摘要: 为了使人机系统有效地发挥作用，达到人与机器的最佳配合，以XB6140 型卧式铣床及操作人员构成的人机系统为实验对象，在分析人机系统尺寸、辅助工具、机器利用率等存在问题的基础上，通过人机系统尺寸优化、标准作业时间制定、人机操作分析等多个实验进行优化设计。实验优化后操作人员无效动作减少，标准作业时间降低，系统理论产能可提高143． 2%。结果表明，实验效果显著，可大幅提高企业生产效益、实现人机协调工作，为人机系统设计提供了一种思路和尝试。

                                                                          主讲人 ：蒋南云

                                                                 联络方式：15313599645

 
      0 引言

      随着人性化理念日益受到关注，企业在追求经济效益的同时更加关注人与机器之间的协调关系，使人在系统中安全、舒适、高效、健康、经济地发挥作用，以适应现代化生产。以往文献［1-3］多从人机尺寸关系、工具改进等单一方面进行人机系统设计。本文综合运用工业工程的人机工程学［4-5］、现场管理［6］等理论设计实验内容，以机加工车间常见的XB6140 型卧式铣床为实验对象，分别从工作台椅尺寸、辅助工具改进、时间以及操作分析等多个方面进行人机系统优化，使人机系统更加符合动作经济原则，进而帮助企业提高生产效率。

      1 、卧式铣床人机系统存在问题分析

     选取机加工车间卧式铣床人机系统为实验对象，其中“人”是铣床操作员，主要操作铣床完成加工工件表面工序，“机”是XB6140-半自动卧式单头专用铣床，加工工件表面粗糙度以及沟槽等，还包括一些辅助工具，以便操作铣床。加工工序包括厚度切削和轮齿加工两步骤，具体如图1 所示。

      
  
                                    图1 加工工序图

     1． 1 现有人机系统尺寸分析

     1． 1． 1 工作椅与工作台

     通过实验测量，现有人机系统中工作座椅表面高度距离地面690 mm，加工铣床的工作台面高度距离地面为1 120 mm; 操作员小腿加足高经测量尺寸为388mm，计算可知操作员坐在工作座椅上足底距离地面的高度为690 － 388 = 302 mm，说明当操作员坐在该座椅上工作时，腿部自由下垂，脚部悬空; 操作员坐姿肘高经测量为284 mm，肘关节距离地面为284 + 690 = 974mm，肘关节比机床工作台低1 120 － 974 = 146 mm，说明操作员工作时须长期抬高肘部工作，给肩关节及肘关节带来负担。人机系统详细尺寸如图2 所示，工作
台与操作员接触面处无腿部活动空间，操作员工作时腿无处摆放，需向前探身工作，易使操作员腰背部肌肉和韧带长期超负荷使用而引起劳损。

                         图2 人机系统尺寸分析( mm)

      1． 1． 2 辅助工具

      ( 1) 手工工具。在加工过程中，需使用工具钳夹取待加工件。现有工具钳如图3 所示，其形状和普通的剪刀相似。从图中的箭头方向和腕部作用点可知，施力方向与作用点不在同一水平线上，长期保持这个姿势，会造成静肌负荷，从而引起腕道综合征，对人体造成伤害。

                                  图3 工作钳示意图

      ( 2) 操作装置。在加工过程中，每加工完一个工件需用脚踩地面上的踏板钮，以便松开夹具取下已加工工件。此时操作员坐在座椅上，脚距离地面302mm，无法完成操作，只能从座椅上下来或半侧坐才能触碰到地面踏板完成操作，既浪费时间也易造成人体关节损伤，急需优化调整。

     1． 2 现有人机系统效率分析

     由加工工序图( 见图1) 可知，待加工件需进行两道主要工序才能够完成铣床加工: 厚度切削和轮齿加工，由一名操作员完成。首先操作者利用铣床①进行工件待加工面的厚度切削，不断重复进行，工作时间为上午3． 5 h，共加工750 个零件; 然后再利用铣床②进行工件的轮齿加工，工作时间为下午4 h，共加工740个零件; 操作员工作7． 5 h。铣床①厚度切削加工时，铣床②闲置，铣床①利用率为: 3． 5 ÷ 7． 5 × 100% =46． 7%; 同样铣床②轮齿加工时，铣床①闲置，铣床②利用率为: 4 ÷ 7． 5 × 100% = 53． 3%。即便是在铣床①、②的工作时段内，由于装夹工件、取下工件、清理工作台铝屑等也占用时间，铣床仍存在空转时间。人机系统中机床利用率低，资源浪费大，操作人员缺乏动作标准，随意性大，急需制定标准作业时间，协调人机操作，提高人机效率。

     2 、车间人机系统优化设计

     2． 1 实验一: 人机系统尺寸优化

     2． 1． 1 工作椅与工作台改进

     根据高度推荐值［7-9］规范，轻型装配坐姿作业面高度建议为720 mm，高于肘部110 mm 左右，而实验中人机系统作业面高度为1 120 mm，因此需将座椅加高至1 120 － 284 － 110 = 726 mm，取整数为720 mm。

      2． 1． 2 辅助工具改进

     ( 1) 手工工具改进。使用工作钳夹取待加工件时，需避免人体腕部方位与加工方向不协调，应保持手腕顺直状态，因此可设计工作钳握把弯曲。不仅可以加大施力、减少腕部损伤，而且在机床加工工件时还可用工作钳触碰机床暂停按钮，减少身体前倾或手臂前伸，缩短动作移动时间。改进后工作钳如图4 所示。

                               图4 改进后工作钳示意图

     ( 2) 操作装置改进。操作员控制卡盘松开工件需脚踩脚踏板。坐姿操作时，工作椅座面与工作椅支脚距离一般为450 mm［9］，那么座椅支脚离地面高度应设计为: 720 － 450 = 270 mm; 此时将操作者腿部正前方的机床向里凹进距离地面300 mm，宽200 mm，高500mm 立体空间，将脚踏板放置于该空间内，如图5 所示。这样操作者坐在座椅上踩脚踏板时，可以直接从支脚移至脚踏板上或者直接将脚放在凹进的立体空间内，不仅减少操作者上下座椅动作，节约操作时间，而且保证腿部足够的活动空间，避免操作者上身长期前
倾带来的背部损伤。

                              图5 人机系统尺寸改进( mm)

      2． 2 实验二: 人机系统时间研究

     由于人机系统尺寸和加工工具的改进，缩短了操作人员加工时动作移动距离，降低了工作疲劳度，因此利用模特排时法［10］重新对厚度切削操作进行动作分解以制定标准作业时间［11］: ① 拿取待加工工件至卡盘附近M3( 小臂动作) ; ② 利用工作钳夹取物件M1( 手指动作) ; ③ 打开机床开关M1( 手指动作) ; ④ 开始加工伸向开关处按下运行M5( 大臂动作) ; ⑤ 刀具自动加工10 s( 无需人参与) ; ⑥ 完成后按下暂停M5( 大臂动作) ; ⑦ 松开卡盘时需完成脚踏板操作F3( 下肢动作) ; ⑧ 取下已经完成轮齿加工工序的部件放入收纳盒M3( 小臂动作) ; ⑨ 往临时工件收纳盒中放入已加工部件P2( 终结动作) 。

      计算可得，厚度切削人员作业时间= M3 + M1 +M1 + M5 + M5 + F3 + M3 + P2 = 23 × 0． 129 = 2． 967 s，加上刀具自动加工时间10 s，可得厚度切削标准作业时间为12． 967 s( ≈13 s) 。轮齿加工与切削加工的人员操作动作完全一致，只是轮齿加工机床的刀具自动加工时间为12 s，因此轮齿加工标准作业时间为2． 967 s + 12 s = 14． 967 s( ≈15 s) 。
 
 
      2． 3 实验三: 人机系统操作分析
 
 
     由以上标准作业分析可知，在厚度切削机床刀具自动加工的10 s 和轮齿加工机床刀具自动加工的12 s时间中，操作人员处于等待空闲状态，不需完成任何操作，存在浪费。可以充分利用这段时间，让操作人员移动至另一机床处进行操作，完成另一机床的装夹工件、卸下工件等操作，使两台机床同时交替加工，提高操作人员工作效率。
 
 
     经模特排时法可知，由操作人员在两机床之间移动动作为6 × W5，需耗时30MOD × 0． 129 s /MOD =3． 87 s( ≈4 s) ，往返需8 s，由上节分析可得在机床自动加工前进行的装夹加工件等准备工作，耗时10MOD× 0． 129 s /MOD = 1． 29 s，卸下已加工工件耗时13MOD× 0． 129 s /MOD =1． 677 s，三者时间相加为10． 967 s，小于铣床①、②的刀具自动加工时间最大值12 s，操作人员时间足够，因此两机同时交替工作完全可行。

     实验操作时，同时打开铣床①和铣床②; 先在铣床①上装夹工件; 待铣床①自动进行厚度切削时，操作员可移动至铣床②进行装夹工件，在铣床②自动进行轮齿加工后移动回铣床①卸下已加工件并装夹新工作，循环往复。两机交替操作的时间间隔( 相当于节拍)取两机加工的最大值，即轮齿加工时间15 s。因此原先加工一个工件所需要完成的两道工序时间累计为28 s，现改为两机交替工作，完成同样工序只需15 s。

     3 、人机系统优化实验结果

    经人机系统尺寸改进及工具调整后，肘部距离工作台距离由146 mm 缩短为116 mm; 踏板钮距离脚的距离由332 mm 缩短为32 mm。操作人员加工工件时，无需上下座椅踩踏控制卡盘的踏钮，每加工一个工件可减少一次不必要的站立动作S30 = 30MOD = 30 × 0． 129 = 3． 87 s制定标准作业时间后，厚度切削标准时间是13 s，轮齿加工标准时间是15 s，利用机床自动加工时间进行两机联合工作，可在15 s 内同时完成厚度切削及轮齿加工两道工序，7． 5 h 内可加工工件数为1 800 个，理论日产能比优化前的740 个提高了143． 24%。

     4 、结语

     人机系统优化是一个循序渐进的过程 ］。本文综合应用工业工程多种方法，设计实验步骤，根据实际加工过程改进人机系统尺寸、制定标准作业时间、进行人机操作分析对人机系统优化设计，大大提高了XB6140-半自动卧式机床的利用率，为人机系统设计提供了一种示范和思路。本文的实验结果已在航海机械集团机加工车间得到应用，生产效率大幅提高。在现有的人机系统中发现问题，充分考虑人的因素，将人与机相结合，优化设计出协调的人机系统，既能为企业带来巨大的经济效益，也是现代化生产的必然要求。