打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序改進(jìn)前后的功效研究

黃瓊,劉何清,唐炫,米立華,朱凱穎

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭,411201)

工業(yè)工程是一門綜合性工程學(xué)科,核心是降低成本、提高質(zhì)量和生產(chǎn)率。因此,在工業(yè)工程技術(shù)廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)線上的研究基本都是圍繞如何提高產(chǎn)品生產(chǎn)率和公司效益展開。目前,關(guān)于生產(chǎn)線的研究主要集中在對(duì)生產(chǎn)線的合理布局,優(yōu)化工藝流程減少浪費(fèi),提高生產(chǎn)線的平衡,最后提高生產(chǎn)率。如,顧麗[1]等運(yùn)用工業(yè)工程的相關(guān)理論,優(yōu)化了壓縮機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)方式及生產(chǎn)線布局,提升了生產(chǎn)線總體效益;鄭躍君[2]等應(yīng)用工業(yè)工程的取消、合并、調(diào)整、簡化原則,減少了注塑機(jī)底箱裝配生產(chǎn)線的浪費(fèi),提高了生產(chǎn)線效率。部分研究主要集中在工序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量的影響。張明文[3]等通過測(cè)定葉絲干燥工序前后游離氨基酸含量發(fā)現(xiàn),經(jīng)過葉絲干燥工序后游離氨基酸含量下降,降低了卷煙的刺激性,提升了卷煙整體品質(zhì)。在對(duì)工序研究的基礎(chǔ)上,有少量文獻(xiàn)主要研究如何合理安排工序順序。段淵[4]針對(duì)各工序之間復(fù)雜的銜接關(guān)系,認(rèn)真分析研究其數(shù)字規(guī)律,在工序條形圖解決辦法的基礎(chǔ)上進(jìn)行解法創(chuàng)新,建立了“數(shù)字分析法解法”,提高了工作效率。這些研究都是追求更低的成本和時(shí)間,達(dá)到更高的效率和效益,對(duì)調(diào)整后操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度或能量消耗值是否會(huì)增加的關(guān)注則較少。關(guān)于人體能量消耗的研究,國外最早是在十九世紀(jì)九十年代,通過直接測(cè)量熱量的原理得出熱量數(shù)值。在二十世紀(jì)初,人們通過雙標(biāo)水法和氣體交換法等間接方法測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量消耗值[5]。現(xiàn)在關(guān)于人體能量消耗研究常用的方法有直接測(cè)熱法、間接測(cè)熱法、雙標(biāo)水法、心率監(jiān)測(cè)法、公式預(yù)測(cè)法和膳食調(diào)查法等[6–8]。其中,間接測(cè)熱法被認(rèn)為是精度比較高的測(cè)試方法,其關(guān)鍵是如何有效收集人體的呼出氣體,分析呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量,并換算成熱量[9–10]。

本文作者根據(jù)自己切身經(jīng)歷及相關(guān)生產(chǎn)工序的調(diào)研發(fā)現(xiàn),許多廠家打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序存在元器件布局及作業(yè)工序設(shè)計(jì)不合理的現(xiàn)象,致使生產(chǎn)耗時(shí)長,效率低,但相關(guān)的研究卻很少。因此,本文運(yùn)用基礎(chǔ)工業(yè)工程相關(guān)理論,調(diào)整打印機(jī)零部件的生產(chǎn)工序,通過間接測(cè)熱法測(cè)定人體的能量消耗值,開展不同作業(yè)工序的能量消耗研究。然后,分析能量消耗的變化特征,以期掌握工序改進(jìn)前后人體能量消耗值的變化規(guī)律,指導(dǎo)生產(chǎn)線操作方式的改進(jìn),并為制定高效率、低能耗的操作方式提供參考。

1 打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序的優(yōu)化

1.1 改進(jìn)前的打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序簡介

本文以某電子有限公司組裝車間中的打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序?yàn)檠芯繉?duì)象。工序?yàn)閱稳耸止そM裝工序,即操作者不用借助機(jī)器設(shè)備便可獨(dú)自完成組裝過程。工序成品由灰輪、黑輪、沖壓件和E型環(huán)4個(gè)部分組裝而成。正式作業(yè)前,黑輪和灰輪放置在操作臺(tái)左側(cè),沖壓件和卡刀放置在中間,裝有E型環(huán)的底座放置在操作臺(tái)右上角,如圖1所示。常規(guī)作業(yè)程序:操作者首先拿取沖壓件至操作臺(tái)指定區(qū)域,后依次將黑輪和灰輪組裝于沖壓件,再用卡刀從底座上取E型環(huán)后卡于組裝件,最后將成品移至操作臺(tái)右下側(cè)成品區(qū)。具體操作情況如圖2所示。

對(duì)該工序現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn):常規(guī)作業(yè)工序耗時(shí)較長。主要的問題有:第一,拿取黑輪和灰輪時(shí),存在單手操作的情況。第二,拿取灰輪和黑輪后,組裝灰輪和黑輪前,存在將灰輪和黑輪換手拿取的無效動(dòng)作。第三,操作臺(tái)上各組裝件擺放較零散,所占范圍較大,導(dǎo)致操作者雙手動(dòng)作幅度較大。

圖1 改進(jìn)前工作臺(tái)布局

1.2 改進(jìn)后的打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序

基于動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則、“5W1H”提問技術(shù)和“ECRS”原則對(duì)工序進(jìn)行作業(yè)分析和動(dòng)作分析。針對(duì)工序現(xiàn)存問題,具體改進(jìn)內(nèi)容如下:

(1)工作臺(tái)布局的改進(jìn)(圖3)。

第一步,將灰輪放置在工人右手邊,黑輪放置在工人左手邊。改進(jìn)后操作者可雙手同時(shí)拿取灰輪和黑輪,從而改進(jìn)單手操作的情況。第二步,調(diào)整沖壓件和成品的擺放位置,縮短工人伸手的距離,減小動(dòng)作幅度。第三步,將卡刀放置于工人右手邊,便于拿取。

(2)作業(yè)工序的改進(jìn)(圖4)。

圖2 改進(jìn)前雙手作業(yè)分析圖

該工序操作方式改進(jìn)方案為:第一,將單手操作改為雙手操作,即在左手取黑輪時(shí)右手拿灰輪,并同時(shí)持輪至指定區(qū)域。第二,取消將黑輪和灰輪從左手放置于右手的無效動(dòng)作。

1.3 改進(jìn)后打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序的優(yōu)勢(shì)

(1)通過調(diào)整灰輪和黑輪的擺放位置,改進(jìn)了拿取灰輪和黑輪時(shí)的單手操作情況。

(2)取消了將黑輪和灰輪從左手放置于右手的無效動(dòng)作。

(3)調(diào)整卡刀放置位置,便于操作者拿取。

(4)對(duì)沖壓件和成品的擺放位置進(jìn)行調(diào)整,縮短了操作者伸手的距離,減小了動(dòng)作幅度。

通過對(duì)工序的調(diào)整改進(jìn),操作者動(dòng)作幅度明顯減小,成品生產(chǎn)時(shí)間縮短,生產(chǎn)線效率得到了提高。但這僅為定性感官上的一種感覺,不能確定具體變化值,因此,本文開展了成品作業(yè)工序能耗值、耗工時(shí)及生產(chǎn)效率的實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 改進(jìn)后工作臺(tái)布局

2 作業(yè)工序能量消耗與生產(chǎn)效率

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)共聘請(qǐng)受試者16名,其中男性8名,女性8名。通過儀器測(cè)量得出受試者的基本情況,如表1所示。

根據(jù)工廠實(shí)際情況相關(guān)參數(shù)設(shè)定為:溫度22～26℃;濕度50%～55%;風(fēng)速不超過0.05 m/s。環(huán)境參數(shù)由湖南科技大學(xué)人工環(huán)境氣候艙實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)定參數(shù)為作業(yè)總時(shí)長和操作時(shí)受試者呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量。作業(yè)時(shí)長通過秒表測(cè)得,操作時(shí)受試者呼出氣體中氧氣含量采用CYCK-201綜合氣體分析儀測(cè)得。

CYCK-201綜合氣體分析儀可用于氧氣和二氧化碳含量的測(cè)定以及溫度和濕度的測(cè)定,本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量氧氣含量。氧氣含量測(cè)量范圍0～25%(Vol)(最大30%),分辨率0.01%,滿量程測(cè)量精度±0.1%。儀器主要采用芬蘭維薩拉CO2傳感器測(cè)定二氧化碳含量,測(cè)量范圍0～10%,分辨率0.01%,滿量程測(cè)量精度為±0.1%。

實(shí)驗(yàn)過程如下:

(1)用型號(hào)為IPR-scale 02身高體重測(cè)量儀,測(cè)量受試者身高、體重和體重指數(shù)BMI。

(2)用CYCK-201綜合氣體分析儀抽取環(huán)境中的空氣,測(cè)量其氧氣濃度。

(3)受試者進(jìn)入環(huán)境艙,戴上呼吸口罩準(zhǔn)備試驗(yàn)。

(4)受試者向口罩中呼出氣體,測(cè)量其靜息狀態(tài)下呼出氣體中氧氣濃度。

(5)受試者按改進(jìn)前工序的操作要求進(jìn)行操作,完成10個(gè)成品后結(jié)束操作。并用CYCK-01綜合氣體分析儀測(cè)得改進(jìn)前受試者呼出氣體中氧氣的含量,用秒表測(cè)得改進(jìn)前作業(yè)時(shí)長,并記錄下呼吸頻率(次/min)。

(6)休息10 min后,再按改進(jìn)后的工序操作要求進(jìn)行操作,完成10個(gè)成品。同樣測(cè)得改進(jìn)后的作業(yè)時(shí)長,受試者呼出氣體中氧氣的含量和呼吸頻率(次/min)。

數(shù)據(jù)處理:

(1)由呼吸頻率與潮氣量(500 mL)的乘積得到每分鐘通氣量。

(2)用環(huán)境中的氧氣濃度值減去受試者在操作時(shí)呼出氣體中氧氣的濃度值,得氧氣濃度的變化值。氧氣濃度變化值乘以受試者每分鐘通氣量得到耗氧量。

圖4 改進(jìn)后雙手作業(yè)分析圖

表1 受試者基本情況(±s)

表1 受試者基本情況(±s)

性別 年齡/歲 身高/c m 體重/k g B MI/(k g·m-2)男 2 3.4±0.9 1 7 3.4±3.9 6 4.4±7.9 2 1.4±1.9女 2 2.5±0.8 1 6 0.7±5.2 5 1.5±7.6 1 9.8±2.3

(3)相對(duì)耗氧量是指單位體重單位時(shí)間的耗氧值,由耗氧量除以體重得。

(4)由耗氧量和二氧化碳生成量得呼吸商,根據(jù)不同呼吸商的氧熱價(jià)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的能量消耗值[11]。

(5)1代謝當(dāng)量(MET)被定義為每公斤體重每分鐘消耗3.5 mL氧氣,大概相當(dāng)于一個(gè)人在安靜狀態(tài)下坐著, 沒有任何活動(dòng)時(shí)每分鐘的氧氣消耗量[代謝當(dāng)量=VO2(mL·kg-1·min-1)/3.5(mL·kg-1·min-1)]。

(6)生產(chǎn)率是生產(chǎn)過程的投入與商品或勞務(wù)的產(chǎn)出之間的關(guān)系。生產(chǎn)率是一個(gè)相對(duì)指標(biāo),可根據(jù)單一投入或兩種以上投入來度量,即單要素生產(chǎn)率及多要素產(chǎn)率,生產(chǎn)管理中常采用單要素度量法,并根據(jù)不同的生產(chǎn)工作類型而不同[13],如對(duì)該工序而言,生產(chǎn)率可根據(jù)作業(yè)總耗時(shí)和產(chǎn)出產(chǎn)品數(shù)量得到。

(7)為表征能量消耗與生產(chǎn)率的關(guān)系,本文引入生產(chǎn)效率的概念,它表示單位體重每消耗單位能量生產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量,單位為件·kg·J-1,生產(chǎn)效率=生產(chǎn)率÷能量消耗。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用Microsoft EXCEL 2003建立數(shù)據(jù)庫,采用IBM SPSS Statistics 24統(tǒng)計(jì)分析,定量資料符合正態(tài)分布用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。改進(jìn)前后耗氧量、相對(duì)耗氧量、能量消耗、生產(chǎn)率和生產(chǎn)效率的比較采用成對(duì)樣本t檢驗(yàn)。男女比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),當(dāng)兩性差異明顯時(shí),男女分別比較。最后,除特別說明外,檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

(1)表2為兩性之間總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率的比較。由表2可知,兩性間總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率存在明顯差異,因此,比較改進(jìn)前后總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率時(shí)分開比較。

從兩性角度看,改進(jìn)前后男性總作業(yè)時(shí)長明顯高于女性,生產(chǎn)率明顯低于女性。從總體角度看,改進(jìn)后總作業(yè)時(shí)長明顯縮短(P=0.002<0.05,t=4.966),總耗時(shí)縮短約29.1%。改進(jìn)后生產(chǎn)率明顯提高(P=0.000<0.05,t=-7.641),每分鐘生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量增加約39.6%。

表2 兩性間改進(jìn)前后總作業(yè)時(shí)長和生產(chǎn)率的比較

(2) 表3為改進(jìn)前后耗氧量和能量消耗的比較。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得受試者靜息狀態(tài)和作業(yè)時(shí)的耗氧量,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到相對(duì)耗氧量,代謝當(dāng)量和能量消耗值(見表3)。由表3可知,改進(jìn)后人體耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.889)和相對(duì)耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.582)都明顯增加,每分鐘分別增加約13.2%和13.6%;改進(jìn)前后能量消耗差異明顯(P=0.001<0.05,t=-5.505),改進(jìn)后人體每分鐘多消耗約13.5%能量。換而言之,改進(jìn)后人體耗氧量、相對(duì)耗氧量和能量消耗都明顯增加,且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

據(jù)美國疾控中心和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì)1995年推薦標(biāo)準(zhǔn)[14]:能量消耗小于3個(gè)代謝當(dāng)量為低強(qiáng)度體力活動(dòng),能量消耗3～6個(gè)代謝當(dāng)量為中等強(qiáng)度體力活動(dòng),能量消耗大于6個(gè)代謝當(dāng)量為高強(qiáng)度體力活動(dòng),對(duì)所測(cè)體力活動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)度分級(jí)。該工序改進(jìn)后代謝當(dāng)量為(2.13±0.36)METs仍低于3 METs,屬于低強(qiáng)度體力活動(dòng)。

表3 受試者各狀態(tài)下耗氧量和能量消耗值

(3) 表4為改進(jìn)前后生產(chǎn)效率的比較。由表4可知,根據(jù)能量消耗值和生產(chǎn)率得到生產(chǎn)效率。改進(jìn)后生產(chǎn)效率明顯增加(P=0.000<0.05,t=-6.700),單位體重每消耗一單位能量增加約10.0%的產(chǎn)量。改進(jìn)后人體能量消耗和工序的生產(chǎn)率都明顯增加,但相較于原工序而言,生產(chǎn)率增幅更大,因此改進(jìn)后生產(chǎn)效率增大。

表4 試者各狀態(tài)下能量消耗和生產(chǎn)效率值

3 結(jié)論

(1)工序調(diào)整后,打印機(jī)零部件生產(chǎn)工序的總時(shí)長縮短。每生產(chǎn)10個(gè)打印機(jī)零部件的總時(shí)長由原來的4.05 min縮短為2.86 min,總耗時(shí)縮短約29.1%。工序生產(chǎn)率明顯提高,操作者勞動(dòng)時(shí)間縮短。

(2)改進(jìn)后單位時(shí)間內(nèi)人體能量消耗值增大。改進(jìn)后人體能量消耗值由原來的137.35 J·(kg·min)-1上升到155.87 J·(kg·min)-1,單位體重每分鐘多消耗約13.5%能量。但改進(jìn)后代謝當(dāng)量為(2.13±0.36)MET小于3 MET,仍屬于低強(qiáng)度體力活動(dòng)。換而言之,改進(jìn)后操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度沒有顯著變化。

(3)改進(jìn)后生產(chǎn)效率得到了提高。改進(jìn)后生產(chǎn)效率由0.020件·kg·J-1上升為0.022件·kg·J-1,單位體重每消耗一單位能量增加約10.0%的產(chǎn)量。因此,改進(jìn)后操作者消耗相同能量時(shí)可組裝更多產(chǎn)品,提高了生產(chǎn)功效。