汽車制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系的創(chuàng)新開發(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)新開發(fā)了一整套汽車整車制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系。通過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)平臺搭建了汽車制造的人機(jī)工程數(shù)據(jù)庫。通過主動人機(jī)工程，完成新汽車項(xiàng)目開發(fā)全過程的人機(jī)評估和優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了所有操作的人性化設(shè)計(jì);通過被動人機(jī)工程，進(jìn)一步優(yōu)化汽車量產(chǎn)后的現(xiàn)場人機(jī)狀態(tài)，提升現(xiàn)場員工的人機(jī)安全感和滿意度。創(chuàng)新開發(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)問題隱患，最大限度改善了現(xiàn)場員工的人機(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，為汽車整車開發(fā)流程改善提供了重要基石。

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

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

0引言

汽車制造業(yè)是一種典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，負(fù)荷高、節(jié)奏快、體位差等不良姿勢廣泛存在。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、簡化）四原則分析存在的不良工效學(xué)問題，改善汽車產(chǎn)業(yè)工人的工作環(huán)境和工作條件。

國際人類工效學(xué)學(xué)會對人機(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)成為我國實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和“中國制造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程中的創(chuàng)新及應(yīng)用。

開發(fā)了一整套應(yīng)用于新車型設(shè)計(jì)開發(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]。在國內(nèi)車企率先創(chuàng)建貫穿整車開發(fā)全過程以及量產(chǎn)后穩(wěn)定生產(chǎn)全過程的整車制造領(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)開發(fā)階段的主動人機(jī)工程：產(chǎn)品設(shè)計(jì)人機(jī)評審、現(xiàn)場設(shè)備人機(jī)評審、生產(chǎn)線高度人機(jī)評審和料箱/料架人機(jī)評審;所謂的“1”是指量產(chǎn)后的被動人機(jī)工程：運(yùn)行工廠人機(jī)工程評價(jià)[24]。

通過新車型開發(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主動人機(jī)工程

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

1.2被動人機(jī)工程

新車型開發(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)是比較困難和被動的，因此量產(chǎn)后人機(jī)工作定義為被動人機(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緩解體力疲勞，提高現(xiàn)場操作人員工作滿意度。

2制造人機(jī)工程體系在整車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用基于整車設(shè)計(jì)開發(fā)流程，在國內(nèi)沒有可借鑒的新車型開發(fā)階段人機(jī)工程體系背景下，研究團(tuán)隊(duì)自主開發(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)評審、設(shè)備人機(jī)評審、料箱料架人機(jī)評審、生產(chǎn)線高度人機(jī)評審。

在產(chǎn)品開發(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，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)，在國內(nèi)車企中率先導(dǎo)入西門子開發(fā)的3D仿真軟件JACK（如圖2所示），進(jìn)行同步人機(jī)工程評估。該仿真軟件搭載整車環(huán)境、工廠設(shè)備參數(shù)，對操作空間，操作可達(dá)性/通過性和盲裝等多方面，精準(zhǔn)地進(jìn)行人機(jī)狀態(tài)評估。對人機(jī)有問題的設(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)開展了3D仿真分析的人機(jī)改進(jìn)案例（如圖3所示）。通過原先設(shè)計(jì)方口的評估結(jié)果顯示，手部通過方口進(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)動的軌跡，將開孔的上邊緣更改為圓弧形。此建議通過靜態(tài)仿真和手工樣件動態(tài)模擬的結(jié)合，完成最終新方案的評估，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)問題全面、高效的評審。團(tuán)隊(duì)自主開發(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)問題（如圖4所示），改善了現(xiàn)場人機(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)評估標(biāo)準(zhǔn)和評估流程，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)用過去十年間全國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，總結(jié)以往工廠曾經(jīng)發(fā)生的人機(jī)問題，創(chuàng)新制定人機(jī)工程數(shù)據(jù)庫，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動力總成在新工廠規(guī)劃階段就對人機(jī)數(shù)據(jù)庫的各類問題制定策略，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)場人機(jī)環(huán)境。譬如：對所有操作崗位進(jìn)行最適合身高和最不適合身高人機(jī)評估和全覆蓋人機(jī)滿意度調(diào)查等。通過這些創(chuàng)新人機(jī)工作的開展，提升了現(xiàn)場員工的操作滿意度，提高了生產(chǎn)效率，降低了公司的運(yùn)營成本。

為了操作員工更順暢完成操作，對所有操作崗位進(jìn)行員工適合身高評估，實(shí)現(xiàn)適才適用，對崗位身高要求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。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)借鑒電動剃須刀3個(gè)旋轉(zhuǎn)頭的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了電動拓印槍（如圖7所示），重量僅有0.5 kg，單手操作輕松簡便，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

通過人機(jī)工程學(xué)分析方法，開發(fā)了貫穿整車開發(fā)全過程以及量產(chǎn)后穩(wěn)定生產(chǎn)全過程的制造領(lǐng)域人機(jī)工程體系。通過虛擬數(shù)模階段發(fā)現(xiàn)人機(jī)問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，大幅降低地了模具開模后變更帶來的成本增加。通過項(xiàng)目階段多角度的人機(jī)評審，確保量產(chǎn)后流水線上員工的人性化操作。通過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。借助主動人機(jī)工程方法完成新汽車項(xiàng)目開發(fā)全過程的人機(jī)評估和優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)所有操作的人性化設(shè)計(jì);借助被動人機(jī)工程方法進(jìn)一步優(yōu)化汽車量產(chǎn)后的現(xiàn)場人機(jī)狀態(tài)，提升現(xiàn)場員工的人機(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)評估體系，最大限度改善現(xiàn)場員工的人機(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)到全過程、全員、全領(lǐng)域的細(xì)微之處，開展基礎(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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