基于精度和時(shí)間的協(xié)調(diào)操作研究及實(shí)證

周建中 ，周 淵，李元旭

(1. 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.山東大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250012；3.復(fù)旦大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200433)

基于精度和時(shí)間的協(xié)調(diào)操作研究及實(shí)證

周建中1，周 淵2，李元旭3

(1. 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.山東大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250012；3.復(fù)旦大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200433)

用實(shí)驗(yàn)的方法獲得左右手同時(shí)作點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的精度數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)SPSS19軟件分析得出：點(diǎn)運(yùn)動(dòng)精度≤6.192 mm時(shí)，P=0.012<0.05，精度存在顯著差異；直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，P=0.394>0.05，精度差異不明顯；這兩種運(yùn)動(dòng)的時(shí)間差異不明顯，而曲線運(yùn)動(dòng)精度和時(shí)間都存在顯著差異.研究?jī)?yōu)化工藝流程和生產(chǎn)布局，在某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)線上做實(shí)證研究.改善后的裝配線缸蓋裝配效率提高了19%，整條裝配流水線效率提高了20.1%.

雙手協(xié)調(diào)操作；統(tǒng)計(jì)分析；工藝研究；實(shí)證研究

生產(chǎn)線的一切生產(chǎn)活動(dòng)都離不開(kāi)工人雙手的操作.受工人的喜好、習(xí)慣及生產(chǎn)線布局、操作方法等因素的影響，大部分員工右手的負(fù)荷遠(yuǎn)大于左手，雙手負(fù)荷處于不均衡狀態(tài).這不僅會(huì)降低勞動(dòng)效率，而且長(zhǎng)期以往會(huì)導(dǎo)致較重的職業(yè)病[1].

工業(yè)工程學(xué)動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則研究的一個(gè)領(lǐng)域就是動(dòng)作平衡.它和人機(jī)工程學(xué)相結(jié)合，研究雙手協(xié)調(diào)下人體的舒適度和操作效率.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙手協(xié)調(diào)操作的機(jī)理、方法及其對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率的影響做了大量研究.國(guó)外學(xué)者Knut Drewing等對(duì)觸覺(jué)在雙手擊打操作中的作用，以及雙手協(xié)調(diào)操作相互影響的內(nèi)在本質(zhì)因素做了研究[2]；Weigelt Matthias等研究了基于目標(biāo)導(dǎo)向的雙手移動(dòng)，應(yīng)用雙手姿勢(shì)分析汽車(chē)修理廠修理工的動(dòng)作姿態(tài)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]；Habas Christophe等研究了依靠左右手觸覺(jué)區(qū)分任務(wù)工作中神經(jīng)系統(tǒng)的作用[4]；Gavin Buckingham等研究了右手作為優(yōu)勢(shì)手對(duì)注意力偏向的影響[5].國(guó)內(nèi)學(xué)者邢佑川等從認(rèn)知因素著手，對(duì)雙手協(xié)調(diào)動(dòng)作做了研究[6]；張晨辰研究了音樂(lè)訓(xùn)練對(duì)雙手協(xié)調(diào)性的影響[7]；崔凱等通過(guò)研究煤炭工人眼手協(xié)調(diào)機(jī)能，認(rèn)為不存在明顯的性別和崗位差異[8]；曾敏剛等通過(guò)電源適配器生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)作分析和流程改善，提高了23%的生產(chǎn)效率[9]；顧濤等通過(guò)動(dòng)作分析法在缸體生產(chǎn)線平衡改善中的應(yīng)用，提升了生產(chǎn)線的平衡率和產(chǎn)能[10-11].相關(guān)研究認(rèn)為，在雙手做相同性質(zhì)工作的前提下，同相位操作或反相位操作，即運(yùn)動(dòng)方向相同或相反時(shí)，能消除雙手在時(shí)間上的偏差，獲得協(xié)調(diào)一致性，雙手操作協(xié)調(diào)的工作效率大于單手操作的工作效率.

1 雙手操作的時(shí)間協(xié)調(diào)問(wèn)題及研究設(shè)計(jì)

以往的研究對(duì)協(xié)調(diào)動(dòng)作時(shí)兩只手的操作精度是否存在差異研究不夠.雙手協(xié)調(diào)包括空間協(xié)調(diào)和時(shí)間協(xié)調(diào)兩個(gè)方面，相關(guān)學(xué)者注重于空間協(xié)調(diào)的研究，對(duì)時(shí)間協(xié)調(diào)卻沒(méi)有研究.

何種精度以上可以采取左右手協(xié)調(diào)操作，以下則必須采取左手輔助、右手操作，即獨(dú)臂操作的操作方式？左右手達(dá)到某個(gè)精度時(shí)所用時(shí)間是否相同？如不同又會(huì)存在怎樣的差異？這些問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)工藝安排和生產(chǎn)節(jié)奏安排極為重要，必須加以研究.

設(shè)工人左手操作精度為X1，右手操作精度為X2，產(chǎn)品加工精度要求為M.

當(dāng)X1≤M,X2≤M時(shí)，采用雙手同時(shí)同相位或反相位操作，既可保證操作質(zhì)量又可使生產(chǎn)效率最大.

當(dāng)X1>M，X2≤M時(shí)，應(yīng)以右手操作為主，左手起配合和輔助作用.

當(dāng)X1≤M，X2>M時(shí)，應(yīng)以左手操作為主，右手起配合和輔助作用.

當(dāng)X1>M,X2>M時(shí)，手工加工已經(jīng)不能滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，用現(xiàn)有工藝加工的產(chǎn)品質(zhì)量處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須用機(jī)器代替手工.

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)研究對(duì)生產(chǎn)的影響較大，而且生產(chǎn)線一經(jīng)布局就不容易改變，有些實(shí)驗(yàn)無(wú)法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完成.因此，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取左右手同時(shí)操作相同動(dòng)作的精度數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)，定量分析取得的數(shù)據(jù)，分析左右手協(xié)調(diào)動(dòng)作的精度差異和時(shí)間差異，研究差異對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程和節(jié)奏的影響，選擇某汽車(chē)公司發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)證研究，以期提高企業(yè)的生產(chǎn)效率.

2 左右手同時(shí)操作的精度研究和時(shí)間研究實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和儀器

將雙手動(dòng)作分解成離散的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和連續(xù)的直線和曲線運(yùn)動(dòng)，通過(guò) “移動(dòng)和定位”兩個(gè)動(dòng)作要素來(lái)研究.“定位”研究離散點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的精度和時(shí)間； “移動(dòng)”研究連續(xù)運(yùn)動(dòng)的精度和時(shí)間.“移動(dòng)”分直線和曲線，曲線又有逆時(shí)針和順時(shí)針兩個(gè)方向.

實(shí)驗(yàn)儀器選用某公司生產(chǎn)的“BD-Ⅱ-304A動(dòng)作穩(wěn)定器”.

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)準(zhǔn)備兩臺(tái)動(dòng)作穩(wěn)定器.

(2)在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)車(chē)間隨機(jī)選取2個(gè)班組60名右手為優(yōu)勢(shì)手的工人，講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，讓工人試操作若干次，當(dāng)他們熟練掌握操作步驟后正式開(kāi)始實(shí)驗(yàn).

(3)左手和右手同時(shí)動(dòng)作，點(diǎn)移動(dòng)、直線移動(dòng)以及曲線移動(dòng)的順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向4個(gè)實(shí)驗(yàn)，每人各做10次.用電腦記錄儀記錄每次實(shí)驗(yàn)左右手的精度和時(shí)間數(shù)據(jù).

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

取每個(gè)工人10次實(shí)驗(yàn)的精度和時(shí)間的平均值作為該工人左右手精度和時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了51份有效數(shù)據(jù)(表1和表2).

表1 九孔、楔形槽、曲線槽順時(shí)針和逆時(shí)針實(shí)驗(yàn)的精度數(shù)據(jù) mm

表2 九孔、楔形槽、曲線槽順時(shí)針和逆時(shí)針實(shí)驗(yàn)的時(shí)間數(shù)據(jù) min

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS Statistics 19軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用描述分析和方差分析法分析精度數(shù)據(jù)，采用描述分析法分析時(shí)間數(shù)據(jù)[12].取顯著性水平α=0.05.

為檢驗(yàn)精度數(shù)據(jù)能否采用方差分析法分析，需要對(duì)九孔實(shí)驗(yàn)、楔形槽實(shí)驗(yàn)和曲線槽實(shí)驗(yàn)精度數(shù)據(jù)作方差齊性檢驗(yàn).

(1)方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，4個(gè)實(shí)驗(yàn)Levene方差齊性檢驗(yàn)的P值均大于顯著性水平α，滿(mǎn)足方差分析條件.

(2)精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述性分析如表4所示.

表4 精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述性分析

(3)精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析如表5所示.

表5 精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

(4)時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述性分析如表6所示.

表6 時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述性分析

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及工藝研究

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.1.1 定位運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

定位運(yùn)動(dòng)的左手平均精度為6.192 mm,右手平均精度為5.645 mm.其方差分析結(jié)果P值為0.012，小于0.05，兩組精度差異顯著.左手平均時(shí)間為5.9 min，右手平均時(shí)間為6.5 min，左手比右手提前0.6 min，二者相差9%.

4.1.2 直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

直線運(yùn)動(dòng)的左手平均精度為3.561 mm,右手平均精度為3.429 mm.其方差分析結(jié)果P值為0.394，大于0.05，兩組精度差異不顯著.左手平均時(shí)間為5.1 min；右手平均時(shí)間為5.0 min，右手比左手提前0.1 min，二者相差2%.

4.1.3 曲線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)順時(shí)針曲線運(yùn)動(dòng)左手平均精度為5.700 mm,右手平均精度為4.978 mm.其方差分析結(jié)果P值為0.000，遠(yuǎn)小于0.05，兩組精度差異很顯著.左手平均時(shí)間為5.8 min；右手平均時(shí)間為5.1 min，右手比左手少用0.7 min，提前了12.4%.

(2)逆時(shí)針曲線運(yùn)動(dòng)左手平均精度為5.937 mm,右手平均精度為4.510 mm.其方差分析結(jié)果P值為0.000，遠(yuǎn)小于0.05，兩組精度差異很顯著.左手平均時(shí)間為5.3 min；右手平均時(shí)間為5.9 min，右手比左手多用0.6 min，滯后了11.6%.

4.2 工藝研究

(1) 當(dāng)要求定位精度≤6.192 mm時(shí)，不能采取左右手分擔(dān)同樣任務(wù)協(xié)調(diào)操作的方式，應(yīng)采用以右手操作為主、左手協(xié)助的工藝安排，并且工藝節(jié)奏應(yīng)以右手操作所需時(shí)間為依據(jù).

當(dāng)要求定位精度>6.192 mm時(shí)，應(yīng)采取左右手分擔(dān)同樣任務(wù)協(xié)調(diào)操作的方式，左手和右手的時(shí)間差異對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏影響不大，可以視為左手和右手能夠同時(shí)開(kāi)始、同時(shí)結(jié)束，生產(chǎn)效率大約可提高1倍.

(2)由于直線運(yùn)動(dòng)兩手精度差異不顯著，兩手時(shí)間的差異也很小，因此直線運(yùn)動(dòng)操作時(shí)左右手可以協(xié)調(diào)一致操作，以提高生產(chǎn)效率.

(3)由于曲線運(yùn)動(dòng)兩手精度相差很大，時(shí)間也相差較大，因此安排工藝路線時(shí)應(yīng)將工人空間曲線運(yùn)動(dòng)操作變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，以提高生產(chǎn)效率.

5 某汽車(chē)制造公司發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋裝配工藝改 善的實(shí)證研究

汽缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)零件中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的箱體類(lèi)零件.它安裝在汽缸體上端，通過(guò)螺栓與汽缸體密封而形成燃燒室.

5.1 缸蓋裝配現(xiàn)有工藝分析

現(xiàn)場(chǎng)觀察的缸蓋裝配工藝包括：①吊缸蓋到機(jī)體上表面，雙手扶缸蓋定位安放；②左手一次性取8個(gè)M14螺栓；③左手交給右手一個(gè)M14螺栓；④右手把M14螺栓放入螺栓孔，并旋進(jìn)2-3牙；⑤右手再?gòu)淖笫帜萌∫粋€(gè)M14螺栓，放入螺栓孔，并旋進(jìn)2-3牙，直至16個(gè)M14螺栓安裝完畢；⑥左手扶住缸蓋，右手抓握氣動(dòng)扳手預(yù)緊螺栓；⑦左手拿取扭力扳手交給右手；⑧左手扶扭力扳手，右手使用扭力扳手對(duì)16個(gè)M14螺栓按工藝順序要求一一復(fù)緊.缸蓋裝配現(xiàn)有工藝雙手作業(yè)圖如圖1所示.

圖1 缸蓋裝配現(xiàn)有工藝雙手作業(yè)圖

觀察與測(cè)量發(fā)現(xiàn)：缸蓋安放平均耗時(shí)46 s，放置并預(yù)緊16 個(gè)M14螺栓平均耗時(shí)63 s，復(fù)緊16個(gè)M14螺栓平均耗時(shí)58 s，缸蓋安放和螺栓放置并預(yù)緊工位共耗時(shí)109 s.考慮該工位實(shí)際耗時(shí)并做適當(dāng)?shù)膶挿牛瑢⒘魉€節(jié)拍定成120 s.整條流水線工序負(fù)荷率最高為90.8%，最低為51%，裝配線效率約為62.3%，人員忙閑不均，整條線的生產(chǎn)效率較低.要改善工序負(fù)荷率和縮短流水線節(jié)拍，則需要把缸蓋安放和螺栓放置并預(yù)緊這一工位分成缸蓋安放和螺栓放置并預(yù)緊兩個(gè)工位.這需要增加一名裝配工，經(jīng)濟(jì)性不高.

5.2 缸蓋裝配工藝改善

缸蓋裝配工藝流程可分成如下3個(gè)階段：①缸蓋安放到機(jī)體上面；②放置并預(yù)緊16個(gè)M14螺栓；③復(fù)緊16個(gè)M14螺栓.分析現(xiàn)有裝配工藝發(fā)現(xiàn)，第二步基本是“獨(dú)臂操作”.因此，要縮短裝配時(shí)間，改善的重點(diǎn)應(yīng)該是②.因?yàn)楦咨w螺栓的直徑為14 mm，遠(yuǎn)大于左手平均精度6.192 2 mm,所以左右手可以協(xié)調(diào)操作而且操作精度不受影響.通過(guò)分析，將原工藝做如下改善：①吊缸蓋到機(jī)體上表面，雙手扶缸蓋定位安放；②左、右手各取8個(gè)M14螺栓放入螺栓孔內(nèi)；③左、右手同時(shí)把8個(gè)螺栓各旋入2-3牙；④左、右手各抓握氣動(dòng)扳手預(yù)緊螺栓；⑤左手拿取扭力扳手交給右手；⑥左手扶扭力扳手，右手使用扭力扳手對(duì)16 個(gè)M14螺栓按工藝順序要求一一復(fù)緊.改善后的缸蓋裝配雙手作業(yè)圖如圖2所示.

工藝改善后，缸蓋安放平均耗時(shí)46 s，放置并預(yù)緊16個(gè)M14螺栓平均耗時(shí)32 s，復(fù)緊16 個(gè)M14螺栓平均耗時(shí)58 s，流水線節(jié)拍是80 s.整條流水線的工序負(fù)荷率最高為90.3%，最低為76.9%，裝配線效率約為82.4%.新方法只需要增加一個(gè)氣動(dòng)扳手的位置，對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)做微小變動(dòng)即可，技術(shù)和生產(chǎn)管理可行.改善后裝配線缸蓋裝配效率提高了19%，整條裝配流水線效率提高了20.1%.

圖2 改善后的缸蓋裝配雙手作業(yè)圖

6 結(jié)束語(yǔ)

企業(yè)獲取強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素就是有較高的生產(chǎn)效率.人機(jī)工程學(xué)和工業(yè)工程應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)管理是提升企業(yè)生產(chǎn)效率的重要手段.本研究從動(dòng)作分析入手，把操作人員的雙手動(dòng)作視為點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的合成，研究3種狀態(tài)下雙手獲得協(xié)調(diào)操作的精度界限，以此優(yōu)化工藝安排，并對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線進(jìn)行了實(shí)證研究.結(jié)果表明：改善后的裝配流水線消除了作業(yè)短板，改善后裝配線缸蓋裝配效率提高了19%，整條裝配流水線效率提高了20.1%.

[1] 丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)[M].4版.北京：北京理工大學(xué)出版社,2011.

[2] Knut Drewing,Mareike Hennings,Gisa Aschersleben. The contribution of tactile reafference to temporal regularity during bimanual finger tapping[J]. Psychological Research，2002，66(1)：60-70.

[3] Weigelt Matthias,Rieger Martina,Mechsner Franz.Target-related coupling in bimanual Reaching movements[J]. Psychological Research，2007，71(4)：438-447.

[4] Habas Christophe,Emmanuel Alain Cabanis.The neural network involved in a bimanual tactile-tactile matching discrimination task: a functional imaging study at 3 T[J].Neuroradiology，2007，49(8)：681-688.

[5] Gavin Buckingham,David P Carey. Attentional asymmetries-cause or consequence of human right handedness[J]. Frontiers in Psychology,2014，5:1587-1599.

[6] 邢佑川，張智君.雙手協(xié)調(diào)及其認(rèn)知因素的作用[J].應(yīng)用心理學(xué)，2011,17(3)：259-264.

[7] 張晨辰.音樂(lè)訓(xùn)練與雙手協(xié)調(diào)性的相互影響[D].上海:上海師范大學(xué)，2013.

[8] 崔 凱，孫林巖，于 明,等. 煤炭工人眼手協(xié)調(diào)機(jī)能的測(cè)試報(bào)告[J].工業(yè)工程與管理，2007,12(2)：111-113.

[9] 曾敏剛，李 雙. 電源適配器生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)改善與裝配線平衡[J].工業(yè)工程，2010,13(4)：117-123.

[10] 顧 濤，周炳海.動(dòng)作分析法在缸體生產(chǎn)線平衡改善中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造，2009,47(8):54-57.

[11] 周建中，李元旭，周 淵.雙手同時(shí)操作的左右手差異研究[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化,2015,32(3):27-30，36.

[12] (美)門(mén)登霍爾，(美)辛塞奇.統(tǒng)計(jì)學(xué)(原書(shū)第5版)[M].梁馮珍譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

Research and Empirical Analysis on Coordinate Operation Process Design Based on Accuracy and Time

ZHOU Jian-zhong1,ZHOU Yuan2,LI Yuan-xu3

(1.School of Intelligent Manufacturing,Taizhou Instiute of Sci-tech.,NUST.,Taizhou 225300,China；2.School of Stomatology,Shandong University,Jinan 250012,China；3.School of Management,Fudan University,Shanghai 200433,China)

Precise data of left and right hand operation were gained through experimental operations under three different situations-point operation, continuous linear operation, continuous curve motion operation. Analyzing the data by SPSS19 software shows that when precision of point operation≤6.192 mm, P=0.012<0.05, significant differences are appeared; the P of continuous curve motion operation is 0.394>0.05, difference isn't obviously. Differences of time of left and right hand aren't significant obvious. The significant differences in accuracy and time of curve motion are existed. Optimizing technological processes and production layout was studied based on the conclusions. In the engine assembly line for empirical research, a 19 percent increase in assembly line of the improved cylinder head assembly efficiency and the whole assembly line efficiency increased 20.1%.

coordinated bimanual operation; statistic analysis;technology study; empirical

2016-10-26

江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究一般資助項(xiàng)目(2015SJD057)

周建中(1968-)，男，江蘇泰州人，碩士，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)槿藱C(jī)工程.

1006-3269(2017)01-0016-07

TB18;C93

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.01.004