打印机零部件生产工序改进前后的功效研究

黄琼,刘何清,唐炫,米立华,朱凯颖

(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭,411201)

工业工程是一门综合性工程学科,核心是降低成本、提高质量和生产率。因此,在工业工程技术广泛应用的生产线上的研究基本都是围绕如何提高产品生产率和公司效益展开。目前,关于生产线的研究主要集中在对生产线的合理布局,优化工艺流程减少浪费,提高生产线的平衡,最后提高生产率。如,顾丽[1]等运用工业工程的相关理论,优化了压缩机生产线的生产方式及生产线布局,提升了生产线总体效益;郑跃君[2]等应用工业工程的取消、合并、调整、简化原则,减少了注塑机底箱装配生产线的浪费,提高了生产线效率。部分研究主要集中在工序对产品质量的影响。张明文[3]等通过测定叶丝干燥工序前后游离氨基酸含量发现,经过叶丝干燥工序后游离氨基酸含量下降,降低了卷烟的刺激性,提升了卷烟整体品质。在对工序研究的基础上,有少量文献主要研究如何合理安排工序顺序。段渊[4]针对各工序之间复杂的衔接关系,认真分析研究其数字规律,在工序条形图解决办法的基础上进行解法创新,建立了“数字分析法解法”,提高了工作效率。这些研究都是追求更低的成本和时间,达到更高的效率和效益,对调整后操作人员的劳动强度或能量消耗值是否会增加的关注则较少。关于人体能量消耗的研究,国外最早是在十九世纪九十年代,通过直接测量热量的原理得出热量数值。在二十世纪初,人们通过双标水法和气体交换法等间接方法测量运动时的能量消耗值[5]。现在关于人体能量消耗研究常用的方法有直接测热法、间接测热法、双标水法、心率监测法、公式预测法和膳食调查法等[6–8]。其中,间接测热法被认为是精度比较高的测试方法,其关键是如何有效收集人体的呼出气体,分析呼出气体中氧气和二氧化碳的含量,并换算成热量[9–10]。

本文作者根据自己切身经历及相关生产工序的调研发现,许多厂家打印机零部件生产工序存在元器件布局及作业工序设计不合理的现象,致使生产耗时长,效率低,但相关的研究却很少。因此,本文运用基础工业工程相关理论,调整打印机零部件的生产工序,通过间接测热法测定人体的能量消耗值,开展不同作业工序的能量消耗研究。然后,分析能量消耗的变化特征,以期掌握工序改进前后人体能量消耗值的变化规律,指导生产线操作方式的改进,并为制定高效率、低能耗的操作方式提供参考。

1 打印机零部件生产工序的优化

1.1 改进前的打印机零部件生产工序简介

本文以某电子有限公司组装车间中的打印机零部件生产工序为研究对象。工序为单人手工组装工序,即操作者不用借助机器设备便可独自完成组装过程。工序成品由灰轮、黑轮、冲压件和E型环4个部分组装而成。正式作业前,黑轮和灰轮放置在操作台左侧,冲压件和卡刀放置在中间,装有E型环的底座放置在操作台右上角,如图1所示。常规作业程序:操作者首先拿取冲压件至操作台指定区域,后依次将黑轮和灰轮组装于冲压件,再用卡刀从底座上取E型环后卡于组装件,最后将成品移至操作台右下侧成品区。具体操作情况如图2所示。

对该工序现状进行调查分析发现:常规作业工序耗时较长。主要的问题有:第一,拿取黑轮和灰轮时,存在单手操作的情况。第二,拿取灰轮和黑轮后,组装灰轮和黑轮前,存在将灰轮和黑轮换手拿取的无效动作。第三,操作台上各组装件摆放较零散,所占范围较大,导致操作者双手动作幅度较大。

图1 改进前工作台布局

1.2 改进后的打印机零部件生产工序

基于动作经济原则、“5W1H”提问技术和“ECRS”原则对工序进行作业分析和动作分析。针对工序现存问题,具体改进内容如下:

(1)工作台布局的改进(图3)。

第一步,将灰轮放置在工人右手边,黑轮放置在工人左手边。改进后操作者可双手同时拿取灰轮和黑轮,从而改进单手操作的情况。第二步,调整冲压件和成品的摆放位置,缩短工人伸手的距离,减小动作幅度。第三步,将卡刀放置于工人右手边,便于拿取。

(2)作业工序的改进(图4)。

图2 改进前双手作业分析图

该工序操作方式改进方案为:第一,将单手操作改为双手操作,即在左手取黑轮时右手拿灰轮,并同时持轮至指定区域。第二,取消将黑轮和灰轮从左手放置于右手的无效动作。

1.3 改进后打印机零部件生产工序的优势

(1)通过调整灰轮和黑轮的摆放位置,改进了拿取灰轮和黑轮时的单手操作情况。

(2)取消了将黑轮和灰轮从左手放置于右手的无效动作。

(3)调整卡刀放置位置,便于操作者拿取。

(4)对冲压件和成品的摆放位置进行调整,缩短了操作者伸手的距离,减小了动作幅度。

通过对工序的调整改进,操作者动作幅度明显减小,成品生产时间缩短,生产线效率得到了提高。但这仅为定性感官上的一种感觉,不能确定具体变化值,因此,本文开展了成品作业工序能耗值、耗工时及生产效率的实验研究。

图3 改进后工作台布局

2 作业工序能量消耗与生产效率

2.1 实验方案

实验共聘请受试者16名,其中男性8名,女性8名。通过仪器测量得出受试者的基本情况,如表1所示。

根据工厂实际情况相关参数设定为:温度22～26℃;湿度50%～55%;风速不超过0.05 m/s。环境参数由湖南科技大学人工环境气候舱实现。

实验主要测定参数为作业总时长和操作时受试者呼出气体中氧气和二氧化碳的含量。作业时长通过秒表测得,操作时受试者呼出气体中氧气含量采用CYCK-201综合气体分析仪测得。

CYCK-201综合气体分析仪可用于氧气和二氧化碳含量的测定以及温度和湿度的测定,本实验主要测量氧气含量。氧气含量测量范围0～25%(Vol)(最大30%),分辨率0.01%,满量程测量精度±0.1%。仪器主要采用芬兰维萨拉CO2传感器测定二氧化碳含量,测量范围0～10%,分辨率0.01%,满量程测量精度为±0.1%。

实验过程如下:

(1)用型号为IPR-scale 02身高体重测量仪,测量受试者身高、体重和体重指数BMI。

(2)用CYCK-201综合气体分析仪抽取环境中的空气,测量其氧气浓度。

(3)受试者进入环境舱,戴上呼吸口罩准备试验。

(4)受试者向口罩中呼出气体,测量其静息状态下呼出气体中氧气浓度。

(5)受试者按改进前工序的操作要求进行操作,完成10个成品后结束操作。并用CYCK-01综合气体分析仪测得改进前受试者呼出气体中氧气的含量,用秒表测得改进前作业时长,并记录下呼吸频率(次/min)。

(6)休息10 min后,再按改进后的工序操作要求进行操作,完成10个成品。同样测得改进后的作业时长,受试者呼出气体中氧气的含量和呼吸频率(次/min)。

数据处理:

(1)由呼吸频率与潮气量(500 mL)的乘积得到每分钟通气量。

(2)用环境中的氧气浓度值减去受试者在操作时呼出气体中氧气的浓度值,得氧气浓度的变化值。氧气浓度变化值乘以受试者每分钟通气量得到耗氧量。

图4 改进后双手作业分析图

表1 受试者基本情况(±s)

表1 受试者基本情况(±s)

性别 年龄/岁 身高/c m 体重/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)相对耗氧量是指单位体重单位时间的耗氧值,由耗氧量除以体重得。

(4)由耗氧量和二氧化碳生成量得呼吸商,根据不同呼吸商的氧热价计算单位时间内的能量消耗值[11]。

(5)1代谢当量(MET)被定义为每公斤体重每分钟消耗3.5 mL氧气,大概相当于一个人在安静状态下坐着, 没有任何活动时每分钟的氧气消耗量[代谢当量=VO2(mL·kg-1·min-1)/3.5(mL·kg-1·min-1)]。

(6)生产率是生产过程的投入与商品或劳务的产出之间的关系。生产率是一个相对指标,可根据单一投入或两种以上投入来度量,即单要素生产率及多要素产率,生产管理中常采用单要素度量法,并根据不同的生产工作类型而不同[13],如对该工序而言,生产率可根据作业总耗时和产出产品数量得到。

(7)为表征能量消耗与生产率的关系,本文引入生产效率的概念,它表示单位体重每消耗单位能量生产出的产品数量,单位为件·kg·J-1,生产效率=生产率÷能量消耗。

2.2 实验结果分析

采用Microsoft EXCEL 2003建立数据库,采用IBM SPSS Statistics 24统计分析,定量资料符合正态分布用均数±标准差表示。改进前后耗氧量、相对耗氧量、能量消耗、生产率和生产效率的比较采用成对样本t检验。男女比较采用独立样本t检验,当两性差异明显时,男女分别比较。最后,除特别说明外,检验水准α=0.05。

(1)表2为两性之间总作业时长和生产率的比较。由表2可知,两性间总作业时长和生产率存在明显差异,因此,比较改进前后总作业时长和生产率时分开比较。

从两性角度看,改进前后男性总作业时长明显高于女性,生产率明显低于女性。从总体角度看,改进后总作业时长明显缩短(P=0.002<0.05,t=4.966),总耗时缩短约29.1%。改进后生产率明显提高(P=0.000<0.05,t=-7.641),每分钟生产的产品数量增加约39.6%。

表2 两性间改进前后总作业时长和生产率的比较

(2) 表3为改进前后耗氧量和能量消耗的比较。由实验测试可得受试者静息状态和作业时的耗氧量,对数据进行处理得到相对耗氧量,代谢当量和能量消耗值(见表3)。由表3可知,改进后人体耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.889)和相对耗氧量(P=0.001<0.05,t=-5.582)都明显增加,每分钟分别增加约13.2%和13.6%;改进前后能量消耗差异明显(P=0.001<0.05,t=-5.505),改进后人体每分钟多消耗约13.5%能量。换而言之,改进后人体耗氧量、相对耗氧量和能量消耗都明显增加,且具有统计学意义。

据美国疾控中心和运动医学会1995年推荐标准[14]:能量消耗小于3个代谢当量为低强度体力活动,能量消耗3～6个代谢当量为中等强度体力活动,能量消耗大于6个代谢当量为高强度体力活动,对所测体力活动进行强度分级。该工序改进后代谢当量为(2.13±0.36)METs仍低于3 METs,属于低强度体力活动。

表3 受试者各状态下耗氧量和能量消耗值

(3) 表4为改进前后生产效率的比较。由表4可知,根据能量消耗值和生产率得到生产效率。改进后生产效率明显增加(P=0.000<0.05,t=-6.700),单位体重每消耗一单位能量增加约10.0%的产量。改进后人体能量消耗和工序的生产率都明显增加,但相较于原工序而言,生产率增幅更大,因此改进后生产效率增大。

表4 试者各状态下能量消耗和生产效率值

3 结论

(1)工序调整后,打印机零部件生产工序的总时长缩短。每生产10个打印机零部件的总时长由原来的4.05 min缩短为2.86 min,总耗时缩短约29.1%。工序生产率明显提高,操作者劳动时间缩短。

(2)改进后单位时间内人体能量消耗值增大。改进后人体能量消耗值由原来的137.35 J·(kg·min)-1上升到155.87 J·(kg·min)-1,单位体重每分钟多消耗约13.5%能量。但改进后代谢当量为(2.13±0.36)MET小于3 MET,仍属于低强度体力活动。换而言之,改进后操作者的劳动强度没有显著变化。

(3)改进后生产效率得到了提高。改进后生产效率由0.020件·kg·J-1上升为0.022件·kg·J-1,单位体重每消耗一单位能量增加约10.0%的产量。因此,改进后操作者消耗相同能量时可组装更多产品,提高了生产功效。