冰箱內膽沖孔工藝系統(tǒng)優(yōu)化

鄧銳苗，關運升，胡凱杰，劉 設

（沈陽工業(yè)大學，沈陽 110870）

0 引言

近年來，中國家電行業(yè)發(fā)展迅速，隨著市場競爭的不斷加劇，致使生產線的優(yōu)化以及人員操作規(guī)范化變得越來越困難。在企業(yè)中生產平衡率常被用來衡量一個企業(yè)管理水平的高低。企業(yè)管理者如何在宏觀上把握生產線，在不增加投入的條件下提高生產效率、降低工時浪費是其主要研究方向。

因近幾年制造業(yè)發(fā)展不景氣，越來越多的企業(yè)注重于精益生產的理念或技術方法對生產線進行改善優(yōu)化，減少浪費，提高生產效率和效益，但效果普遍不佳。因此本文主要運用系統(tǒng)的方法對人的工作進行分析、設計和管理，把工作中不合理、不經濟、混亂的因素排除，尋求最佳工作方法，使生產活動按先進的方法、規(guī)定的程序、標準的時間進行，從而提高生產效率和經濟效益。

1 冰箱內膽生產線現(xiàn)狀分析

1.1 生產線現(xiàn)狀

某公司內膽加工生產過程包括材料加熱、吸附成型、脫模、切邊、沖孔、內膽分割6個部分，是流水線的生產方式[5]。內膽生產工藝如圖1所示。

圖1 工藝流程

1.2 生產線作業(yè)時間測定

通過對該公司冰箱內膽生產線各工位的觀察記錄，通過抽樣統(tǒng)計分析得到原生產線平衡圖如圖2所示。

圖2 原生產線平衡圖

平衡率是表示生產線是否達到最優(yōu)，過程中的浪費減少到最小的可量化的指標。所以需要計算該生產線的平衡率來說明舊生產線達到最優(yōu)的程度[2]。由圖2中各工序的作業(yè)時間可知：

計算得舊生產線平衡率為62.2%，因此可以看出來舊生產線的生產線平衡率較低，因為冰箱內膽生產線的沖孔工序是依靠人與機器協(xié)作完成，且是瓶頸工序，而其他工序是無人工參與的全自動化，所以要以內膽沖孔工序為中心點，對該生產線進行改善。

1.3 沖孔工序問題分析

通過對一樓內膽沖孔工序（圖3）的觀察與記錄，發(fā)現(xiàn)以下3個問題（因為沖孔工序涉及到兩個工人加工兩個內膽，所以根據(jù)內膽的型尺寸，分別稱其為大內膽、小內膽。大內膽、小內膽分別由圖中左邊工人、右邊工人進行沖孔）：

（1）大內膽沖孔完成時間上滯后小內膽過多，導致了工人A（圖3中左邊工人）的等待；

圖3 沖孔工序場景

（2）內膽放置線邊暫存由工人A一人完成，操作耗時過多；

（3）內膽左右形狀存在差異、重量分配不均勻導致了卡座不貼合問題，工人A每次將內膽放置到卡座上后，都有一個壓緊的操作。經過判斷，工人A的內膽壓緊操作不符合動作經濟原則。

2 生產線工序改善與仿真

2.1 沖孔工序改善

（1）改變沖孔設備位置。把兩臺沖孔設備對稱放置在傳送帶的兩側，兩個工人同時取各自的內膽進行加工。改善前后沖孔設備布置對比如圖4所示。

圖4 改善前后沖孔設備布置對比

（2）工人A在內膽沖孔結束后，需要將大、小內膽組合，而后將其放置到內膽平板車上，此過程耗時過長，并且造成了工人B的非必要等待。用“ECRS四原則”方法，將組合與放置合并為一個操作[6]，將內膽平板車由原本的緊靠工人A向工人B移動一段距離，工人A將沖孔結束的小內膽放置在平板車上，工人B將沖孔結束后的大內膽以直接外套在小內膽方式放置。改善前后如圖5所示。

圖5 改善前后內膽平板車位置對比

（3）工人A在作業(yè)過程中存在內膽壓緊的非必要操作。根據(jù)動作經濟原則[12]，現(xiàn)將沖孔設備工作臺抬高5 cm，這樣即便小內膽由于左右形狀差異、重量分布不均造成放置后與卡座不貼合的問題，也可以通過放置過程中小臂的自然下垂解決，改進之后，無需壓緊操作，減少了工人A動作的數(shù)量，同時也符合輕松動作原則。

2.2 改善工序聯(lián)合作業(yè)分析

通過對瓶頸工序內膽沖孔的改善，繪制了改善前后內膽沖孔工序工人A、B的聯(lián)合作業(yè)分析圖，如圖6所示。

圖6 聯(lián)合作業(yè)分析圖

經過改善，工人A的利用率由66.7%提高到70%，工人B的利用率由51.9%提高到65%。減少了內膽沖孔工序工人的等待時間，整個內膽沖孔工序的周程由27 s縮減為20 s，成功實現(xiàn)了瓶頸工序工時的大幅度縮短[8]。

2.3 改善后生產線平衡率

通過對改善后該公司冰箱內膽B(tài)生產線的觀察記錄，得到改善后生產線平衡圖如圖7所示。

圖7 改善后生產線平衡圖

由各工序各工序時間得出新生產線平衡率為77%?？梢钥闯?，通過“5W1H”提問技術、“ECRS四原則”和動作經濟原則對冰箱內膽沖孔工序進行改善后，生產線的平衡率由62.2%增至77%，得到了大大的提高，進而縮短內膽生產時間，增加單位時間的產量，降低生產成本；減少了工序間的在制品庫存，極大程度地提高整個價值流增值率[9]。

3 基于FAB系統(tǒng)的內膽沖孔生產過程數(shù)據(jù)采集

3.1 FAB使用特點

FAB動作捕捉系統(tǒng)的特點：無線實時進行動作捕捉及數(shù)據(jù)分析；誤差小、準確性高，使用距離長，對環(huán)境要求低；體積小、重量輕、便攜性好，安裝方便使用簡單；FAB數(shù)據(jù)可以傳輸存儲在記憶卡里不受空間的限制，可將分析數(shù)據(jù)以Excel表格的形式導出，擁有解剖學角度、空間角度、力量、扭矩、角速度，提供了用于開發(fā)的系統(tǒng)平臺與接口，易跟其他軟件的結合使用；足底壓力及足底重量數(shù)據(jù)同步采集，與表面肌電設備可同步進行采集，虛擬工具使分析更加清晰快捷有效[1]。

3.2 內膽沖孔數(shù)據(jù)采集過程

（1）準備好冰箱內膽，找好合適的工作臺，將實驗人員佩戴好FAB實時無線傳感器動作捕捉設備。

（2）將實驗人員的名字、性別、生日、身體尺寸等輸入FAB無線傳感器軟件上。

（3）FAB動作捕捉系統(tǒng)還需要按照設備的規(guī)定來進行校對，實驗人員需雙腿與肩同寬站立，需要大約20 s完成校對，當FAB動作捕捉軟件中的所有部位全部顯示連接成功后，就代表設備校對成功[7]。

（4）連接好的筆記本電腦里點擊開始記錄，之后實驗人員開始模擬沖孔過程，在結束后再在連接好的筆記本電腦里點擊結束記錄，再點擊保存數(shù)據(jù)，并檢驗數(shù)據(jù)是否合格，再進行下一次實驗。

（5）實驗結束后，利用FAB導出數(shù)據(jù)功能，導出數(shù)據(jù)，并保存為（.CSV）格式，采集到換刀人員軀干、骨盆、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿的偏離角、傾斜角、翻轉角以及各個關節(jié)的受力、力矩、功率大小等數(shù)據(jù)，導出的Excel數(shù)據(jù)[10]。給出改善前后工人A、B的軀干轉角、左上臂方位角、右上臂方位角、左前臂方位角、右前臂方位角FAB Recorder記錄數(shù)據(jù)如圖8～9所示。

圖8 改善前工人A、B動作數(shù)據(jù)記錄

圖9 改善后工人A、B動作數(shù)據(jù)記錄

（6）使用FAB實時無線傳感動作捕捉設備來對內膽沖孔工人在作業(yè)過程中的動作進行動作捕捉數(shù)據(jù)采集。為下文Jack軟件的動作分析提供關節(jié)角度和關節(jié)力的數(shù)據(jù)，使得仿真結果更加真實可信。

4 Jack仿真

4.1 仿真動作分析

以一樓內膽沖孔作業(yè)為例采用JACK軟件進行動作的仿真，真實的還原作業(yè)環(huán)境。

（1）改善前動作仿真

將設備及內膽擺放至各自的位置以后，開始還原工人的操作動作，并將工人的每個動作都用JACK中的虛擬人物模型進行還原，將其儲存為各自一個名稱的動作，為下一步制作流暢的動畫做準備。制定好全部需要的動作后，還要記錄每個動作的操作時間，展現(xiàn)工作人員的實際操作情形[3]。改善前動畫如圖10所示。

圖10 改善前動畫參數(shù)輸入

（2）改善后的動作分析

改善的地方涉及到內膽沖孔機器設備的移動，及操作機器的升高，導致工作人員的動作改變，所以將原先的工作單元刪除，重新調整工人的動作設定時間，最后進行動作組合形成新的動作仿真[4]。

4.2 仿真結果分析

（1）新陳代謝分析

新陳代謝分析工具可以對工人生理及任務情況進行描述，然后分析得到任務新陳代謝需要消耗的能量。該工具可以對現(xiàn)有的工作或新工作的新陳代謝能量消耗進行分析，明確是否超過【NIOSH】的限定值，還有是否會使得疲勞損傷的風險提高。通過分析得出對能量消耗影響最顯著的因素，并且預測出哪些改變可以使工作的能量消耗減到最小。首先，本文選用將內膽搬運至沖孔機這一動作，進行新陳代謝分析。改善前分析如圖11所示。

圖11 新陳代謝改善前分析

分析完改善前的操作動作后，然后開始分析改善后的作業(yè)，步驟如同改善前的步驟一樣，先設置各項參數(shù)數(shù)值然后形成分析報告。工位改善后現(xiàn)場布局如圖12所示，改善后新陳代謝改善后分析圖如圖13所示。將改善前后的分析匯總后得到表1。

圖12 改善后現(xiàn)場布局

圖13 新陳代謝改善后分析

表1 改善前后能量消耗對比

從改善前后能量消耗對比可清晰地看出：改善前的能量雖符合限定值，但將工位移動后，避免了搬運、遞交等無效動作，使得能量消耗降為0.175 kcal，能量消耗降低了59%。由之前的兩人配合沖孔，改為兩人同時進行沖孔工作，極大地節(jié)省了時間，也提高了該工序的效率[11]。由此可見，改善的方案是十分有效的，可以提高作業(yè)效率。

（2）下背部分析

下背部分析工具可以分析特定的環(huán)境下人體脊柱受力對下背部的影響。通過該工具判斷仿真任務中的作業(yè)對工作人員下背部的傷害程度，是否符合標準，分析工作中需要改善的地方，從而對工廠車間的規(guī)劃與工序進行安排來減小工人下背部的受損風險。

由上述對改善前后對工人下背部的分析可知，改善前的下背部超過標準，改善后的下背部符合標準，將設備下部墊高后，避免了工作人員彎腰按壓的動作，減小了對下背部的損傷，符合動作經濟原則中減少動作數(shù)量和輕松動作原則。如圖14～15所示。

圖14 改善前的下背部分析

圖15 改善后的下背部分析

5 結束語

本文通過抽樣統(tǒng)計分析得出內膽生產各工序時間，從而根據(jù)生產平衡率的計算找出了瓶頸工序，之后應用ECRS原則對瓶頸工序進行了優(yōu)化，對其中不合理的工序進行改善。減少了浪費，提高生產效率和效益。通過此次優(yōu)化，工人A的利用率由66.7%提高到70%，工人B的利用率由51.9%提高到65%。減少了內膽沖孔工序工人的等待時間，整個內膽沖孔工序的周程由27 s縮減為20 s，成功實現(xiàn)了瓶頸工序工時的大幅度縮短。再對沖孔工序改善前后的工人作業(yè)過程仿真，可清晰地看出：改善前的能量雖符合限定值，但將工位移動后，避免了搬運、遞交等無效動作，使得能量消耗降為0.175 kcal，能量消耗降低了59%。由之前的兩人配合沖孔，改為兩人同時進行沖孔工作，極大地節(jié)省了時間，也提高了該工序的效率。對企業(yè)的生產效率的提高具有實際意義。