“基礎(chǔ)工業(yè)工程”課程中人機(jī)作業(yè)閑余能力計(jì)算的分析改進(jìn)

王曉燕，宋 辭，毛子薦

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引言

人機(jī)作業(yè)分析是應(yīng)用于機(jī)械作業(yè)中人機(jī)配合關(guān)系的一種分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)某一項(xiàng)作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，記錄作業(yè)者和機(jī)器在同一時(shí)間內(nèi)的工作情況并加以分析，尋求合理的操作方法，使人和機(jī)器的配合更加協(xié)調(diào)，以充分發(fā)揮人和機(jī)器的效率[1]。通過(guò)作業(yè)分析可以了解人機(jī)配合關(guān)系，找出影響人機(jī)配合效率的原因，挖掘人的閑余能力，同時(shí)從提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周程的角度，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器改造、自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及作業(yè)空間改善。韓超[2]對(duì)Y公司裝配車(chē)間的生產(chǎn)線進(jìn)行人機(jī)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而發(fā)揮其整體的最佳效能；徐立誠(chéng)，等[3]以梳齒榫開(kāi)榫機(jī)崗位為研究對(duì)象，應(yīng)用工業(yè)工程的人機(jī)作業(yè)分析方法，對(duì)開(kāi)榫工序進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研分析，制定了兩種工序優(yōu)化方案以應(yīng)對(duì)企業(yè)正常狀態(tài)和緊急狀態(tài)下的生產(chǎn)作業(yè)，在實(shí)際生產(chǎn)中均能在生產(chǎn)周期內(nèi)減少工作所需時(shí)間，有效提高機(jī)器和人的利用率，待工現(xiàn)象明顯減少；鄭敬地[4]對(duì)某企業(yè)鏈條裝配生產(chǎn)線裝軸承工序進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間，針對(duì)壓裝軸承工序中存在的問(wèn)題，應(yīng)用人機(jī)作業(yè)分析的方法進(jìn)行優(yōu)化改善，得到更為合理的操作工序，使人-機(jī)關(guān)系相互協(xié)調(diào)，改善了該工序的人員配置情況，提高了作業(yè)效率。

人機(jī)作業(yè)通常利用人機(jī)作業(yè)分析圖作為分析依據(jù)和改善工具。主要繪圖過(guò)程分為以下三個(gè)步驟：（1）記錄作業(yè)者與機(jī)器在一個(gè)生產(chǎn)周程內(nèi)各自的操作步驟和操作內(nèi)容；（2）確定人與機(jī)器的配合關(guān)系，畫(huà)出人機(jī)作業(yè)分析圖；（3）提出改善方案并繪制圖表。

在作業(yè)者操作一臺(tái)機(jī)器存在大量空閑時(shí)間的情況下，需要對(duì)閑余能力進(jìn)行分析，計(jì)算求得一人能夠同時(shí)操作幾臺(tái)機(jī)器，以期提高人的利用率。本文利用一生產(chǎn)實(shí)例，通過(guò)逐步改善，充分利用作業(yè)者的閑余能力，并分析探討現(xiàn)有一人多機(jī)計(jì)算公式的不足之處，對(duì)公式進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的計(jì)算方式更符合生產(chǎn)實(shí)踐需求，同時(shí)體現(xiàn)了“以人為本”的思想。

1 人-機(jī)作業(yè)實(shí)例描述

某企業(yè)1個(gè)工人開(kāi)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，具體操作程序如下：清洗機(jī)床0.5min，進(jìn)料0.5min，機(jī)床自動(dòng)滾齒5min，退料0.5min，檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量1min。對(duì)此項(xiàng)作業(yè)進(jìn)行人機(jī)分析，通過(guò)前述工藝流程及操作內(nèi)容可以繪制出人機(jī)作業(yè)分析圖，如圖1所示。

圖1 機(jī)床加工人機(jī)作業(yè)圖

由圖1可見(jiàn)，人機(jī)利用率都未達(dá)到理想工作狀態(tài)，尤其是人的利用率只有33.3%，出現(xiàn)了人機(jī)互相等待的狀態(tài)。

2 人機(jī)作業(yè)分析與改進(jìn)

等待浪費(fèi)是精益管理中八大浪費(fèi)之一，改善的原則是人不待機(jī)，機(jī)不待人，人機(jī)最好同時(shí)工作。針對(duì)以上問(wèn)題，可以將非機(jī)器參與的作業(yè)者工作放在機(jī)器工作期間完成，即把生產(chǎn)周程中最后一道工序檢測(cè)放在機(jī)床滾齒過(guò)程中完成，這樣改善后的人機(jī)作業(yè)方案如圖2所示。

圖2 改善后的機(jī)床加工人機(jī)作業(yè)圖

由圖2可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化，人的利用率提升了5.2%，機(jī)器利用率提升了10.2%，生產(chǎn)效率提升了：

從圖2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知人的利用率只有38.5%，說(shuō)明作業(yè)者存在大部分空閑時(shí)間，在分析閑余能力時(shí)，可采用公式（1）計(jì)算一人同時(shí)操作機(jī)器的數(shù)量

式（1）中，N為一人同時(shí)操作相同的機(jī)器數(shù)量，t為作業(yè)者操作一臺(tái)機(jī)器所需要的全部時(shí)間，M為機(jī)器完成作業(yè)需要的有效時(shí)間[1]。在本案例中，t的時(shí)間構(gòu)成為作業(yè)者清洗機(jī)床時(shí)間t1、進(jìn)料時(shí)間t2、退料時(shí)間t3、檢測(cè)時(shí)間t4四部分，機(jī)器的有效作業(yè)時(shí)間僅為滾齒時(shí)間。由此計(jì)算得到：

改善后一人三機(jī)的人機(jī)作業(yè)分析圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，生產(chǎn)周程增加1min，一人可同時(shí)操作三臺(tái)機(jī)器。此時(shí)人的利用率為100%，機(jī)器的利用率由原來(lái)的75%下降到66.7%，生產(chǎn)效率提升了160%

圖3 改善后一人三機(jī)的人機(jī)作業(yè)分析圖

單臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)效率下降了13.3%

改善后生產(chǎn)效率提高了很多，而機(jī)器卻出現(xiàn)了更多的空閑時(shí)間，單臺(tái)生產(chǎn)效率下降13.3%。機(jī)器空閑狀態(tài)可以分為兩種情況：一種是處于被操作的狀態(tài)，如自動(dòng)加工前作業(yè)者進(jìn)行的清洗、進(jìn)料、退料等準(zhǔn)備工作；另一種情況是因?yàn)樽鳂I(yè)者在進(jìn)行其它操作而出現(xiàn)的等待，如每臺(tái)機(jī)器在完成自動(dòng)加工后都要等待作業(yè)者1min后才能進(jìn)入下一循環(huán)周期。

根據(jù)上述分析，一人三機(jī)的生產(chǎn)模式會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果：（1）機(jī)器的生產(chǎn)效率不升反降。如果減少人工成本的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)能夠覆蓋機(jī)器效率下降引起的損失，此結(jié)果在理論上可行。但目前企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況中，一人多機(jī)操作模式下機(jī)器多為成本昂貴的自動(dòng)化機(jī)器，因此生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)先考慮提高機(jī)器利用率，因?yàn)橛邢薜臋C(jī)器效率決定了企業(yè)生產(chǎn)效率，根據(jù)公式的計(jì)算后，雖然單個(gè)作業(yè)者操作機(jī)器數(shù)量增加了，但是單臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)效率不升反降，未達(dá)到改善的目的；（2）整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中作業(yè)者沒(méi)有休息時(shí)間。從人因工程學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，這是違背人體生理規(guī)律的。作業(yè)者在工作過(guò)程中體能消耗及腦力疲勞需要通過(guò)適當(dāng)?shù)男菹⒌靡匝a(bǔ)償，同時(shí)一定的空閑時(shí)間可以讓作業(yè)者在較輕松的狀態(tài)下完成作業(yè)，以減少誤操作[5]。

由上可知，根據(jù)現(xiàn)有計(jì)算公式得到的結(jié)果缺乏一定的可操作性，究其原因是一個(gè)生產(chǎn)周程的時(shí)間中包括了機(jī)器的非必要等待時(shí)間（如檢測(cè)），可將公式（1）轉(zhuǎn)化為公式（2）。

式（2）說(shuō)明，作業(yè)者操作一臺(tái)機(jī)器時(shí)，閑余時(shí)間能操作機(jī)器的數(shù)量完全由機(jī)器的有效加工時(shí)間決定，這種計(jì)算方式如果一旦出現(xiàn)機(jī)器的有效加工時(shí)間M是作業(yè)者完成一臺(tái)機(jī)器操作時(shí)間t的整數(shù)倍時(shí)，人就會(huì)一直在工作；同時(shí)如果在作業(yè)者操作環(huán)節(jié)機(jī)器存在非必要等待時(shí)間（如檢測(cè)），將出現(xiàn)機(jī)器等人的現(xiàn)象，降低了機(jī)器的利用率。所以原公式（1）是“以人工作時(shí)間為主”的計(jì)算。

若將圖3中的機(jī)器非必要等待時(shí)間（如檢測(cè)）剔除，即將人操作機(jī)器時(shí)間t1（退料時(shí)間t1、清洗時(shí)間t2、上料時(shí)間t3三者之和）和機(jī)器的有效加工時(shí)間M之和作為一個(gè)生產(chǎn)周程，則改進(jìn)后的一人多機(jī)計(jì)算公式為式（3）。

其中N1為改變周程后的一個(gè)操作者可同時(shí)操作的機(jī)器數(shù)量；t1為作業(yè)者操作機(jī)器的時(shí)間總和（如圖2中的退料、清洗、上料），不包含機(jī)器的非必要等待時(shí)間（如檢測(cè)）；ti為作業(yè)者操作的第i個(gè)工序，j為作業(yè)者對(duì)機(jī)器操作的工序總數(shù)，n為作業(yè)者操作工序總數(shù)。由于t1≤t，所以有

當(dāng)且僅當(dāng)t1=t時(shí)，N1=N。根據(jù)改進(jìn)公式（3）再對(duì)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，畫(huà)出一人二機(jī)的作業(yè)分析圖4所示。

向下取整為一人操作2臺(tái)機(jī)器，畫(huà)出一人二機(jī)的人機(jī)分析圖如圖4。

由圖4統(tǒng)計(jì)分析可知，不存在機(jī)器非必要等待時(shí)間的浪費(fèi)，機(jī)器利用率達(dá)到了最大化76.9%，作業(yè)者的利用率提升了一倍，意味著第二次改善后，在機(jī)器利用率不變的情況下人工成本下降50%。如果要提高機(jī)器的利用率，可以在此基礎(chǔ)上通過(guò)操作分析完成對(duì)操作方法的改善，縮短作業(yè)者操作機(jī)器的時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而縮短生產(chǎn)周程。

圖4 一人二機(jī)的人機(jī)作業(yè)分析圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)有的一人多機(jī)計(jì)算公式采用了“以人為主”的思想，在特殊情況下，當(dāng)機(jī)器加工時(shí)間是人工操作時(shí)間整數(shù)倍時(shí)，人的利用率達(dá)到100%，但會(huì)造成單臺(tái)機(jī)器利用率的下降。鑒于企業(yè)的機(jī)器成本相對(duì)較高，數(shù)量有限，因此機(jī)器的效率決定了企業(yè)的生產(chǎn)效率，所以采用此公式計(jì)算反而達(dá)不到提升生產(chǎn)效率的目的。

（2）改進(jìn)后的一人多機(jī)計(jì)算公式“以機(jī)器為主”，以機(jī)器準(zhǔn)備時(shí)間和加工時(shí)間作為考查周程，除了機(jī)器必要等待時(shí)間外，機(jī)器的利用率達(dá)最大化，同時(shí)作業(yè)者有更多休息時(shí)間，真正體現(xiàn)了“以人為本”的改善思想。

（3）當(dāng)且僅當(dāng)t1=t時(shí)，N1=N；若存在N為整數(shù)，說(shuō)明機(jī)器和人無(wú)空閑狀態(tài)，利用率都達(dá)到了最大化，此時(shí)作業(yè)者是否一定按照計(jì)算公式的數(shù)量進(jìn)行操作，要結(jié)合實(shí)際情況，如工人的勞動(dòng)負(fù)荷、疲勞程度、安全性等因素，進(jìn)行數(shù)量的調(diào)整。因此改進(jìn)后的一人多機(jī)計(jì)算公式更加人性化，符合實(shí)際的要求。