：兰竺21 竺三， 第l 章绪论 i i i i i i 舅舅置量曼量曼曼皇曼曼量曼量量量曼曼曼曼曼量鼍曼量皇曼曼鼍曼曼舅! ! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼量量曼曼曼曼曼鼍皇曼量曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇鼍 1 1 课题的研究背景及意义 第1 章绪论 随着现代化工业的发展和新技术的应用，人的工作性质发生着相应的变化。 随之，原来不被人重视的、与人机工程有关的伤病越来越明显地显现出来。人机 工程伤害涉及面广，严重的损害职工健康，同时也直接影响工农业和国防生产， 造成巨大损失。因此，人机工程学在职业健康与劳动保护上的应用变得越来越重 要。通过企业工效学的研究以及对其现状的改善，可以减少职业相关病( 如肌骨 骼损伤) 和伤害等事故的发生率，提高生产率，为企业带来经济效益【l ，2 1 。 目前车身焊装的自动化程度还比较低，焊装作业大部分都要靠手工焊装，存 在着焊装工技术水平和经验参差不齐，操作动作不符合动作经济原则等问题，造 成各工序时间不平衡，影响焊装生产率的提高，并且焊装工的劳动强度大。在焊 装生产这一人机系统设计中，主要解决人机系统中的安全、高效、经济问题，特 别是有关人的效能、安全、身心健康。为此人机系统的设计中必须充分考虑人的 因素，反映人的需要，从而在保证安全的前提下，提高劳动生产率。在机械生产 中的人一机关系，仪器设备及零件的堆放高度，都应首先考虑是否满足人体尺寸 及人手能及的尺寸，仪器设备尺寸以及设施布局必须设计合理，这一切都以人在 生产中安全为中心，营造舒适的环境，降低疲劳，从而提高生产效率。 因此选择该课题有以下目的和意义： ( 1 ) 将目前较成熟的人机工程学改善理论应用于车身焊装生产中，并相应推广 人机工程学在汽车制造业的应用与研究； ( 2 ) 对国内汽车制造业中作业者的操作舒适度以及工作效率和安全性都可从 技术上得到提高，并对实际工位布置给予正确的指南； ( 3 ) 进一步提高车身焊装生产的工作效率，并改进常规的不当设计手段； ( 4 ) 对汽车制造有关劳动进行科学的、细致的定量评价，使劳动负荷维持在一 个适当的水平，以便有效地完成工作任务又不损害健康。 总之，对于国内学术而言，许多机械制造生产中缺乏人机工程的相关应用， l 【j 东人学硕+ 学位论文 在人机工程学方面的研究也不多( 有的相关研究还停留在经验人机工程学的基础 上) ，所以在该课题上进行研究，就是只对其中一个人机项目的研究，就可以取得 比较有意义的成果。 1 2 人机工程学 1 2 1 人机工程学的研究内容 人机工程学是一门研究人、机器、环境相互关系的综合性学科。主要研究内 容包括：人的特性研究、机器特性研究、环境特性研究、人一环境关系研究、人 一机关系研究、人一机一环境系统总体性能研究；主要研究目的是如何达到安全、 健康、舒适和工作效率的最优化【3 j 。 现代人机工程学研究的方向是：把人一机一环境系统作为一个统一的整体来 研究，以创造适合于人操作的机械设备和作业环境，使人一机一环境系统相协调， 从而获得系统的最高综合效能。二十一世纪人类步入了信息时代，随着计算机技 术和网络技术的发展，基于人机工程学的虚拟设计和测试评价已经成为可能，这 不仅可以节省大量的时间和资源，而且可以增强企业的竞争能力，人机工程学的 发展必然向着信息化、智能化、网络化的方向发展【4 】。 人机工程学的应用领域是非常广泛的，汽车工程项目中的人机工程学特指使 工作适应人的科学，研究身体运动以确保工人的运动保持柔和，它同时关注工作 环境，如合适的灯光、温度等等。要实行好人机工程的关键在于使工位和工具等 适合工作和操作，人机工程情况差的工位是进行改进的源泉，它是引进改进活动 很好的视点【5 】。 1 2 2 计算机辅助人机工程学 计算机辅助工程和仿真技术的引入，使人机工程分析摆脱了以往复杂、费时 和带有损伤性的实验，使分析更加敏锐、直观、人性化。计算机辅助人机工程 ( c o m p u t e r - a i d e de r g o n o m i c s ，c a e ) 是一个多学科知识相结合的领域，包括计算 机科学与技术、人机工程学、生理学、运动学与动力学、工程技术等，具有很多 2 第1 章绪论 优势，例如：在设计前期对人机特性的评价，可优化设计方案和设计布局，使人 和所从事的工作达到最佳的适合状态，以确保和促进工作的安全、健康和舒适， 从而减少对工作者的身体伤害 6 1 。 表1 1 人机工程软件功能对比 能否建立 功能 能否建 计算机模型的建人一机一环 ， 立人的所使用的人机分析、评价方法 立方式境系统的 嚣绎 模型 仿真 能建立可以完成对工作人体可触及范围分析、手工操作的详 多种场所的建模，可以细设计、操作可视化与实时显示、检 e m - e n g i n e e r 3 d 虚通过软件接口导能查作业的可行性、n i o s h 提升分析、 拟人体入其他c a d 软件o w a s 工作姿态分析分析、b h s a 最 模型的产品模型 大承受力分析、工时分析 可以完成对工作 视域分析、可及度分析、静态施力分 场所的建模，也可析、下背部受力分析、作业姿态分析、 j a c k 能以通过软件接口能能量代谢分析、疲劳恢复分析、舒适 导入其他c a d 软度分析、n o i s h 提升分析、r u l a 件的产品模型姿态分析、o w a s 分析 可以完成对工作 s a m m i e能场所及某些产品能可及度分析、姿态分析、视域分析 的建模 人体测量学分析、可及度分析、 可以完成对工作 e r g o 能能r u l a 姿态分析、新陈代谢分析、 场所的建模 n o i s h 提升分析、运动时间分析 可建立二维工作 e r g o n o m不能不能工作姿态分析 场所的布局模型 针对人、器械、工作场所、环境、任 e r g o t e e h 不能不能建立不能 务等进行人机咨询分析 计算机技术对人机工程的辅助最终以计算机软件的形式得以体现。根据用途 的不同，计算机辅助人机工程软件主要分为两大类：一类是研究方法软件包，如 3 山东大学硕士学何论文 用于可靠性分析的软件包s t a r s 、用于质量分析的f m s 及集成专家系统的g s a ， e r g o n l i f t 等：另一类是用于各种实际应用的入机系统软件，如目前比较常用的 s a m m i e ，j a c k ，e r g o 等阴。 计算机辅助软件的引入不但可以为人机工程的研究提供新的方法，更重要的 是为其更好地应用于生活生产提供了强力的支持。从功能的角度对目前比较常用 的几个人机工程软件的使用情况进行对比分析，如表1 1 所示。 通过对人机工程软件的对比分析可以看出，使用人机工程软件的主要目的就 是使人机工程因素在设计的早期得到应用以及对人机现状的分析。因此，人机工 程软件技术的开发着重考虑以下功能因素【7 】： ( 1 ) 能建立产品设施与工作场景布局的三维模型，或具有对三维模型访问和处 理的接口； ( 2 ) 具有能与工作空间及产品进行交互使用的数字人体模型； ( 3 ) 能对人、工作空间及产品的模型提供一定的操作； ( 4 ) 对这些模型提供易学易用的进行修改及评估的功能模块。 1 3 国内外研究现状 现代人机工程学的研究主要集中于八个方面，即：人的生理与心理特性、人 机环境系统整体设计、人机界面设计、工作场所设计和改善、工作环境及其改善、 作业方法及其改善、系统的安全和可靠性、组织与管理的效率。 m i nk c h u n g s l 等通过对操作者不良姿态的研究，开发了一个基于微观姿态分 类的姿态负荷计算机评估系统，并分析了工作引起肌肉骨骼疾患的因素，如工作 姿态、重复性劳动、强迫性劳动及静态肌肉施力等。 k a r e n am e s s i n g 9 】研究了长时间站姿的工作人员，对他们足部脚底的受压端 ( p a i n p r e s s u r et h r e s h o l d ，p p t ) 做出了精确的描述，之后给出了站姿工作者脚底p p t 的数量指数。 s u ea f e r g u s o n a 1 0 l 对健康劳动者和下背部有损伤的劳动者的工作场所进行实 验对比，研究并制定出两者工作场所的设计方针。 h e l e n i c ej a n ec o t e 1 1 】分析了肌骨骼健康问题，并从人机工程角度研究了工作与 休息的问题。 4 第1 章绪论 m s t v i n c e n t 1 2 1 等对大型超市仓库中的手工搬运工作者的工作进行了工效学 分析，描述了手工活动的主要决定因素及相关约束，包括物理布局( p h y s i c a l l a y o u t s ) 、货架( c o n t a i n e r s ) 、设备存货及刚到货品管理。 庞新福【1 3 】等通过以某厂发动机缸盖班为例，紧密围绕其所存在的问题，以及 如何提高生产效率展开了论述，充分阐述了模特法和动作研究的相关原理和基本 特点，以及它们在发动机缸盖班中应用的独特特点，最后通过对缸盖班中作业人 员的动作研究，运用模特法找出了导致生产效率低下的原因所在，进行了工时定 额，为寻求最经济、最有效、最省力的工作方法提供了一个简便易行的科学标准。 近几年，国内外对计算机辅助人机工程学也做了大量的研究： j a v i e rs a n t o s 1 4 】等指出由于仿真软件的出现，人机工程分析不再像以往那样复 杂、费时。通过一个磨削加工实例的研究，提出了中小型企业中，在重复性制造 过程中应用三维仿真分析软件有诸多优点；而在非重复性制造过程中，由于建模 工作量巨大，三维仿真分析软件就不在适用。 d a nl 冱n l l 【u l l 【1 5 】等通过大量的人机工程仿真实例研究，分析了在手工装配作业 中，利用人机工程仿真结果指导现场工人实际生产的可行性，指出当数字人体模 型应用于站立和无约束工作姿态时非常有效，同时指出数字人体模型今后应做出 的包括手的运动空间、视觉范围等几方面的改进。 朱传敏【1 6 1 等介绍了e m - h u m a n 的功能特点以及其所涉及的三个人机工程评价 分析方法，然后以某汽车缸盖生产线的一机加工工位为实例，描述在e m h u m a n 中 实现人机工程仿真与分析的过程，最后讨论了e m h u m a n 在我国的适应性。 徐明芳【1 7 】等分析了某汽车制造企业生产装配线中的轿车前纵梁总成工序，运 用j a c k 仿真软件仿真后，研究了其中人机工程问题，对工序中不合理的场景布局 及工人无效动作提出了改善方案，并对改善前后的方案进行对比分析，表明改进 效果明显。 姜海涛【1 8 】等采用虚拟装配软件e m e n g i n e e r 作为虚拟装配系统，由三维c a d 系 统构建虚拟装配环境，模拟真实生产环境及产品装配过程，利用交互方式生产流 程图、规划和时间表，对装配过程实施动态干涉检验，对装配过程进行人机工程 分析。 胥志峰【1 9 1 等介绍了手工搬运人机工程问题的现状，然后应用美国国家职业安 全卫生研究所( n i o s h ) 搬运受力分析软件、新陈代谢计算程序和3 d 静止力量预 5 山东大学硕+ 学位论文 测程序三种评价方法分别进行了分析，并对现状进行了改善。 1 4 课题的研究内容和结构 本课题以人机工程学为理论基础，基于e m e n g i n e e r 软件平台，以计算机仿真 技术为主要应用技术手段，对国内某汽车生产企业车身焊装车间进行人机工程仿 真研究，各章节的主要内容如下： 第1 章首先概述了课题的研究背景及意义，接着介绍了人机工程学的概念， 阐述了与课题相关的汽车工程中的人机工程学和计算机辅助人机工程学；总结了 人机工程学的国内外研究现状；最后引出了课题的研究内容及意义。 第2 章首先介绍了人机工程学的相关理论；然后简要介绍了e m e n g i n e e r 软件 及其子模块；最后详细阐述了e m e n g i n e e r 中的人机工程分析工具。 第3 章首先阐述了焊装工位建模仿真技术的相关理论；接着介绍了车身焊装 车间的概况；然后在e m e n g i n e e r 软件中构建工位的虚拟模型并仿真工人操作的全 过程，还原工作现场真实场景。 第4 章指出了人机状况较差的工位上存在的主要问题，包括：取车门外板操 作、搬运车门操作、物料箱、工具位置、抖落焊渣操作及旋转焊枪操作，并一一 给出改善方案；然后对改善前后情况进行对比，结果显示改善效果明显。 第5 章首先介绍了决定劳动负荷的评价因素；然后借助e m e n g i n e e r 软件的人 机工程分析工具，分析了不同工种工人的劳动负荷影响因素；最后引入了模糊层 次分析法，对工人在正常工作时所承受的劳动负荷进行评价，得到了满意的评价 结果；最后，根据评价的结果及经验，讨论了保持工人最佳劳动负荷的方法。 6 第2 章人机工程原理与分析方法 第2 章人机工程原理与分析方法 本章主要介绍人机工程分析所依据的相关原理和分析方法，包括方法时间衡 量、动作经济原则和流程经济原则，以及仿真软件e m e n g i n e e r 中的三种人机工程 分析工具：o w a s 姿态分析、n i o s h 双手抓举分析和b h s a 单臂受力分析。 2 1 方法时间衡量( m t m ) 2 1 1 方法时间衡量( m t m ) 的产生 方法时间衡量( m e t h o d st i m em e a s u r e m e n t ) 简称m t m 法，是根据动作的形 态把动作分解成动作要素，从而根据m t m 时间表查出相应的时间标准，算出整个 动作的标准时间的方法。方法时间测量系统已经发表了许多个版本，如m t m 1 、 m t m 2 、m t m 3 、m t m g d p 、m t m c 、m t m v 、m t m m 等。其中，m t m 1 是通用基本水平系统，研究成果由梅纳德等人鉴定【2 0 j 。 m t m 法适用范围广泛，大多数工作均可通过m t m 法所设定的作业时间标准 查找、计算出作业时间标准。但这种方法不适用于机械所控制的工作或动作，需 经判断的工作以及设计绘图等精细工作。 2 1 2m t m 的时间单位 m t m 方法将各种动作以1 6 m m 的电影摄像机摄影，其摄影速度为每秒1 6 框 ( 画面) 。然后根据胶片框数，取其平均值为该动作的基本时间。m t m 数据的时 间单位为t m u ( t i m em e a s u r e m e n tu n i t ) ，与普通时间单位换算公式为： 1t m u = 0 0 0 0 0 1h = 0 0 0 0 6m i n = 0 0 3 6s 例如伸右手抓取桌上距右手3 0 c m 远处的橡皮，再将其移动到距离为3 0 c m 的 左手上，这一动作的时间是2 7 5 t m u ，大体相当于l s ，这种直观感觉能让我们更 容易体会1 t m u 的含义。 因为时间衡量法的时间值是在详细分析动作记录的基础上设定的，所以不包 7 山东大学硕十学位论文 含宽裕时间，而是指具有中等水平的作业者在通常状态下以一般的努力程度进行 操作所需要的时间值。 2 1 3m t m 动作要素说明 方法时间测量把人的动作分解为多种基本动作，如足动、腿动、转身、俯屈、 跪、坐、站、行及手握等。在工业中，用手臂动作的操作最多，手臂动作又可分 为伸向、移动、转动、加压、抓取、释放、定位及拆卸等动素。采用方法时间衡 量法确定作业时间，要根据作业来决定基本动作，然后测定基本动作的类型和大 小( 如距离等) ，最后识别动作的基本性质。将每个基本动作加上宽限，再将这些 推算出来的各个时间相加，即可得出完成一项工作所必须的时间，作为建立标准 时间的依据。 表2 1m t m 动作要素说明 动作要素名称符号说明 伸手 r手或手指向目的物移动 搬运m利用手或手指将目的物搬运移动 身体的辅助动作 b a 与伸手或搬运动作同时发生的身体或肩部的移动动作 旋转 t 以前臂为轴的手或手指( 无论空手与否) 的旋转动作 加压 a p 克服阻力所附加的力 旋摆运动 c m 以肘为轴的摆动动作 抓取 g 手指或手控制目的物 放手 r l 放下以手指或手所控制的目的物 对准 p 使目的物与另一目的物对准整齐 拆卸 d 将两啮合的物体拆开并有反向动力发生 眼睛动作e m视觉从一点移动到另一点或集中在目的物上 全身动作 b m脚或身体的动作( 不包括手、臂及眼睛的动作) 动作的联合两个动作同时发生 8 第2 章人机工程原理与分析方法 2 1 4m t m 法制定标准时间的方法及步骤 ( 1 ) 注明所用器具。由于工具、夹具及设备，对工作方法有直接影响，所有时 间研究过程中必须加以记录并详细注明。 ( 2 ) 方法记录。同时记录左手、右手动作单元的符号，每个动作均应记录动作 等级、形态、距离等因素，作为最后查表赋值的依据。所有动作单元按前后顺序 记录。 ( 3 ) 求操作的正常时间。根据动作记录，查表赋值，并通过分析两手动作是合 并动作还是同时动作，来计算动作所需时间，最后将各动作所需时间累计，求出 正常时间。 ( 4 ) 计算标准时间。在正常时间基础上，根据作业性质及环境条件给予一定的 宽放时间，即可得到标准时间。 2 2 动作经济原则 动作经济原则又称“省工原则”，是使作业( 动作的组成) 能以最少的“工 的投入，产生最有效率的效果，达成作业目的的原则。动作经济原则是由吉尔布 雷斯( g i l b r e t h ) 开始提倡的，其后经许多工业工程的专家学者研究整理而成 2 1 】。 动作经济原则重视在生产中省力装置和机构的使用，推进机械化的实施，将操 作者用在非用人不可完成的工位上，改善作业环境，实施合理化的作业方法，取 消作业中的不合理、不稳定因素和浪费，充分发挥人的潜力【i t l 。动作经济原则有 四条基本原则，即：( 1 ) 减少动作的数量；( 2 ) 双手同时进行动作；( 3 ) 缩短动作的距 离；( 4 ) 轻松动作。通常我们将这四条基本原则应用于以下三个方面： 2 2 1 人与动作方法 1 双手同时开始并同时结束动作。单手作业会造成另一只手的空闲及不平衡。 2 双手的动作应对称反向进行。双手在某一方向单向动作的话，会造成体重 心的转移，而维持这种平衡的劳动将带来精神以及肌肉的疲劳。双手反向对称动 作是最省力的作业方式。 9 山东大学硕十学位论文 3 身体的动作应以最低等级的动作来进行。身体的动作幅度越小越好，动作 时间越短越好。人体的动作等级以下列次序递减： 腿的动作_ 腰的动作_ 肩的动作_ 肘的动作_ 手腕的动作_ 手指的动作 4 动作姿态稳定。使作业者能够在身体整体相对稳的情况下更轻松地工作， 这样才能提高工作效率。 5 连续圆滑的曲线动作。动作的速度和方向突然改变的话，会打乱工作节奏， 同时会消耗大量体力。 6 利用物体的惯性。像使用手锤时我们所感觉的那样，当尽可能利用手锤的 惯性和动量重量时，就会越省力，所以利用物体惯性能节省体力提高效率。 7 。降低动作注意力。人们在作业过程中产生迷惑或需要判断时，动作会有停 顿、迟疑，此时的大脑活动造成外在动作的迟疑与拖延，结果不只造成作业节奏 的变化与混乱，同时造成精神上的疲劳。降低动作注意力例子： ( 1 ) 放置螺丝刀的固定位置以喇叭型为佳； ( 2 ) 需要对准及嵌入时，以导向槽及机构装置减少对准的难度； ( 3 ) 测量时用固定规格及定位等手段，使测量工作减少脑力判断过程； ( 4 ) 利用声光等进行识别，减少注意力。 8 动作应尽可能有节奏，习惯性的节奏有助于提高熟练度。改善作业节奏的 方法： ( 1 ) 作业速度应适当，以一定的节拍规律进行； ( 2 ) 物品的摆放按工艺顺序放置； ( 3 ) 缩小手的动作范围，保持手部适当高度； ( 4 ) 物品的摆放按工艺顺序放置； ( 5 ) 放大对准精度或以声光等进行识别，减少注意力则易于产生节奏韵律； ( 6 ) 结束与开始动作在同一位置，作业过程首尾相接； ( 7 ) 如舞蹈一般的曲线动作流程自然会有节奏产生。 2 2 2 作业场所 1 材料、工装的“三定”。“三定”是指5 s 整顿中的物品摆放的基本事项，包 括定点、定容、定量三原则。 l o 第2 章人机t 程原理与分析方法 2 材料、工装预置在小臂的工作范围内。这样人可以以比较低级的动作即小 臂、手及手指拿取物品及工具完成工作。 3 简化材料、工装取放。对产品及材料按下一道工序的取拿方便原则进行放 置，另外对一些细小的、不便取放的零件，如小薄垫片、针形物等以波纹板、小 容器及弹性毯垫等方法使之容易拿取。 4 物品的移动以水平移动最佳。物品的移动应尽量避免垂直向上的移动，这 种较高等级的动作容易使人产生疲劳及工时的增加。另外较重的物品，用水平滚 轴的方式进行水平移动。 5 利用物品自重进行工序间传递和移动。物品的取放，废脚料的收集等作业 都可以利用物品重力，在斜导槽、导轨平面及圆筒等辅助下进行传递与移动。 6 作业高度适度，便于操作。站立式作业的情况下，就需要调整各工序高度， 使之保持相同水平，一般的作业情况下，作业高度在肘以下5 0 m m 处较适合，当进 行比较细致的作业时，作业高度应距眼近些，比一般作业高度高些比较适合。不 同作业高度不同，实际高度应以作业者意见为主进行讨论决定。 7 满足作业要求的照明。工作场所的光线应适度，通风应良好，温度应适度。 2 2 3 工夹具与机器 1 用夹具固定产品及工具。以固定用台钳及夹持具等来固定产品及工具，以 解放人手从而进行双手作业。 2 使用专用工具。生产线中所用工装应最适合该产品及人工操作的专用工具， 以提高生产效率。 3 合并二种工装为一种。减少工具的更换麻烦，以减少转拉的工时消耗，提 高工作效率。生活中我们常见的红、蓝两用笔及带有橡皮的铅笔，就是基于这种 思想发明的。 4 提高工具设计便利性，减少疲劳。工装夹具在使用中越专用则会越方便， 方便使用就会减少疲劳。例如：o ) t 具手柄方便抓握；( 2 ) 作业工具与人体动作相 协调；( 3 ) 1 装夹具的操作应以i e 的方法进行评估。 5 机械操作动作相对安定并且操作流程化。例如：( 1 ) 操作位置应相近集中； ( 2 ) 让机械尽量减少或脱离人的监控和辅助；( 3 ) 开关位置与下工序兼顾；( 4 ) 1 件自 山东大学硕+ 学位论文 动脱落；( 5 ) 能够自检的自动化；( 6 ) 安全第一；( 7 ) 小型化；( 8 ) 容易进行作业准备。 2 3 流程经济原则 生产过程中的流程主要指产品从原料加工成部件又由部件组装成成品的过 程。物料在过程中进行流动变化，同样，j n - v 工艺、人员、信息在这一过程中也 在流动中变化，由此我们发现生产过程中的流程主体有很多种【2 2 】。 在工场中流动周转的因素包括信息、物料、机械、资金等，在制造现场直接 相关的流程包括生产加工的工艺流程、人的作业流程、手的操作流程。以下就这 几方面的流程经济原则，进行具体说明。 2 3 1 生产流程路线的经济原则 生产流程是指原材料生产加工的工艺流程。在对这一过程进行路线分析时， 应用程序分析的基本工序符号如停滞( v ) 、搬运( o ) 、加工( o ) 、检查( 口) 进 行分析。加工的生产流程线路与流水线的装配的经济原则的分析说明如下： 2 3 1 1 流程路线的经济原则 ( 1 ) 路线越短越好。观察流程路线图时，第一眼需要判断的是整体流程范围及 路线的长短，范围越小路线越短则越经济。 ( 2 ) 禁止孤岛加工。某一个加工工序与其它工序间相隔的状态称为孤岛，这种 形式必然造成工序间的停滞堆积及搬运的很大浪费。小工序则直接合并到生产线 上大型加工设备，难以流水化生产线式布置时则需自主开发小型专用设备。 ( 3 ) 减少停滞的原则。停滞比加工与检查的总和多时称为停滞多余，当合计次 数达到两倍以上时表示停滞极多，则必须大量减少这种浪费，方可提高效率，目 标是原料与成品的停滞各一次。 ( 4 ) 消除重叠停滞现象。加工与加工之间的停滞多数是工序等待，第一步消除 的就是货架等待。货架的等待将会使前置时间过长，同时连续三个等待存在的情 况下，必然有货架至货架的移动发生，称为横移。应该消除这种横移的作业，以 减少工序间的等待。 ( 5 ) 消除交叉工艺路线。工艺路线的交叉会带来混乱与浪费，按流程顺序排布 1 2 第2 章人机工程原理与分析方法 即可消除这种浪费。 ( 6 ) 禁止逆行的原则。原本应该指向出口的后工序由于设备布局的限制，逆行 反向折返的情况常有发生，只需根据流程自然指向出口布局即可。 2 3 1 2 生产线经济路线原则 生产线的经济路线原则与一般流程经济原则有很大不同，主要在于前一项着 眼于去除整体生产过程中大的浪费，而生产线上的经济原则用来去除中等的浪费。 以下就生产线的平面流程线路与正面流程线路两个方面进行分析。 ( 1 ) 平面分析。平面分析是将生产线的平面布局按实际比例画成图纸，对流程 进行记录分析，目的在于消除流程路线的起伏所致浪费，通过改造设备、机械、 工装、作业台，使流程呈直线运行，最大限度消除浪费。 同时为减少行走距离将设备间距压缩至最小，使作业者的每步行走都可作业。 其中影响设备间距的设备操纵盘，如不是每次都需操作的话，可考虑搬离设备与 生产线。 ( 2 ) 正面分析。将生产线从正面进行流程的绘制与分析，从中发现物料的起伏， 最大限度减少上下起伏造成的无谓劳动，因此统一工序平面高度。 无论是正面分析还是侧面分析，目的都是要缩短制程距离，减少中间波动， 以便减少浪费，特别是一人多工序作业时，这种改善尤其重要。可以用一根细线 拉于制程两端，调整相关设备，使人的作业保持平面及正面的直线最短状态，这 种方法称为生产流程的经济路线原则。 2 3 2 作业流程经济原则 2 3 2 1 人的作业流程的经济原则 ( 1 ) 路线最短原则。提高人的生产效率时，缩短线路是最重要的改善。 ( 2 ) 消除间隔。物料堆放区与机械，机械与机械之间彻底消除间隔，另外放置 区与机械的规格缩小，去掉机械上不需要的部分，消减机械正面宽度，以减少工 序间距。 ( 3 ) 工艺流程原则。不论任何工场都有其产品特性，不同产品的加工、生产、 装配流程都有自身固有的特点与模式，因此根据此流程程式及特点进行现场物料 及机械的布局是一个基本通用原则。 1 3 山东大学硕十学位论文 ( 4 ) i o 一致原则。原料的放置区与成品放置分离的情形对于人的流程线路来讲 是致命的缺点，当将成品放完后，生产流程也就完成。但多数情况下这种作业是 循环往复周期进行的，那么人就不得不再次折向原料区以继续这一工作，因此原 料堆放区与成品区一致，是效率最高最经济的方法。 ( 5 ) 禁止流程路线逆行的原则。工具和检验集中布置时会造成很多局部流程逆 行的地方，对此只要根据流程将工具、检具和机械进行生产线流水化同步布置， 消除回折的流程线路即可。 ( 6 ) 零等待的原则。当机械输送时人只是在等待，这时若能兼顾其他工序则可 节约时间，提高效率。解决办法是多能工及无需人监控的自动化。 2 3 2 2 生产线生产的经济原则 生产线方式流水化生产的情况下，主要对物料的流动进行平面及正面的流程 线路分析，以改善、减少物流移动中的搬运及无谓移动损失。同时第2 3 2 1 款中所 述6 项原则一样适用于生产线作业。 2 4e m - e n g i n e e r 软件 e m e n g i n e e r 是t e c n o m a t i x 公司数字化工厂软件e m p o w e r 中的工程应用模块。它 提供一个虚拟制造的研究环境，支持从工厂、生产线到生产单元不同层次的制造 过程进行设计、分析、仿真和优化，并能进行工作空间设计、过程仿真、装配分 解作业、品质公差管理等【2 3 1 。e m e n g i n e e r 主要包括e m h u m a n 、e m w 色l d 、 e m - w o r k p l a c e 、e m a s s e m b l e r 等子模块，每个子模块都可以单独使用，也可以与其 他子模块整合起来集成使用1 2 4 1 。 2 4 1e m h u m a n 模块 使用e m h u m a n 可对人工操作进行详细的设计、分析和优化。e m h u m a n 提供 多种三维虚拟人体模型，可实现人工作业的准确仿真、人机工程和装配时间的分 析，支持对人工作业视野检查、工位交互式改进及不同设计方案的评估。其主要 功能有： ( 1 ) 手工操作的详细设计。e m - h u m a n 提供一套虚拟3 d 环境来设计和优化手工 1 4 第2 章人机r 程原理与分析方法 操作