汽车装配生产过程中的人机工程仿真与改善.docx
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汽车装配生产过程中的人机工程仿真与改善
汽车装配生产过程中的人机工程仿真与改善
上海交通大学硕士学位论文汽车装配生产过程中的人机工程仿真与改善姓名：
徐明芳申请学位级别：
硕士专业：
管理科学与工程指导教师：
蒋祖华20060201
上海交通大学硕士学位论文摘要随着科学技术的进步社会的发展人们对工作和生活质量的要求也越来越高创建优良的工作条件和舒适的工作环境以满足人的生理和心理需要也将成为人类不断追求的目标而人机工程学正是一门研究人机环境如何才能达到最佳匹配以保证人安全健康高效舒适地进行工作和生活的学科本文应用人机工程学仿真技术以及人机工程学的改善理论与方法如动作经济原则与流程经济原则等评估了生产现场的人机工程现状对典型人机工程问题进行分析并提出了可行的改善方案实践证明改善效果明显本文首先通过人机工程学的发展现状分析仿真技术及改善理论的总结引入了JACK仿真软件使得企业能够更有效地实施人机工程项目然后通过对企业现状的评估分析并改善了生产现场的具体问题对前纵梁总成工序作了全面的人机分析利用JACK软件仿真了工序的操作过程改善了其中人机问题如不合理的场景布局人工搬运以及工人无效走动时间等减轻了工人的劳动强度并提高了工序的效率接着对车身装配流水线上的操作者身体姿势问题提出了双层操作平台的改善方案并说明了此改善方案在类似的流水线上的通用性可以推广使用在前盖装配工位上通过改善前盖搁架的结构使得操作者可以舒适的姿势搬运前盖改善实施后操作者反映不仅身体姿势得到改善作业效率也得到了提
上海交通大学硕士学位论文高通过引入AHP法对总体工作负荷做较全面的预测研究改变了当前对工作负荷强度不能预测以及只侧重体力工作负荷的状况最后分析了科学的人机工程在企业实施的迫切性并面向汽车制造业给出了科学的实施流程方法与步骤以及人机工程实施的效果评价体系关键词车身装配作业人机工程学改善作业仿真
上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,moreandmorepeoplebegintorealizetheimportanceofworksafetyandlifequality.Comfortableworkingconditionscansatisfypeople'sphysiologicalandpsychologicalneed.Toestablishsuchconditionsbecomesthegoalwhichpeoplepursueunceasingly.Ergonomicsplaysanimportantroleintheprocess.Ergonomicsistheapplicationofscientificinformationconcerninghumanstothedesignofobjects,systemsandenvironmentforhumanuse.Worksystems,sportsandleisure,healthandsafetyshouldallembodyergonomicsprinciplesifwelldesigned.Thispaperanalyzesandsummarizesthesimulationsoftwaredevelopmentandsomeimprovementtheoryinergonomics.Thesituationofmanufactureworkshopsinamotorcompanyisevaluated.Typicalergonomicsproblemsinthesituationareanalyzedandimprovementsfortheproblemsarecarriedout.Throughthecontrastandanalysisbetweenoldandnewproject,theimprovementeffectisobvious.Firstandforemost,thispaperstudiesPrincipleofMotionEconomyandEconomicPrincipleProcessanalysis,introducesJACKsoftwaretoanalyzemanufactureprocess.Second,thefollowingergonomicsproblemsareanalyzedonebyone.
（1）TheworkingprocedureofaFront-carlingassembly.Problems,such
上海交通大学硕士学位论文asunreasonablelayout,themanualmaterialhandling（MMH）andtheworkerinvalidwalktime,areanalyzedandsolved.Soworker'sworkloadandtheworkingprocedureefficiencyareimproved.
（2）Workingpostureonthebodyassemblyline.Aworkstationwithdoublefloorsisproposedtosolvetheproblem,andtheworkstationcanbeusedinsimilarassemblyline.（3）MMHproblemintheworkingprocedureofFrontCoverassembly.Withtheshelfsizechanged,workerscanhandletheFrontCoverincomfortablepostureandtheworkefficiencyisimproved.（4）Overallworkloadassessmenttechniqueforvarioustasksandworkplaces.Amethodforassessingworkloadsisintroducedbyapplyingtheanalytichierarchyprocess（AHP）.Itcanalsobeusedforfuturepredictionandproblemsolving.Finally,aimingatthemotormanufacturing,theurgencyofimplementingergonomicsisanalyzed.ThedetailedImplementationflow,stepsandevaluationsystemareestablished.KEYWORDS:
AssemblyOperationofMotor,Ergonomics,Improvement,Simulation
上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密请在以上方框内打学位论文作者签名徐明芳指导教师签名蒋祖华日期2006年2月20日日期2006年2月20日
上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名徐明芳日期2006年2月20日
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1研究目的和意义1.1.1问题的提出背景近年来随着经济的快速增长社会的进步安全与健康问题越来越引起人们的关注由于企业的人机工程学条件不良所导致的职业病和事故也日益受到人们的重视在美国与职业相关的肌肉骨骼损伤的病例占所有损失一个工作日以上的伤害和职业病的34%每年用于这方面的职工补偿费用达到150亿[1]企业的工效学状况不当使这些严重伤害的最主要的原因随着国内外对劳动者的职业健康系统Occupation&HealthySystem的建立对劳动者的工作环境与职业健康提出了更高的要求人机工程学Ergonomics在职业健康与劳动保护上的应用显得越来越重要对此大量的研究表明计算机键盘人机界面及汽车驾驶室等的不合理设计会给操作者带[2][3]来终生的职业损伤而在实际生产现场中环境相对更加恶劣生产者的工作舒适性就显得更加重要了通过企业工效学的仿真研究以及对其现状的改善可以减少职业相关病如[4]肌骨骼损伤和伤害等事故的发生率提高生产率为企业带来经济效益同时改变人们对人机工程学的传统认识例如企业的工效学状况改善只是职工的抱怨或国家法规标准强制下的不得已的行为而使企业认识到好的工效学状况意味着好的经济效益好的工效学状况是和高生产率高质量携手同行的从而使企业对人机工程项目的态度由别动变为主动积极地改善职工的工[5~7]作状态和工作环境1.1.2研究目的和意义从物料流误差流和资金流角度看装配生产过程是零部件的硬件集成误差综合和资金汇集的后续制造活动也是产品达到功能要求保证性能质量[8]的最后制造阶段据统计制造业中约有22%~40%的熟练劳动力被装配作业[9]占用装配成本约占制造成本的30%~50%因此装配在制造中占有重要的地位但是由于装配作业对人的感知技艺和经验依赖性较强至今装配过程的自动化程度还比较低装配作业大部分都要靠手工装配存在着装配工技术水平和经验参差不齐操作动作不符合动作经济原则等问题造成各工序时间不平衡影响装配生产率的提高并且装配工的劳动强度大在机械设计中要根据人机工程学原理合理设计各种参数既保证安全又提高生产效率在现代化生产中所有的机器设备都是由人进行操作或使用的因此在生产1
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论中人和机器联系在一起形成一个不可分割的整体二者之间的关系是相互作用相互配合相互制约的关系而现代化生产是由机械冷加工机械热加工和机械装配三个部分组成所以在机械装配中同样存在人机关系在这一人机系统设计中主要解决人机系统中的安全高效经济问题特别是有关人的效能安全身心健康为此人机系统的设计中必须充分考虑人的因素反映人的需要从而在保证安全的前提下提高劳动生产率在机械装配中的人机关系仪器设备及零件的堆放高度都应首先考虑是否满足人体尺寸及人手能及的尺寸仪器设备尺寸以及设施布局必须设计合理这一切都以人在生产[10]中安全为中心营造舒适的环境降低疲劳从而提高生产效率国际上汽车在开发设计上已经成熟地应用了人机工程学的理论和方法并遵照比较全面和规范的设计标准合理地进行设计工作比如SAE美国汽车工程师学会标准ISO国际标准JIS日本工业标准以及GB中国国家标准都有关于轿车载重卡车等机动车的有关操作空间视野仪表布置驾驶员位置等非常全面的设计标准给开发设计带来极大的方便同时知识工程KnowledgeBasedEngineering,KBE与专家系统在辅助设计中的应用计算机数字仿真的应用大大提高了工作效率并不断推动汽车技术的向前发展然而在汽车装配生产中只有世界上一些大型的汽车制造公司才对该项目进行研究人机工程学在装配生产中的应用与发展远落后于其在产品开发设计中的应用由于近来对劳动者要求改善工作条件的呼声不断提高才逐渐重视人在装配生产中的地位其实改善工作条件恶劣的机械操作者的舒适度能够减少劳动者的疲劳损伤减少机械的人为故障保证操作者长时间的注意力降低安全事故发生率可以获得更大的工作效益因此选择该课题有以下目的和意义1.将目前较成熟的人机工程学改善理论应用于汽车装配操作中并相应推广人机工程学在汽车制造业的应用与研究2.对国内汽车制造业中作业者的操作舒适度以及工作效率和安全性都可从技术上得到提高并对实际工位布置给予正确的指南3.进一步提高汽车装配生产的工作效率并改进常规的不当设计手段4.可以提高与促进国内人机工程学在生产中的应用研究与使用领域规范人机工程学在汽车制造业的实施流程方法与步骤总之对于国内学术而言许多机械装配生产中缺乏人机工程的相关应用在人机工程学方面的研究也不多有的相关研究还停留在经验人机工程学的基础上所以在该课题上进行研究就是只对其中一个人机项目汽车装配作业的进行研究就可以取得比较有意义的成果2
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.2国内外的研究与应用现状1.2.1国内外的研究现状现代人机工程学主要包括以下八个研究方向1研究人的生理与心理特性人的生理心理特性和能力限度是人机环境系统优化的基础人机工程学从学科研究对象和追求的目标出发系统地研究人体特性如人的感知特性信息加工能力传递反映特性人的工作负荷与效能疲劳的关系人体尺寸人体力量人体活动范围人的决策过程影响效率和人为失误的因素等这些研究为人机环境系统设计和改善以及制定有关标准提供科学依据使设计的工作系统及机器作业环境都更好的适应于人创造高效安[11]全健康和舒适的工作条件MinK.Chung等通过对操作者不良姿势的研究开发了一个基于微观姿势分类的姿势负荷计算机评估系统并分析了工作引起肌肉骨胳疾患的因素如工作姿势重复性劳动强迫性劳动及静态肌肉施力[12]等JanJohansson通过对汽车转配车间手工劳动工人的实验仿真与研究提出了一套评估系统PSIDAR用于对手工劳动者的工作负荷心理状态以及反映[13]特性进行评估KarenaMessing研究了长时间站姿的工作人员对他们足部脚底的受压端pain-pressurethreshold,PPT作出了精确的描述之后给出了站姿工作者脚底PPT的数量指数2研究人机环境系统整体设计设计人机环境系统的目的是使整体系统工作性能最优为此第一研究人在特定系统中的作用克服片面强调机器性能的设计思想只有设计的机器等要素适应人的特性系统的整体效率才能充分发挥同时也应考虑到个别差异的制约通过选拔也是必要的第二研究人机功能合理分配系统中人与机器各有特点都有各自的能力和限度在系统设计时应考虑充分发挥各自的特长合理分配人与机器的功能使其相互补充取长补短有机结合以保证系统的整体功能最优3研究人机界面设计在人机环境系统中人机系统是主体人与机相互作用的过程就是利用人机界面上的显示器与控制器实现人与机的信息交换的过程保证人与机之间的信息交换迅速准确从而实现系统的优化开发研制任何供人使用的产品包括硬件和软件都存在着人机界面设计问题研究人机界面的组成并使其优化匹配产品就会在功能质量可靠性造型及外观等方面得到改[14]进和提高也会增加产品的技术含量和附加值李娜等为了解决坦克驾驶舱人机界面设计中的人机工程问题将虚拟设计的理论和计算机仿真技术引入坦3
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论克驾驶舱人机界面设计中利用计算机图形学的相关方法提出了坦克驾驶舱人机界面各组成部分的三维模型的构建方法建立了坦克驾驶舱人机界面的元件库模型和人体模型4研究工作场所设计和改善工作场所设计的合理性对人的工作效率有着直接的影响工作场所设计包括工作场所总体布置工作空间与工作区域设计工作台或操纵台与工作椅设计工作条件设计等研究设计工作场所时应从生理学心理学生物力学人体测量学和社会性等各个方面保证符合人的特性和要求使人的工作条件合理工作范围适宜工作姿势正确达到工作时不易疲劳方便舒适安全可靠和提高效率的目的研究工作场所设计也是保护和有效利用人力资源[15]发挥人的潜能的需要SueA.Fergusona对健康劳动者和下背部有损伤的劳动者的工作场所进行实验对比研究并制定出两者工作场所的设计方针5研究工作环境及其改善任何人机系统都处于一定的环境之中因此人机系统的功能不能不受环境因素的影响而人与机相比受影响的程度更大作业环境包括许多方面如照明颜色噪声振动温度湿度空气粉尘和有害气体等人机工程学主要研究在各种环境下人的生理心理反应对工作和生活的影响研究以人为中心的环境质量评价准则研究控制改善和预防不良环境的措施使之适应人的要求目的是为人创造安全健康舒适的作业环境提高人的工作生活质量保证人机环境系统的高效率除了以上的物理环境因素外还[16]应注意研究社会环境因素或人工作效率的影响刘亚杰等研究了视频显示终端（VDT）作业可能存在的职业危害因素为制定我国VDT作业环境的卫生标准提供科学依据他们通过实验发现人机系统中存在作业者的强迫体位不符合人体工效学可能是神经系统眼睛骨骼肌产生不良影响的原因之一提出要改善VDT作业环境质量加强对VDT作业者的健康防护6研究作业方法及其改善作业是人机关系的主要表现形式也是人机系统的工作过程只有通过作业才能产生系统的成果人机工程学主要研究人从事体力作业技能作业和脑力作业时的生理与心理反应工作能力及信息处理特点研究作业时合理的负荷及耗能工作与休息制度作业条件作业程序和方法研究适宜作业的人机界面除硬件机器外还包括软件如规则标准制度技法和网页等都要与作业者的特性相适应以上研究的目的是寻求经济省力安全有效的作业方法消除无效劳动减轻疲劳合理利用人力和设备提高系统工作[17]效率HeleniceJaneCote分析了肌骨胳健康问题并从人机工程角度研究了[18]工作与休息的问题M.St-Vincent等对大型超市仓库中的手工搬运工作者的4
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论工作进行了工效学分析描述了手工活动的主要决定因素及相关约束包括物理布局physicallayouts货架containers设备存货及刚到货品管理7研究系统的安全和可靠性人机系统已向高度精密复杂和快速地发展而这种系统的失效将可能产生重大损失和严重后果实践证明系统的事故大多数是由人为失误造成的而人的失误则是由人的不可靠性引起的在这方面人机工程学主要研究人的可靠性安全性和人为失误的特性和规律寻找可能引起事故的人的主观因素研究改进人机环境系统通过主观和客观因素相互补充和协调克服不安全因素以减少系统中不可靠的劣化概率研究分析发生事故的人物环境和管理等原因提出预防事故和安全保护措施搞好系统安全管理工作[19]PatrickG.Dempsey论述了测量精确度对应用NIOSH方程式的影响通过实验发现应用方程式时参考测量数据与实际测量中的差异并在此基础上提出了提高NIOSH方程应用效力的建议8研究组织与管理的效率从宏观来看人机环境系统是管理系统的子系统而管理系统又是社会的子系统因此研究人机环境系统不能是封闭的应与组织管理文化和社会相适应主要研究克服人决策时在能力动机知识和信息方面的制约因素建立合理的决策行为模式研究改进生产或服务过程为适应顾客需要创造经营与作业流程不断为产品与技术创新创造条件研究使复杂的管理综合化系统化形成人与各种要素相互协调的作业流信息流物流等管理体系和方式研究人力资源中特殊人员选拔训统和能力开发改善员工绩效的评定管理采取多重激励发挥人的潜能1.2.2国内外的应用现状目前人机工程学在国外已广泛应用于国防交通运输工业航天航空农业建筑等各个领域在产业方面较周详地考虑了人机工程的产品就比较能够提高它的附加价值也增强了它的市场竞争能力苹果公司的麦金塔计算机能在个人计算机市场上与IBM公司较量就是一个很好的例子许多大型制造公司提供人性化的工作制度和环境尤其是在实际生产中使员工身心健康得[20]到保障进而提升了公司的形象也提高了员工的向心力和生产力当前人机工程学在国外的研究和应用领域可以概略地分为三大类:
尖端技术领域中的人机工程学随着科学技术的飞跃发展人机系统变得越来越复杂一些复杂系统的控制如飞机的驾驶甚至于超过了人的正常工作能力人成为系统中的主要制约因素如何降低系统对人的要求或如何提高人的能力以适应系统的要求是人机工程学面临的一个严峻挑战这方面的主要内容有飞机驾驶舱的设计5
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论脑力负荷的测量系统评价核电站控制室的设计人在太空中的工作生活等问题人机工程学与电子计算机随着电子计算机的推广和普及在工业化国家使用计算机的工作人员已超过其他任何一种机器操作人员的总和如何提高人--计算机系统的效率已成为工效中的一个最集中最流行的内容在美国的人类工效学年会上往往有三分之一以上的论文涉及到这一主题这方面的主要内容包括屏幕显示的设计键盘的设计操作系统的评论计算机工作地的布置说话式输入输出的效果等生产制造和其他领域的人机工程学生产领域是人机工程学的一个传统内容这方面的主要内容包括人体的测量工作环境劳动保护与安全产品检验事故的调查等传统的工效学主要研究生产性产品的设计现在也开始研究消费品的设计如如何设计产品的说明书使消费者能够安全容易地使用消费品另外人机工程学还涉及到体育法律警察驾驶消防等行业国内人机工程学起步较晚我国的人类工效学会成立于1989年当前有四百余名会员虽然起步较晚但人机工程学在国内的发展非常迅速1991年<<Ergonomics>>杂志发表了中国人类工效学专辑1992年在中国召开了第二届泛太平洋工效学及职业安全国际学术会议随着我国人民的生活水平正在迅速提高人们将越来越重视自己的工作和生活的质量也逐渐认识到人机工程学的必要性另外我国正在逐步进入国际市场为了提高产品的竞争力也需要提高劳动效率和降低劳动成本现在人机工程已经在学术界及各工业行业得到了广泛的承认已应用于许多领域如工程机械汽车工业机床设计等尽管不少企业实施人机工程获得了一些成功,但是还是有更多的企业的人机工程项目实施收益甚微在这些企业中几乎都存在一个共同的问题那就是这些企业在导入人机工程理论和方法后缺乏规范的操作流程很少认真地进[20][21]行分析评估企业的人机工程现状实施人机工程改善总的来说人机工程学在国内开展的还很不普及虽然有兴趣的人不少但比较零散研究项目有限在社会上影响不大大多应用在人机界面工业产品设计中广在实际生产中应用的较少且更多注重的是劳动效率而忽视了人-机-环境系统中最重要的因素人的因素1.3国内外人机工程软件的技术发展计算机技术对人机工程的辅助最终以计算机软件的形式得以体现根据用途的不同主要分为两大类一类是研究方法软件包如用于可靠性分析的软件6
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论包STARS用于质量分析的FMS及集成专家系统的GSAErgonlift等另一类是用于各种实际应用的人机系统软件如SAMMIEJACKERGO等从功能角度对目前比较常用的几个人机工程软件的使用情况进行对比分析如表1.1所示[22~25]?
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能否建能否立人-功能建立计算机模型的所使用的人机分析机-环适用范围人的建立方式评价方法境系统软件模型的仿真视域分析可及度分汽车公交车可以完成对工析静态施力分析卡车飞机办作场所的建下背部受力分析作公系统座椅模也可以通业姿势分析能量代家用电器等JACK能过软件接口导能谢分析疲劳恢复分入其他CAD软析舒适度分析件对产品的
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