作者之一 ：蔣南云
0 引言
隨著人性化理念日益受到關注，企業在追求經濟效益的同時更加關注人與機器之間的協調關系，使人在系統中安全、舒適、高效、健康、經濟地發揮作用，以適應現代化生產。以往文獻［1-3］多從人機尺寸關系、工具改進等單一方面進行人機系統設計。本文綜合運用工業工程的人機工程學［4-5］、現場管理［6］等理論設計實驗內容，以機加工車間常見的XB6140 型臥式銑床為實驗對象，分別從工作臺椅尺寸、輔助工具改進、時間以及操作分析等多個方面進行人機系統優化，使人機系統更加符合動作經濟原則，進而幫助企業提高生產效率。
1 、臥式銑床人機系統存在問題分析
選取機加工車間臥式銑床人機系統為實驗對象，其中“人”是銑床操作員，主要操作銑床完成加工工件表面工序，“機”是XB6140-半自動臥式單頭專用銑床，加工工件表面粗糙度以及溝槽等，還包括一些輔助工具，以便操作銑床。加工工序包括厚度切削和輪齒加工兩步驟，具體如圖1 所示。
圖1 加工工序圖
1． 1 現有人機系統尺寸分析
1． 1． 1 工作椅與工作臺
通過實驗測量，現有人機系統中工作座椅表面高度距離地面690 mm，加工銑床的工作臺面高度距離地面為1 120 mm; 操作員小腿加足高經測量尺寸為388mm，計算可知操作員坐在工作座椅上足底距離地面的高度為690 － 388 = 302 mm，說明當操作員坐在該座椅上工作時，腿部自由下垂，腳部懸空; 操作員坐姿肘高經測量為284 mm，肘關節距離地面為284 + 690 = 974mm，肘關節比機床工作臺低1 120 － 974 = 146 mm，說明操作員工作時須長期抬高肘部工作，給肩關節及肘關節帶來負擔。人機系統詳細尺寸如圖2 所示，工作
臺與操作員接觸面處無腿部活動空間，操作員工作時腿無處擺放，需向前探身工作，易使操作員腰背部肌肉和韌帶長期超負荷使用而引起勞損。
圖2 人機系統尺寸分析( mm)
1． 1． 2 輔助工具
( 1) 手工工具。在加工過程中，需使用工具鉗夾取待加工件。現有工具鉗如圖3 所示，其形狀和普通的剪刀相似。從圖中的箭頭方向和腕部作用點可知，施力方向與作用點不在同一水平線上，長期保持這個姿勢，會造成靜肌負荷，從而引起腕道綜合征，對人體造成傷害。
圖3 工作鉗示意圖
( 2) 操作裝置。在加工過程中，每加工完一個工件需用腳踩地面上的踏板鈕，以便松開夾具取下已加工工件。此時操作員坐在座椅上，腳距離地面302mm，無法完成操作，只能從座椅上下來或半側坐才能觸碰到地面踏板完成操作，既浪費時間也易造成人體關節損傷，急需優化調整。
1． 2 現有人機系統效率分析
由加工工序圖( 見圖1) 可知，待加工件需進行兩道主要工序才能夠完成銑床加工: 厚度切削和輪齒加工，由一名操作員完成。首先操作者利用銑床①進行工件待加工面的厚度切削，不斷重復進行，工作時間為上午3． 5 h，共加工750 個零件; 然后再利用銑床②進行工件的輪齒加工，工作時間為下午4 h，共加工740個零件; 操作員工作7． 5 h。銑床①厚度切削加工時，銑床②閑置，銑床①利用率為: 3． 5 ÷ 7． 5 × 100% =46． 7%; 同樣銑床②輪齒加工時，銑床①閑置，銑床②利用率為: 4 ÷ 7． 5 × 100% = 53． 3%。即便是在銑床①、②的工作時段內，由于裝夾工件、取下工件、清理工作臺鋁屑等也占用時間，銑床仍存在空轉時間。人機系統中機床利用率低，資源浪費大，操作人員缺乏動作標準，隨意性大，急需制定標準作業時間，協調人機操作，提高人機效率。
2 、車間人機系統優化設計
2． 1 實驗一: 人機系統尺寸優化
2． 1． 1 工作椅與工作臺改進
根據高度推薦值［7-9］規范，輕型裝配坐姿作業面高度建議為720 mm，高于肘部110 mm 左右，而實驗中人機系統作業面高度為1 120 mm，因此需將座椅加高至1 120 － 284 － 110 = 726 mm，取整數為720 mm。
2． 1． 2 輔助工具改進
( 1) 手工工具改進。使用工作鉗夾取待加工件時，需避免人體腕部方位與加工方向不協調，應保持手腕順直狀態，因此可設計工作鉗握把彎曲。不僅可以加大施力、減少腕部損傷，而且在機床加工工件時還可用工作鉗觸碰機床暫停按鈕，減少身體前傾或手臂前伸，縮短動作移動時間。改進后工作鉗如圖4 所示。
圖4 改進后工作鉗示意圖
( 2) 操作裝置改進。操作員控制卡盤松開工件需腳踩腳踏板。坐姿操作時，工作椅座面與工作椅支腳距離一般為450 mm［9］，那么座椅支腳離地面高度應設計為: 720 － 450 = 270 mm; 此時將操作者腿部正前方的機床向里凹進距離地面300 mm，寬200 mm，高500mm 立體空間，將腳踏板放置于該空間內，如圖5 所示。這樣操作者坐在座椅上踩腳踏板時，可以直接從支腳移至腳踏板上或者直接將腳放在凹進的立體空間內，不僅減少操作者上下座椅動作，節約操作時間，而且保證腿部足夠的活動空間，避免操作者上身長期前
傾帶來的背部損傷。
圖5 人機系統尺寸改進( mm)
2． 2 實驗二: 人機系統時間研究
由于人機系統尺寸和加工工具的改進，縮短了操作人員加工時動作移動距離，降低了工作疲勞度，因此利用模特排時法［10］重新對厚度切削操作進行動作分解以制定標準作業時間［11］: ① 拿取待加工工件至卡盤附近M3( 小臂動作) ; ② 利用工作鉗夾取物件M1( 手指動作) ; ③ 打開機床開關M1( 手指動作) ; ④ 開始加工伸向開關處按下運行M5( 大臂動作) ; ⑤ 刀具自動加工10 s( 無需人參與) ; ⑥ 完成后按下暫停M5( 大臂動作) ; ⑦ 松開卡盤時需完成腳踏板操作F3( 下肢動作) ; ⑧ 取下已經完成輪齒加工工序的部件放入收納盒M3( 小臂動作) ; ⑨ 往臨時工件收納盒中放入已加工部件P2( 終結動作) 。
計算可得，厚度切削人員作業時間= M3 + M1 +M1 + M5 + M5 + F3 + M3 + P2 = 23 × 0． 129 = 2． 967 s，加上刀具自動加工時間10 s，可得厚度切削標準作業時間為12． 967 s( ≈13 s) 。輪齒加工與切削加工的人員操作動作完全一致，只是輪齒加工機床的刀具自動加工時間為12 s，因此輪齒加工標準作業時間為2． 967 s + 12 s = 14． 967 s( ≈15 s) 。
2． 3 實驗三: 人機系統操作分析
由以上標準作業分析可知，在厚度切削機床刀具自動加工的10 s 和輪齒加工機床刀具自動加工的12 s時間中，操作人員處于等待空閑狀態，不需完成任何操作，存在浪費。可以充分利用這段時間，讓操作人員移動至另一機床處進行操作，完成另一機床的裝夾工件、卸下工件等操作，使兩臺機床同時交替加工，提高操作人員工作效率。
經模特排時法可知，由操作人員在兩機床之間移動動作為6 × W5，需耗時30MOD × 0． 129 s /MOD =3． 87 s( ≈4 s) ，往返需8 s，由上節分析可得在機床自動加工前進行的裝夾加工件等準備工作，耗時10MOD× 0． 129 s /MOD = 1． 29 s，卸下已加工工件耗時13MOD× 0． 129 s /MOD =1． 677 s，三者時間相加為10． 967 s，小于銑床①、②的刀具自動加工時間最大值12 s，操作人員時間足夠，因此兩機同時交替工作完全可行。
實驗操作時，同時打開銑床①和銑床②; 先在銑床①上裝夾工件; 待銑床①自動進行厚度切削時，操作員可移動至銑床②進行裝夾工件，在銑床②自動進行輪齒加工后移動回銑床①卸下已加工件并裝夾新工作，循環往復。兩機交替操作的時間間隔( 相當于節拍)取兩機加工的最大值，即輪齒加工時間15 s。因此原先加工一個工件所需要完成的兩道工序時間累計為28 s，現改為兩機交替工作，完成同樣工序只需15 s。
3 、人機系統優化實驗結果
經人機系統尺寸改進及工具調整后，肘部距離工作臺距離由146 mm 縮短為116 mm; 踏板鈕距離腳的距離由332 mm 縮短為32 mm。操作人員加工工件時，無需上下座椅踩踏控制卡盤的踏鈕，每加工一個工件可減少一次不必要的站立動作S30 = 30MOD = 30 × 0． 129 = 3． 87 s制定標準作業時間后，厚度切削標準時間是13 s，輪齒加工標準時間是15 s，利用機床自動加工時間進行兩機聯合工作，可在15 s 內同時完成厚度切削及輪齒加工兩道工序，7． 5 h 內可加工工件數為1 800 個，理論日產能比優化前的740 個提高了143． 24%。
4 、結語
人機系統優化是一個循序漸進的過程 ］。本文綜合應用工業工程多種方法，設計實驗步驟，根據實際加工過程改進人機系統尺寸、制定標準作業時間、進行人機操作分析對人機系統優化設計，大大提高了XB6140-半自動臥式機床的利用率，為人機系統設計提供了一種示范和思路。本文的實驗結果已在航海機械集團機加工車間得到應用，生產效率大幅提高。在現有的人機系統中發現問題，充分考慮人的因素，將人與機相結合，優化設計出協調的人機系統，既能為企業帶來巨大的經濟效益，也是現代化生產的必然要求。
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