汽車制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

李丹 鈕建偉

摘要：汽車制造企業(yè)工人工效負(fù)荷是影響工人身體健康狀況和員工企業(yè)忠誠(chéng)度的重要指標(biāo)，為提升汽車制造領(lǐng)域人性化操作水平，本研究以汽車整車廠操作為研究主體，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了一整套汽車整車制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系。通過(guò)建立覆蓋新車型研發(fā)和量產(chǎn)全生命周期的汽車人機(jī)工程流程體系，制定了整車新項(xiàng)目、新工廠和運(yùn)行原有工廠等多維度的人機(jī)工作方法，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)搭建了汽車制造的人機(jī)工程數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)主動(dòng)人機(jī)工程，完成新汽車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)全過(guò)程的人機(jī)評(píng)估和優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了所有操作的人性化設(shè)計(jì);通過(guò)被動(dòng)人機(jī)工程，進(jìn)一步優(yōu)化汽車量產(chǎn)后的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)狀態(tài)，提升現(xiàn)場(chǎng)員工的人機(jī)安全感和滿意度。創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的汽車制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)源頭消除了人機(jī)問(wèn)題隱患，最大限度改善了現(xiàn)場(chǎng)員工的人機(jī)環(huán)境，在汽車制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了“以人為本，安全生產(chǎn)”的理念，為汽車整車開(kāi)發(fā)流程改善提供了重要基石。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)人機(jī)工程;被動(dòng)人機(jī)工程;人機(jī)工程體系;汽車制造;創(chuàng)新開(kāi)發(fā)

中圖分類號(hào)：U 121;TB 18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7312（2019）02-0203-05

0引言

汽車制造業(yè)是一種典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，負(fù)荷高、節(jié)奏快、體位差等不良姿勢(shì)廣泛存在。因此，汽車產(chǎn)業(yè)職業(yè)健康亟待以人為中心的設(shè)計(jì)理念[1]，而人機(jī)工程學(xué)研究正是以人為中心，強(qiáng)調(diào)人的健康性、舒適性和作業(yè)的安全性、有效性[2]。企業(yè)可以依據(jù)汽車生產(chǎn)線工藝特點(diǎn)和作業(yè)環(huán)境，運(yùn)用ECRS（取消、合并、調(diào)整、簡(jiǎn)化）四原則分析存在的不良工效學(xué)問(wèn)題，改善汽車產(chǎn)業(yè)工人的工作環(huán)境和工作條件。

國(guó)際人類工效學(xué)學(xué)會(huì)對(duì)人機(jī)工程學(xué)定義：人機(jī)工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素;研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中如何統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科 [3]。

人機(jī)工程學(xué)是實(shí)現(xiàn)以人為中心的設(shè)計(jì)思想的重要理論基礎(chǔ)，也是衡量當(dāng)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。人機(jī)工程在汽車儀表設(shè)計(jì)[4-5]、汽車前窗刮雨器[6]、汽車制動(dòng)與加速踏板[7]、軍用車輛駕駛室照明[8]、校車內(nèi)設(shè)施[9]、指路標(biāo)志[10]、生產(chǎn)線包裝崗位[11]、汽車組裝流水線[12-13]、工程機(jī)械[14]、汽車車身零件翻包作業(yè)[15]等多個(gè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用，特別是汽車制造領(lǐng)域目前仍屬于勞動(dòng)密集型行業(yè)，汽車工人的工效學(xué)負(fù)荷與工作相關(guān)肌肉骨骼損傷的相關(guān)性研究引起了廣泛關(guān)注[16-21]，因此，人機(jī)工程已經(jīng)成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要提手[22]。以上海通用汽車制造公司為例，詳細(xì)闡述人機(jī)工程體系在汽車制造過(guò)程中的創(chuàng)新及應(yīng)用。

開(kāi)發(fā)了一整套應(yīng)用于新車型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)后工廠正常運(yùn)行生產(chǎn)的制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系[23]。在國(guó)內(nèi)車企率先創(chuàng)建貫穿整車開(kāi)發(fā)全過(guò)程以及量產(chǎn)后穩(wěn)定生產(chǎn)全過(guò)程的整車制造領(lǐng)域“4+1”人機(jī)工程體系（如圖1所示）。所謂的“4”是指新車型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段的主動(dòng)人機(jī)工程：產(chǎn)品設(shè)計(jì)人機(jī)評(píng)審、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備人機(jī)評(píng)審、生產(chǎn)線高度人機(jī)評(píng)審和料箱/料架人機(jī)評(píng)審;所謂的“1”是指量產(chǎn)后的被動(dòng)人機(jī)工程：運(yùn)行工廠人機(jī)工程評(píng)價(jià)[24]。

通過(guò)新車型開(kāi)發(fā)階段產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)的人機(jī)優(yōu)化，以及穩(wěn)定運(yùn)行工廠的一系列人機(jī)改進(jìn)，增強(qiáng)操作人員對(duì)工作的滿意度和舒適度;保證高質(zhì)量生產(chǎn)的同時(shí)，具有較高的工作效率，為整車產(chǎn)品制造中操作員工的人性化生產(chǎn)提供了保障[25]。

1.1主動(dòng)人機(jī)工程

新車型開(kāi)發(fā)包含產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工藝開(kāi)發(fā)2大系統(tǒng)，先后經(jīng)歷虛擬造車和實(shí)物造車2大階段。主動(dòng)人機(jī)工程是指正式批量投產(chǎn)節(jié)點(diǎn)前新車型開(kāi)發(fā)全過(guò)程中所有人機(jī)工程工作。主動(dòng)意味著在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)的人機(jī)問(wèn)題，可以盡早主動(dòng)解決。譬如可以通過(guò)在數(shù)模中的虛擬造車發(fā)現(xiàn)可達(dá)性或通過(guò)性類型人機(jī)問(wèn)題，在數(shù)模狀態(tài)下進(jìn)行模擬、優(yōu)化和改進(jìn)，將問(wèn)題解決，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)成本最小化。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)物造車過(guò)程中發(fā)現(xiàn)與安裝力、力矩相關(guān)的人機(jī)問(wèn)題，通過(guò)材質(zhì)或過(guò)盈量等的優(yōu)化達(dá)到滿足人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求。在新車型開(kāi)發(fā)階段，進(jìn)行細(xì)致深入的主動(dòng)人機(jī)工程工作，對(duì)量產(chǎn)后運(yùn)行工廠人機(jī)狀態(tài)會(huì)起到至關(guān)緊要的作用。

1.2被動(dòng)人機(jī)工程

新車型開(kāi)發(fā)結(jié)束進(jìn)入正式批量生產(chǎn)階段，進(jìn)入量產(chǎn)后，產(chǎn)品性能和工藝布局基本固定，若在不影響生產(chǎn)情況下，進(jìn)行人機(jī)改進(jìn)是比較困難和被動(dòng)的，因此量產(chǎn)后人機(jī)工作定義為被動(dòng)人機(jī)工程工作。量產(chǎn)后在盡可能的情況下進(jìn)行優(yōu)化改善和組織員工輪崗來(lái)緩解體力疲勞，提高現(xiàn)場(chǎng)操作人員工作滿意度。

2制造人機(jī)工程體系在整車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用基于整車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有可借鑒的新車型開(kāi)發(fā)階段人機(jī)工程體系背景下，研究團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)覆蓋新車型虛擬造車和實(shí)物造車2大階段的人機(jī)工程流程體系，包括整車產(chǎn)品設(shè)計(jì)人機(jī)評(píng)審、設(shè)備人機(jī)評(píng)審、料箱料架人機(jī)評(píng)審、生產(chǎn)線高度人機(jī)評(píng)審。

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段利用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行人因分析已然成為主流趨勢(shì)，各種人因仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，JACK軟件正是其中的佼佼者[26]。在新車型產(chǎn)品設(shè)計(jì)人機(jī)評(píng)審中，研究團(tuán)隊(duì)在每個(gè)數(shù)模發(fā)布關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)車企中率先導(dǎo)入西門子開(kāi)發(fā)的3D仿真軟件JACK（如圖2所示），進(jìn)行同步人機(jī)工程評(píng)估。該仿真軟件搭載整車環(huán)境、工廠設(shè)備參數(shù)，對(duì)操作空間，操作可達(dá)性/通過(guò)性和盲裝等多方面，精準(zhǔn)地進(jìn)行人機(jī)狀態(tài)評(píng)估。對(duì)人機(jī)有問(wèn)題的設(shè)計(jì)，直接向工程部和設(shè)計(jì)部提出改進(jìn)建議，做到量化和細(xì)化[27]。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了3D仿真分析的人機(jī)改進(jìn)案例（如圖3所示）。通過(guò)原先設(shè)計(jì)方口的評(píng)估結(jié)果顯示，手部通過(guò)方口進(jìn)行操作時(shí)發(fā)生干涉。研究團(tuán)隊(duì)向設(shè)計(jì)部門提出改進(jìn)建議：根據(jù)手部運(yùn)動(dòng)的軌跡，將開(kāi)孔的上邊緣更改為圓弧形。此建議通過(guò)靜態(tài)仿真和手工樣件動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)合，完成最終新方案的評(píng)估，并且在之后的實(shí)物造車中得到驗(yàn)證。仿真分析成功改善了手部的操作空間，避免了修改磨具開(kāi)發(fā)成本的增加。

本研究團(tuán)隊(duì)從人機(jī)風(fēng)險(xiǎn)要素：力量、姿態(tài)、重復(fù)性、環(huán)境等方面著眼，自主開(kāi)發(fā)虛擬造車和實(shí)物造車階段人機(jī)確認(rèn)清單，該清單，有效地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)問(wèn)題全面、高效的評(píng)審。團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)《SAICGM自制鈑金零件朝向確認(rèn)人機(jī)工程確認(rèn)流程》，從源頭上解決了沖壓模具出來(lái)的鈑金件上料架朝向和車身取料上工裝朝向要求相反的人機(jī)問(wèn)題（如圖4所示），改善了現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)狀態(tài)，消除了后期料架更改需要增加的成本。

新設(shè)備和料箱料架開(kāi)發(fā)和樣件試做階段，應(yīng)有明確的人機(jī)要求，發(fā)給相關(guān)的設(shè)備和料箱料架供應(yīng)商標(biāo)書中，也要列有相關(guān)人機(jī)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估流程，要求供應(yīng)商依據(jù)相關(guān)人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從根本上確保進(jìn)入企業(yè)的設(shè)備和料箱料架人性化設(shè)計(jì)水平。

3制造人機(jī)工程體系在新建整車廠中的應(yīng)用過(guò)去十年間全國(guó)各家車企都在建新廠，擴(kuò)大產(chǎn)能，本研究團(tuán)隊(duì)在新工廠從圖紙規(guī)劃到正式投產(chǎn)創(chuàng)新建立了一整套人機(jī)工程工作方法。

利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，總結(jié)以往工廠曾經(jīng)發(fā)生的人機(jī)問(wèn)題，創(chuàng)新制定人機(jī)工程數(shù)據(jù)庫(kù)，包含人機(jī)Lessons Learned和Best Practice。沖壓車間、車身車間、油漆車間和總裝車間以及PT動(dòng)力總成在新工廠規(guī)劃階段就對(duì)人機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)的各類問(wèn)題制定策略，同時(shí)借鑒采用其它工廠的人機(jī)亮點(diǎn)融入到本區(qū)域規(guī)劃中。比如內(nèi)飾線規(guī)劃成高度可調(diào)生產(chǎn)線;底盤線、門線設(shè)計(jì)同步隨行帶，機(jī)器人取代人工焊接、人工涂膠以及人工搬運(yùn)。

下面是新工廠規(guī)劃階段底盤線人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)案例。底盤線駕駛艙腳踏板附近某關(guān)鍵零件的安裝操作，操作點(diǎn)偏車前且偏車中央，員工要深度彎腰才能完成操作。

利用西門子JACK軟件進(jìn)行仿真分析前，先確定吊臂橫梁距離地面高度和吊臂橫梁間距2個(gè)因子（如圖5所示），決定操作的彎腰幅度和可達(dá)性[28]。搭建如下數(shù)學(xué)模型。

1）吊臂橫梁距離地面高度50 cm時(shí)，彎腰幅度最大即探身幅度最大，滿足可達(dá)性前提下，常規(guī)設(shè)計(jì)吊臂橫梁間距2 180 cm就可以實(shí)現(xiàn)操作，但彎腰幅度最大，人機(jī)狀態(tài)不佳。

2）吊臂橫梁距離地面高度70 cm時(shí)，彎腰幅度有緩解，滿足可達(dá)性前提下，吊臂橫梁間距2 080 cm就可以實(shí)現(xiàn)操作。

3）吊臂橫梁距離地面高度95 cm時(shí)，彎腰幅度最小，探身幅度也最小，滿足可達(dá)性前提下，吊臂橫梁間距1 950 cm才可以實(shí)現(xiàn)操作。因?yàn)檐囆偷膶挾?，吊臂橫梁間距縮小到1 950 cm有很大難度。但這個(gè)數(shù)模狀態(tài)下，員工彎腰幅度最小，人機(jī)狀態(tài)最佳。

新工廠規(guī)劃早期，研究團(tuán)隊(duì)提出如上的仿真分析結(jié)果，新工廠項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)多次研討，最終采取將底盤吊具橫梁（L型）優(yōu)化至車身底盤下方。吊臂橫梁間距從2 180 cm，縮小到1 950 cm.這樣員工就可以身體緊貼整車裙邊，無(wú)需深度彎腰就可以完成操作，人機(jī)狀態(tài)得到很好的改進(jìn)。

新工廠規(guī)劃階段的人性化策略的制定，為破土動(dòng)工打造了人性化生產(chǎn)線奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，最大程度降低了新工廠的投入成本，同時(shí)最大的收益者是流水線上操作人員。

4制造人機(jī)工程體系在運(yùn)行工廠中的應(yīng)用

新車型正式量產(chǎn)后，運(yùn)行工廠實(shí)施的多角度創(chuàng)新人機(jī)工程工作方法，在公司各基地工廠的全面實(shí)施，從根本上改善現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)環(huán)境。譬如：對(duì)所有操作崗位進(jìn)行最適合身高和最不適合身高人機(jī)評(píng)估和全覆蓋人機(jī)滿意度調(diào)查等。通過(guò)這些創(chuàng)新人機(jī)工作的開(kāi)展，提升了現(xiàn)場(chǎng)員工的操作滿意度，提高了生產(chǎn)效率，降低了公司的運(yùn)營(yíng)成本。

為了操作員工更順暢完成操作，對(duì)所有操作崗位進(jìn)行員工適合身高評(píng)估，實(shí)現(xiàn)適才適用，對(duì)崗位身高要求170 cm以下和180 cm以上崗位重點(diǎn)關(guān)注避免員工高個(gè)子彎腰操作和小個(gè)子員工翹腳操作（如圖6所示）。圖6汽車制造不同工位操作員工適合身高

整車出廠前需要拓印落水槽下面的鋼號(hào)。員工需要隔著前保險(xiǎn)杠深度彎腰完成操作，每張拓印需要25 s時(shí)間。作為人機(jī)攻關(guān)課題，研究團(tuán)隊(duì)借鑒電動(dòng)剃須刀3個(gè)旋轉(zhuǎn)頭的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了電動(dòng)拓印槍（如圖7所示），重量?jī)H有0.5 kg，單手操作輕松簡(jiǎn)便，可高速運(yùn)轉(zhuǎn)。改進(jìn)后拓印單張紙只需15 s的操作時(shí)間，每張節(jié)約10 s時(shí)間，一臺(tái)車拓印2次，合計(jì)減少20 s彎腰操作時(shí)間，人機(jī)狀態(tài)得到很好改善，操作員工的工作效率和舒適性得到提升。

5結(jié)論和展望

通過(guò)人機(jī)工程學(xué)分析方法，開(kāi)發(fā)了貫穿整車開(kāi)發(fā)全過(guò)程以及量產(chǎn)后穩(wěn)定生產(chǎn)全過(guò)程的制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系。通過(guò)虛擬數(shù)模階段發(fā)現(xiàn)人機(jī)問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，大幅降低地了模具開(kāi)模后變更帶來(lái)的成本增加。通過(guò)項(xiàng)目階段多角度的人機(jī)評(píng)審，確保量產(chǎn)后流水線上員工的人性化操作。通過(guò)建立覆蓋新車型研發(fā)和量產(chǎn)全生命周期的汽車人機(jī)工程流程體系，制定整車新項(xiàng)目、新工廠和運(yùn)行原有工廠等多維度的人機(jī)工作方法，搭建汽車制造的人機(jī)工程大數(shù)據(jù)平臺(tái)。借助主動(dòng)人機(jī)工程方法完成新汽車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)全過(guò)程的人機(jī)評(píng)估和優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)所有操作的人性化設(shè)計(jì);借助被動(dòng)人機(jī)工程方法進(jìn)一步優(yōu)化汽車量產(chǎn)后的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)狀態(tài)，提升現(xiàn)場(chǎng)員工的人機(jī)安全感和滿意度。因此，基于搭建汽車制造領(lǐng)域全覆蓋的人機(jī)評(píng)估體系，最大限度改善現(xiàn)場(chǎng)員工的人機(jī)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了“以人為本”的工效學(xué)理念。在未來(lái)研究中，將逐步把本研究提出的人機(jī)工程體系逐步落實(shí)到全過(guò)程、全員、全領(lǐng)域的細(xì)微之處，開(kāi)展基礎(chǔ)人機(jī)工效的改善實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)員工深度參與人機(jī)工程體系的深化與細(xì)化。

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