夹具、装配线、工作站设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除夹具、装配线、工作站设计，及它们对生产力的影响艾迪.赛普特瑞，黄送来，马迪.瑞扎山雷摘要：本文讨论了在装配插头的生产线上，工作站的设计，装配线的设计，夹具的设计，工作时工人的姿势对生产力的影响。两种不同的夹具设计（直列式和矩形式）和两组装配线的设计（由一个操作者完成工作和由两个操作者完成工作）和两套工作站的设计（坐式工作和站式工作），它们被用来研究并观察其对生产力的影响。考虑到这些因素，共进行了8个实验，这些因素被用来指导实验，进而取得最有生产效率的夹具和装配线设计。两组工人被分配用8种方法来组装插头。两组工人生产的总的电子插头数目是256个，重复操作的次数是32次。实验结果表明夹具的设计对装配时间的影响最显著。而且，其他的因素如装配线的设计和工作站的设计也是对装配时间有重要影响的因素。然而，这些对装配时间有影响的因素，当以两个或三个的方式相互组合时，它们对装配时间的影响却显得不那么重要。最具生产效率的装配线的设计是消耗最少的装配时间的设计，即通过一个操作者完成工作，利用矩形式夹具，工作站设计为坐式。与此同时，当工作站设计中的工作姿势采用坐式操作时能提供最低的RULA值，它的RULA值是2，对操作者是安全的。关键字：夹具设计，装配设计，工作站设计，生产力，工作姿势1、前言装配线的设计是通过决定工作时的工序，从而来制造零件和最终产品。实现原料的传送过程应被制定的尽可能简短，没有交叉流动或者沿原路返回。所有围绕生产线的操作应该是均衡的。装配生产线的设计在制造业扮演着重要的角色，它直接影响生产力。先前的调查者如13,19-20认为装配线广泛应用于生产系统。装配线设计者的主要目标是要通过最大化产出与资本投入间的比例，以此来提高生产线的效率。5认为“一个简单的设计准则是均衡装配线，这样一来每个操作者都花费相似的时间。一个均衡的生产线常常意味着有比较好的资源利用和比较低的生产消耗。”夹具是一种特殊的工具，在生产制造或者装配操作期间，夹具常被用来在恰当的位置定位和夹持住工件。它还能在操作中操纵工具或者工件。夹具设计出来是用来帮助工人更容易，更舒适的完成任务，从而提高工作的效率。与此同时，这也为了顺应工作环境的工效学原则，比如说改善工作姿势和工作站的设计。这些通过在工效学方面的努力来提高生产力和保证安全的工作环境的观点已经广泛的被许多学者讨论，比如782。研究表明工效学的介入可能会提高生产力，提高产品质量，改善操作者的工作环境，增加职业寿命和安全（OHS），甚至能影响投入的效率。工作环境领域的研究包括：工作空间的布置，工作时桌椅的恰当高度，随手工具，比较好的灯光效果，工作轮换制，工作位置。这篇调查研究了许多上面提到的参数：类如工作站的设计，装配工序的设计，夹具的设计。研究它们在装配线生产插头时对生产力的影响。另外一些变量比如生产设备和有技术的工人，这些可能导致生产力变化的因素被假设为常量。在这个案例中，这些前提被用来测试一个参数或者多个参数或者这些参数的组合是否能更好地促进生产的执行，从而缩短装配时间。介绍了两种类型的夹具，一个是矩形式的外型，另一个是直立式外型。还测试了两种类型的装配，一个是由单一操作者完成工作，另一个是由两个操作者完成任务。工作站的设计通过采用在装配线已有的工业实践来进行，比如站式工作或者坐式工作。为了对工作中的数据进行评估，RULA（快速上限评估）分析被引进指导不同的工作站设计对工作姿势安全的影响。2、步骤2.1、产品设计基于本次实验的目的，选择一个电子产品作为分析案例。由于这个电子产品广泛地应用于家庭生活中，因而选择它作为试验对象，并且它在设计和零件组成方面不复杂。产品的设计展示在图1中。这个电子产品是一个插头类产品，编号是BS1363。它有8个组成零件，这些零件分别是：底盖，零线接头，地线接头，火线接头，熔断保护器，熔断器，顶盖和一个螺钉。这个电子类产品的尺寸如图1所示，插头可以认为是一个矩形块（它的尺寸是51mmX49mmX21mm）。它有三个接头（分别是地线接头，零线接头，火线接头）。火线接头和零线接头的位置在地线接头位置的下面，它们的中心距离地线接头的中心是22mm。并且火线接头和地线接头的中心距离也是22mm。插头零件间准确的位置和插头各线间的尺寸图1插头尺寸的设计2.2、夹具的设计在这个研究中夹具的作用是在恰当的位置将插头紧固在盖板上。另外一些零件在装配过程中被定位和夹紧在夹具中。调查者设计并生产出两种夹具，这些夹具的设计都是基于工业实践。两种夹具的不同之处在于它们的方向。第一种夹具在生产线是直立式外型；另一种夹具在生产线上是矩形外型。直立式外型的夹具尺寸是275mmX80mm；矩形式外型的夹具的尺寸是136mmX145mm。两种夹具都能同时加工4个电子插头。 图2两种夹具，直列式外形和矩形式外形2.3、装配线的设计两种装配线的设计，它们是基于制造实践而产生的，一个由单个操作者完成作业，另一个是由两个操作者完成作业。装配设计的过程如下：第一个阶段是要挑选出所需要的零件，第二个阶段是进行深层次装配产品的过程，最终的产品编号是BS1363。一旦这些工作完成，装配产品的加工程序就确定了。装配产品的程序如下：将插头的基本盖放在夹具上，然后将子零件（零线接头，地线接头，火线接头，熔断保护器，熔断器）装配到基本盖上，接着，用螺钉将底盖和顶盖联接起来。用螺钉进行联接的过程中，夹具通过气压提供动力将螺丝刀进行旋转和紧固。组装电子插头的过程的程序展示在下面的先后次序表中：图3装配插头的先后次序表1-基准体放在夹具上5-插入熔断保护器2-插入地线接头6-插入熔断器3-插入零线接头7-放置顶盖4-插入火线接头8-螺钉联接表1展示了基于上述先后次序表的各种装配任务所得结果。为了使两名操作者获得均衡的时间，装配任务在分配给各个操作者时，应该消除等待另一名操作工完成任务的时间。表1插头的各个工序的平均时间工序编号装配任务每个插头平均时间（s）累计装配时间（s）1基准体放在夹具上0.830.832插入地线接头2.523.353插入零线接头1.945.294插入火线接头2.467.755插入熔断保护器1.919.666插入熔断器2.3011.967放置顶盖2.0213.988螺钉联接5.0219.00根据上面表格所列出的数据，生产一个电子插头所需的总的装配时间是19.00s，即一个单独的操作者从装配过程的一开始到结束完成所有任务的时间。对于由两个操作者共同完成工作的实验，为了使两名操作者获得一个好的均衡时间，总的装配时间必须平等地分成两份，即每个操作者各花费9.5s。这意味着第一个操作者在工序5完成熔断保护器的装配后就停止下一步的操作，由第二个操作者从工序6开始继续工作，完成熔断器的装配直至最终装配。假定这些工序都按预定的程序进行。综上所述，第二个操作者不需要等到第一个操作者完成任务就可以在相同的时间内开始工作。2.4、工作站的设计装配线上工作站的设计可能决定工人在其相应位置上完成各自工作时的姿势，是站着还是坐着工作。11已经探明了针对不同类型的工作所需的工作面高度。他提出，男性在从事精密工作时工作面的高度应该设置为100-110cm，轻工作的工作面高度应为90-95cm，较重一点的工作的工作面高度应为75-90cm。因为组装插头的工作属于轻工作，因此，对于站着或者坐着工作时的工作站的设计，应使工作面高度为95cm。2.4.1、站式姿势图4展示了和前面的观点一致的模型，操作者采取站式工作，桌面高度安装成距地面91cm。图4站式视图2.4.2、坐式姿势图5展示了和前面的观点一致的模型，操作者采取坐式工作，桌面高度安装成距地面91cm。图5坐式视图2.5、实验的设计这个实验的设计考虑了3个因素和2种等级。3个因素分别是夹具的设计，装配的设计及工作站的设计。第一个因素，夹具的设计，有两种不同类型的夹具。第二个因素，装配的设计，有两个类别，第一种情况由一个操作者完成工作，第二种情况由两个操作者完成工作。第三个因素，工作站设计，两个类别分别是坐式工作和站式工作。基于这8种不同的设计方法，装配线得以形成。表2展示了关于装配线的实验设计。表2实验设计的数目一个操作者两个操作者姿势直列式夹具矩形式夹具直列式夹具矩形式夹具站式X1X2X5X7坐式X3X4X6X82.6、实验步骤两组工人参加了这个实验，每个小组又分为2个子小组，一个仅一个操作者，另一个由2个操作者组成。这两个小组将用来比较并测试他们的表现是否一样，实验的结果是否具有一致性。根据所有的因素设计，每个小组都进行了8个类别的装配过程。对各个不同的装配进行了32次重复工作。每一套装配的选择都是随机的，一旦装配的类别选择好，32个插头就生产出来了。因此，对于每个小组来说，需要加工的电子插头的总数是256个。关于这个实验，所要测量的是完成一个产品所需要的装配时间。在记录装配时间前，应该对每个小组的工作能力进行测试，以确定他们的工作能力达到一致的水平。装配时间的记录由秒表完成。尽管不同的影响因素被设置成独立的变量，装配时间还是一个不独立的变量。2.7、对象参加这个实验的对象是平均年龄在24岁的年轻工人，并且都是男性。他们的身高在170cm-180cm。他们在生产领域至少有一年的工作经验。他们在培训组装这个产品时被寄予优惠。这对保证足够的学习时间很重要。记录他们的时间能确保他们能有一致的工作能力。3、结果和讨论3.1、小组的表现第一个测试项目是要证实这两组工人的工作质量或者能力是否不同。这对两个小组从结果得到推断很有必要。所以，用F测试和T测试来测试两个小组是否表现出不同的工作能力。F测试是用来证实小组在变量方面是否有很大不同。基于F测试结果，对这两个小组又进行了T测试：两个案例的平均值。表3t-测试：两个小组的案例均值小组1小组2均值19.56419.739差异值1.3971.027观测值256256皮尔森相关性0.255假设值0.000均值差异Df255t统计值-2.080P（T=t）0.019t单侧临界值1.651P(T=t)0.039t双侧临界值1.969根据表3的T测试结果，t统计值（2.080）比t的临界单侧值（1.651）或t的临界双侧值（1.969）要大。这个结果有助于否决这样一个假设，即两个小组有同样的装配时间平均值。这就表明对两个小组来说，装配所花费的时间不同。因而，各个小组的工作能力有明显的不同。小组1（19.564s）比小组2（19.739s）表现得更有生产效率。然而，因为小组1的变量数据（1.397s）比小组2（1.027s）的大，所以小组2在装配时间的一致性比小组1好。更进一步的调查是用来观察各个小组的工人在各类实验中是否表现得不同，所以对小组1和小组2运用变量分析（ANOVA）。对两个小组的F测试表明，两个小组在实验的布置方面存在明显不同，这就意味着夹具的设计（夹具的方向），装配的设计（不同数目的操作工），和工作站的设计（工作时的姿势），这些因素导致了实验在时间（装配时间）方面有明显的不同。表4和表5列出了对小组1和小组2进行单个因素的变量分析结果。表4小组1的各个因素的ANOVA子组计数总值均值变量值X132638.8419.960.69X232615.0819.220.40X332598.6418.710.75X432587.4418.360.62X532670.820.961.09X632651.4820.360.75X73263219.750.77X832614.1619.191.04ANOVA变量的来源SSdfMSFP-价值子组之间167.25723.89331.3466.08E-31子组中189.032480.762总和356.28255表5小组2的各个因素的ANOVA子组计数总值均值变量值Y132642.8420.090.51Y232626.6419.580.46Y332616.8419.280.38Y432603.6818.870.68Y53266620.811.24Y632646.7620.210.90Y732630.6819.710.55Y832619.819.370.99ANOVA变量的来源SSdfMSFP-价值子组之间84.42712.06116.5833.64E-18子组中177.472480.761总和261.90255图6列出了小组1在不同类别的工作站设计方面的平均数据。第一个结果评定表明，在对其他数据类如操作者的数目和工作站的设计在一样的水平的前提下，不论是直列式或矩形式夹具设计，对装配时间的影响最大。柱X1和柱X3就说明对一个操作工而言，用直列式夹具生产的平均装配时间是19.96s，用矩形式夹具是18.71，但对于两名操作工（柱X5和柱X7）所花的装配时间分别是20.96s和19.75s。在假设对其它因素如夹具方向（夹具设计）和工作站的设计在同一水平的前提下，对装配时间影响的第二个较大因素是操作者的数目，操作者的数目是1个或2个。柱X5和柱X6就说明在直列式夹具下，一个操作工采用坐式工作所花费的装配时间是19.96s，对于两个操作工而言，所需要的时间是20.96s。然而对于坐式工作（X2和X6），两个小组所花费的装配时间分别是19.22s和20.36s。最后，结果分析表明，在假设其它因素如操作者的数目和夹具设计在同一水平的前提下，工作站的设计，不管是站式或是坐式，对装配时间的影响都很小。柱X1和柱X2就表明在直列式夹具下，一个操作者采取站式工作所花装配时间是19.96s，采用坐式时所花时间是19.22s。在两名操作者的情况下（柱X5和柱X6）所需装配时间分别是20.96s和20.36s。小组2（Y）和小组1类似。夹具的方向对装配时间的影响最大，其次是操作者的数目和工作时的姿势。说明：红色记号表示均值，绿色记号表示最大值，蓝色记号表示最小值图6两个小组不同执行不同要素的均值3.2、变量的分析对变量进行进一步分析，表6列出了各种因素下变量分析的结果，夹具的设计，装配设计（操作者数目）和工作站的设计。这些因素以两种或三种方式相互组合时对生产的影响，类如对装配时间的影响。在因子配对表中通过使用P-价值来决定最重要的因素。定一个重要水平0.05，操作者的数目，夹具的方向设计，工作站的设计，这些因素的组合在统计上很重要，但它们的P-价值低于0.05。在这些因素中，最重要的因素是夹具的方向设计，因为它取得的数值是最大的，为1.1247。但是，当这些因素组合在一起时，却表现不出那么的重要性。图6因子适用表:与装配时间相对的操作者数目、夹具方向、工作站设计对装配时间评估的系数项目因数系数SE系数TP常量19.56420.05457358.540.000操作者数目1.00340.50170.054579.190.000夹具方向-1.1247-0.56230.05457-10.310.000工作站的设计-0.5634-0.28170.05457-10.310.000操作者数目*夹具方向-0.0647-0.03230.05457-5.160.000操作者数目*工作站设计-0.0172-0.00860.05457-0.160.875夹具方向*工作站设计0.10970.05480.054571.010.316操作者数目*夹具方向*工作站设计-0.0866-0.04330.05457-0.790.428为进一步确认表6的结果，标准化结果的一般可能性曲线用来评定、观察哪个因素影响装配时间。如图7所示，对重要的的因素，如操作者的数目，夹具的方向和工作站的设计，通过图线来进行判别。图8绘制了主要结果的曲线，它表示的是装配时间：（a） 工作时当由单个操作工换为两个操作工时，装配时间增加（b） 工作时当夹具由直立式换为矩形式时，装配时间缩短（c） 工作时工作站的设计由站式变为坐式时，装配时间缩短说明：黑色圆：不重要，红色方块：重要，A:操作者数目，B：夹具方向，C：工作站设计图7标准化因素的正常概率进一步的调查集中在将因素进行哪一种组合才能促使装配时间最少。图9关于装配时间的块状曲线表明最少的平均装配时间是采用这样的装配线，即由一个操作工采用矩形式夹具以坐式的姿势进行生产，所需装配时间是18.3575s。这种组合能促使的最少装配时间是17.38s。并且最少装配时间的上限是20.15s。站式 坐式 站式坐式 站式坐式 站式 坐式工作站设计图9装配时间的块状曲线3.3、工作姿势的分析工作中，一个操作工人会以很多姿势从事工作。工作姿势和工人的安全有关。不恰当的工作站设计可能会引发职业危险，这些危险因不灵活的工作姿势。因此，关注工作姿势，优先要确保操作者的安全。有很多工具用来分析工作姿势恰当与否，一种通用的工具是RULA（快速上限评估）。用RULA对这个工程进行评估时只要一个单独的操作工以坐式和站式的姿势进行工作。因为夹具安置在正常的工作区域，并且其离操作者的距离是25cm，所以夹具方向（直列式或矩形式）这个因素被认为对此次结果影响不大。RULA通过使用CATIA软件来开展试验，CATIA软件如图10所示，所有尺寸的标注都是根据现实中的尺寸，比如根据操作者的人体测量学，91cm搞的桌子，25cm的工作区域和另外一些确保结果准确性的尺寸。图10列出了小组1的操作工以站式工作时的RULA分析。如图描绘的那样，在右边对话框的栏目中，列出了身体的各个部位的姿势分值。在左手边，对话框记下了姿势的状态（静态的，间歇的，重复工作的）；姿势的重复频率（4次/分钟），操作者的臂膀状态（托住工件的，在身体中间交叉，平衡的）和RULA分值情况。图10小组1的操作工以站式工作的RULA分析结果表明身体每个部位的姿势得分的范围是1到4。前臂的方向，肌肉，脖子，身躯和双腿都是安全的，姿势得分是1或者2。如图10所述，当操作者以站式手腕弯曲15进行工作时，他的手腕姿势得分为3。因此，因为最终得分达到3，所以进一步的调查和研究应该开展。图11小组2的操作工以站式工作的RULA分析图11是小组2的操作工以坐式工作时的RULA分析案例。从记录的结果可以看出，操作工身体各部位的姿势得分范围是1到3。上臂的方向，前臂，手腕，脖子，身躯和双腿都是安全的，其得分是1或2。如图11所述，