李丹　郑艳玲

摘 要：目的 汽车整车厂焊装车间高自动化率下员工搬运零件操作的优化设计对于减少员工的体能消耗、提升员工满意度具有非常重要的作用。方法 本文以汽车整车厂焊装车间的搬运操作为研究主体，采用工效学分析方法对高自动化率下员工上料、搬运和下料操作过程进行分析。结果 基于体能消耗分析软件，提出了增加尼龙滚轮架和过渡料架等工位改进方案，实现员工体能消耗减少25%。基于有限元分析方法，研究员工穿着平面鞋垫和曲面鞋垫时足底压力分布规律，结果表明员工穿着曲面鞋垫足底压力峰值比平面鞋垫的压力峰值减小36%。结论 本文提出的工位改进设计方案和员工劳保鞋曲面鞋垫的建议为整车厂焊接车间高自动化率下提高员工操作效率和舒适性提供了充分的理论依据，有极大的参考价值。

关键词：焊装车间；体能消耗；有限元分析；足底压力；工效学分析

1 引言

中国是劳动密集型制造大国，低端产能过剩，高端供给明显不足，产业整体仍处于全球制造业链条的中低端。在当前国内发展动能转换和国际竞争加剧的形势下，发展智能制造，是实现工业强国战略目标的重要途径[1]。

智能制造成为推进“中国制造2025”国家战略最重要的举措。其中，智能工厂作为智能制造重要的实践领域，已引起了国内车企的广泛关注和高度重视。多家车企生产升级，提高自动化水平，冲压和油漆车间因为工艺要求高自动化率早已经实现，近五年各家车企主要提升焊装车间自动化率，实现焊接、铆接、螺接和涂胶等操作全部由机器人自动完成，这不仅提升焊接精度，更提升的工厂的柔性化和生产效率。

伴随着高自动化率，汽车车间出现了新的人机关注问题[2-4]。汽车零部件生产过程中，流水线作业仍然需要大量的人工操作，工效已成为影响整体产业的重要因素[5-7]，汽车制造企业工人工效学负荷水平对工人肌肉骨骼疾患水平有直接影响[8-11]。以焊装车间为例，因为以往焊装车间低自动化率现场，员工每个节拍只需要在一个工装前，从线旁料架取料摆放到工装，完成10-20个焊点的焊接操作，然后从工装下料摆放到下一工装或料架，所以走动距离很短。如今焊装车间高自动化率现场，员工无需焊接操作，只负责从线旁料架取料摆放到工装和从工装下料摆放到下一工装或料架，因此员工每个节拍需要在料架与2、3个工装间上料、下料，走动距离变长，增加了体能消耗。本文运用体能消耗软件分析和有限元分析，通过现场布局和劳保鞋的优化设计，减少员工体能消耗，削减员工足底疲劳，提升现场员工人机满意度，最终实现汽车整车开发流程的人因分析与改善[12-16]。

2 内板总成工位人机工程分析作业描述

本文取整车厂焊装车间某零件内板总成工位进行优化设计，通过体能消耗软件对此岗位优化前后体能消耗进行量化分析。

2.1 工位操作内容描述

工位布局如图1所示，为工装1、2、3上料和下料的操作由一人完成，具体操作步骤如下：

①从工装3下料内板总成至料架。返回工装2处，取内板分总成上料至工装3。从料架分别取零件a和零件b安装到工装3上，按控制开关3，机器人开始焊接。②从控制开关3处步行到工装1，取内板分总成上料至工装2。从料架分别取零件c和零件d安装到工装2上，按控制开关2，机器人开始焊接。③从控制开关2处步行到料架，取内板上至工装1。从料架分别取零件e、零件f和零件g安装到工装1上，按控制开关1，机器人开始焊接。④从控制开关1处步行到工装3，开始下一循环。

2.2 工位人机工程状态分析

该工位三台机器人完成全部焊接操作，员工只需要上料和下料的操作。工位节拍时间是160S，生产线平衡精益排布决定这个区域只能一个人完成所有上料和下料操作。这是高自动化率下焊装车间新生的人机关注问题，操作集中在“零件搬运”和“空手步行”。下面通过体能分析软件，仿真分析这个岗位的人机状态。

3 体能消耗软件分析

对该工位员工上料和下料零件重量进行称量，发现最重零件就是内板总成件8公斤，符合人机要求，无大件搬运人机问题。接下来对上料、下料和步行距离进行测量，记录下所有操作信息，开始使用体能分析软件进行体能消耗仿真分析。

3.1 工位仿真分析

體能消耗软件应用在全球通用汽车研发中心和各工厂。它针对步行和搬运等动作要素，输入搬运重量和步行距离，软件即可自动算出完成这些动作体能消耗的卡路里。

首先我们利用软件分析：一个体重70kg的男性，在静止站立状态，无任何操作时，需要消耗1.68kcal/min。如表1所示。

其次，我们将内板总成工位该名员工的25个上料、下料和徒手走动的动作要素输入软件，如表2所示。

最后，我们得到表3所示的体能消耗经软件量化的数值即此岗位员工每分钟消耗3.3kcal。

3.2 仿真结果分析

根据公司体能消耗的人机工程标准，内板总成工位每分钟体能消耗3.3Kcal，不属于人机工程不可接受岗位，属于在尽可能范围内整改岗位。

4 工位改进研究

4.1 改进方案

通过对动作要素进行分析，该员工160秒的操作循环时间中，步行距离合计90米，其中搬运零件步行41米，徒手步行49米。综合看，步行距离比较远，我们考虑通过现场布局的优化设计减少员工走动距离。

首先，在每个工装附件增设过渡料架合计4个，将原本需要到生产线四周取的7个零件中的4个零件放置在过渡料架上，从而减少员工到操作区域最外围取料的走动距离，

其次，内板分总成从工装1到工装2，从工装2到工装3，零件较重，搬运距离长。我们将控制器开关向外移动80cm，增设尼龙滚轮架，员工可以通过滚轮架将内板分总成在两个工装之间运送，不必人工搬运，同时减少走动距离。

最后，通过两方面的改进，新的现场布局图如图2所示，

该员工160秒的操作循环时间中，步行距离合计68.6米，其中搬运零件23.8米，徒手步行44.8米。所有动作要素输入体能消耗软件如表4所示。

我们得到表5所示的体能消耗软件量化的数值即此岗位员工每分钟消耗2.76 kcal，进入可接受范围。

4.2 改进前后对比分析

通过增加尼龙滚轮架和过渡料架，员工每个节拍步行距离从90米减小到68.6米，减少步行距离21.4m，员工体能消耗从每分钟3.3Kcal的黄色优化到每分钟2.76kcalde 绿色可接受区域。如表6示，体能消耗减小了25%，这样的优化效果被现场所接受，员工也表示非常满意。

5 生物力学研究

我们在进行该岗位优化设计，减少步行距离的同时，我们也深层次思考，劳保鞋鞋垫形状对足底疲劳的影响。我们通过有限元软件分析鞋垫是平面和曲面两种情况时的足底压力峰值。

5.1 足底压力有限元分析

本文选取一名男性被试，25岁，身高178cm，体重70kg，足部健康无疾病，对其双足进行CT扫描，建立了包含软组织、28块骨骼、足底腱膜及23条主要韧带的足部有限元模型，如图3。除趾趾关节设为绑定接触外，其他关节都设为Workbench接触中定义的No Separation接触类型，骨骼和皮肤接触部分设置为Bonded接触类型，软组织和鞋垫接s触部分及鞋垫和地面接触部分都设置为摩擦系数为0.6的Frictional接触类型。材料属性设置如表7[17-20]，载荷及边界如图4，提交ANSYS求解器计算，得到结果如图5所示：

》穿着平面鞋垫时，压力峰值为247Kpa，压力主要集中在跖骨及足跟区域。

》穿着曲面鞋垫时，接触面积增大，压力峰值为157Kpa，是前者的63.7%。

》与足部底面贴合的曲面鞋垫可以有效增大接触面积，使足底压力分布更均匀，降低足底压力。

》员工不再仅仅满足于鞋垫的装饰性更加强调鞋垫的功能性，能够符合人的足型且具有一定功能的鞋垫越来越受到人们的青睐。

5.2 劳保鞋垫优化

有限元分析表明曲面鞋垫足底压力峰值比平面鞋垫的压力峰值减小36%，有限元分析的结果将指导我们采购劳保鞋对供应商的要求，曲面鞋垫的导入让现场步行距离远的员工受益。

6 结论与展望

随着中国制造2025战略落地，汽车行业将迎来更多技术进化，需要员工密集作业的现场越来越少，如何减少员工走动和站立的体能消耗及缓解员工足底疲劳成为我们对高自动化率整车厂人机重点关注项。本文利用美国通用汽车大学开发的软件对体能消耗进行量化，明确优化前后降低体能消耗的效果，指导了整车厂人机优化的方向，同时足底压力有限元的分析，对公司采购劳保鞋提供了理论依据。我们希望通过一系列人性化现场布局和人性化劳保用品的配发，从根本上提升员工人机满意度和舒适度，打造更加人性化整车厂。

参考文献：

[1]晓宇.中国智能制造五年规划发布、定调“两步走”战略 [J].经济研究参考，2017，12：22.

[2]王百负，金书香，张祥春，黄海潮，李序梅，李天麟.汽车组装流水线作业工人工效学调查研究[J].中国安全科学学报，1996（04）：43-45+49.

[3]尹民鑫，高文杰.汽车总布置评审流程[J].机械工程与自动化，2015（04）：207-208.

[4]方超.关于人机工程在汽车总布置设计中的应用分析[J].时代汽车，2018（09）：100-101.

[5]焦菲凡，张新敏.汽车车身零件翻包作业工效学分析及改善研究[J].价值工程，2018，37（28）：270-272.

[6]贾宁，凌瑞杰，王伟，王忠旭.汽车装配工人工效学负荷与工作相关肌肉骨骼损伤的相关性研究[J].环境与职业医学，2017，34（10）：858-863.

[7]林旷世，薛庆.汽车组装流水线作业工人工效学调查研究[J].山东工业技术，2016（22）：248.

[8]王會宁，王忠旭，秦汝莉，李玉珍，张雪艳，贾宁，李珏.汽车装配工人肌肉骨骼疾患的不良工效学因素[J].中国工业医学杂志，2016，29（04）：266-270.

[9]李玉珍，李珏，李刚，秦汝莉，张秋玲，张雪艳，赵杰，贾宁，李焕焕，姜海强，王忠旭.汽车装配作业工人肌肉骨骼损伤与工效学负荷水平的相关性[J].环境与职业医学，2015，32（05）：393-398.

[10]吴琳，肖吕武，周浩，刘移民，杜伟佳，黄灿东，周静东.汽车制造业工人肌肉骨骼疾患工效学因素分析[J].中国公共卫生，2012，28（05）：609-611.

[11]周浩，肖吕武，吴琳，刘移民，杜伟佳，黄灿东，周静东.汽车制造企业工人工效学负荷水平与肌肉骨骼疾患关系研究[J].中国职业医学，2011，38（04）：312-315.

[12]颜春萍，于琦.基于人因的汽车仪表设计及工效学评价[J].中国安全科学学报，2007（10）：62-66+176.

[13]胡清梅，方卫宁，李伏京.基于工效学的机车前窗刮雨器尺寸参数的设计[J].铁道学报，2005（06）：34-38.

[14]朱磊，张显奎，杨利芳.汽车仪表板的人机工效多级模糊评价研究[J].计算机测量与控制，2004（07）：654-656.

[15]刘浩学，杨立本，何树坤.汽车制动与加速踏板高度差的工效学研究[J].人类工效学，1998（03）：23-25+72.

[16]周绍鹏，游卫平，游小平，吴运强，黄玲，周金伟.汽车整车开发流程分析[J].公路与汽运，2018 （05）：9-12.

[17] Behforootan S，Chatzistergos P，Naemi R，Chockalingam N，Finite element modeling of the foot for clinical application：A systematic review [J].Medical Engineering & Physics，2017，39：1-11.

[18] Nakamura S，Crowninshield RD，Cooper RR，et al.An analysis of soft tissue loading in the foot-a preliminary report [J].Bulletin of Prosthetics Research，1981，18：27-34.

[19] Lemmon，D.，Shiang，T.Y.，Hashmi，A.，Ulbrecht，J.S.Cavanagh，P.R.The effect of insoles in therapeutic footwear-a finite element approach [J].Journal of Biomechanics，1997，30，615-620.

[20] Luo Z P，Kitaoka H B，Hsu H C，et al.Physiological elongation of ligamentous complex surrounding the hindfoot joints：in vitro biomechanical study [J].Foot & Ankle International，1997，18（5）：277-83.