doskonalenie stanowisk pracy z wykorzystaniem narzędzi

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
dr hab. inĪ. Dariusz Plinta
Katedra InĪynierii Produkcji
Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Biaáej
DOSKONALENIE STANOWISK PRACY Z WYKORZYSTANIEM
NARZĉDZI KOMPUTEROWYCH WSPOMAGAJĄCYCH
MODELOWANIE STANOWISK I ANALIZY OBCIĄĩENIA
PRACOWNIKÓW
Komputerowe modelowanie i symulacja znajduje szerokie zastosowanie
w doskonaleniu systemów produkcyjnych, jakim są stanowiska pracy. Systemy
produkcyjne są na tyle záoĪonymi systemami, Īe bez komputera niemoĪliwa jest
szczegóáowa analiza zachodzących w nich procesów. W poniĪszym artykule
przedstawiono metodologiĊ postĊpowania w projektach usprawnieĔ stanowisk
produkcyjnych z wykorzystaniem pakietów wspomagających analizy obciąĪenia
organizmu pracowników.
IMPROVEMENT OF WORKPLACES WITH APPLICATION OF
COMPUTER TOOLS SUPPORTING MODELING OF WORKPLACES
AND DUTY ANALYSIS OF WORKERS
The computer modelling and simulation finds wide usage in the improvement of
production systems like workplaces. Production systems are so complex, that
without computer it is not possible to realize detailed analysis of processes taking
place in them. The methodology for projects of workplaces improving with
application of the software supporting duty analysis of the human body is
presented in this paper.
1. WPROWADZENIE
Proces doskonalenia stanowisk pracy powinien byü procesem ciągáym. Rozpoczyna siĊ od
zaprojektowania nowego stanowiska z uwzglĊdnieniem wymagaĔ okreĞlonych w róĪnych
przepisach, normach oraz rozporządzeniach. Na zaprojektowane i utworzone stanowisko
zatrudniany jest pracownik, który stopniowo dochodzi do coraz wiĊkszej wprawy podczas
wykonywania swoich prac [1]. Jest on najlepszym Ĩródáem propozycji usprawnieĔ, dlatego
powinien byü czáonkiem zespoáu, który bĊdzie doskonaliá istniejące stanowiska.
Analizy funkcjonowania stanowisk pracy i ich usprawnianie obejmuje szereg kolejno
nastĊpujących po sobie lub realizowanych wspóábieĪnie dziaáaĔ. Proponowane usprawnienia
czĊsto charakteryzują siĊ wieloĞcią rozwiązaĔ. SpoĞród wszystkich istniejących rozwiązaĔ
moĪna wyodrĊbniü zbiór moĪliwych do realizacji, z których naleĪy wyeliminowaü nie
perspektywiczne czyli te, które nie doprowadzą do zadawalającego rozwiązania.
Na skutek przeprowadzenia oceny zaproponowanych wariantów, moĪliwe jest
wyselekcjonowanie rozwiązania optymalnego pod wzglĊdem odpowiednio dobranych
kryteriów (kosztu, czasu i jakoĞci). Wybrane rozwiązanie konstrukcyjne wyrobu czĊsto
umoĪliwia zrealizowanie procesu wytwarzania róĪnymi metodami wytwórczymi, róĪnymi
obrabiarkami, przy róĪnych parametrach procesu obróbki, a w efekcie przy róĪnych kosztach,
róĪnym czasie i jakoĞci uzyskanej w procesie wytwarzania.
Punktem wyjĞciowym dla wprowadzenia usprawnieĔ powinna byü formuáowana przez
kierownictwo strategia doskonalenia procesów wytwarzania. Coraz wiĊkszą uwagĊ zwraca
250
automation 2010
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
siĊ na organizacjĊ procesów wdroĪeniowych oraz zastosowanie nowoczesnych narzĊdzi
informatycznych [3, 4].
NajczĊĞciej formuáowanymi zaleceniami przy realizacji projektów, a miĊdzy innymi przy
doskonaleniu stanowisk pracy, są nastĊpujące wskazówki:
í naleĪy obciąĪyü kierownictwo firmy odpowiedzialnoĞcią za realizacjĊ usprawnieĔ
í naleĪy doprowadziü do Ğcisáego powiązania z sobą dziaáów realizujących projekt
usprawnieĔ
í projekt powinien realizowaü zespóá pracowników posiadających odpowiednie
kwalifikacje, wiedzĊ i doĞwiadczenie, dysponujący czasem i niezbĊdnymi Ğrodkami
í naleĪy opracowaü procedury, umoĪliwiające sprawny przepáyw informacji oraz
podejmowanie decyzji
í naleĪy opracowaü system planowania, organizowania i kontrolowania dziaáaĔ związanych
z realizacją projektu.
2. ETAPY REALIZACJI PROJEKTU USPRAWNIEē
KaĪdy projekt, którego celem jest udoskonalenie procesu produkcyjnego skáada siĊ z szeregu
opisanych poniĪej dziaáaĔ, które przedstawiono równieĪ na rys. 1.
Opracowanie koncepcji zadania
W ramach przygotowania projektu wychodząc z pomysáu, okreĞla siĊ jego uzasadnienie,
weryfikuje siĊ trafnoĞü początkowych sformuáowaĔ i spójnoĞü pomysáu. Stosowane metody
i Ğrodki to: analiza otoczenia, wymiana poglądów, poszukiwanie danych, analiza podobnych
projektów. W ramach tego etapu okreĞla siĊ skáad i role uczestników procesu projektowego.
Jednym z pierwszych dziaáaĔ jest analiza wykonywalnoĞci. Stanowi ona pierwszą ocenĊ
rodzących siĊ propozycji. Dotyczy ona istoty ryzyka technologicznego, koniecznych prac
rozwojowych i aplikacyjnych, rzĊdu wielkoĞci wymaganych inwestycji, podstawowych
kosztów wytwarzania i prawdopodobnych zysków z zastosowania nowej technologii.
Strategia wytwarzania dostarcza kryteriów, za pomocą których moĪna oceniaü przedstawione
propozycje. Jest to najkorzystniejszy okres dla rozwaĪenia zarówno alternatywnych
technologii i procesów, jak i poziomów preferowanych technologii i systemów. Analiza
wykonalnoĞci jest czĊsto nieoficjalną formą dziaáania; znaczące zasoby organizacyjne mogą
zostaü zaangaĪowane dopiero po zatwierdzeniu wykonalnoĞci i nadaniu badaniom statusu
projektowania. Jest to gáówny etap, w którym metoda modelowania i symulacji powinna
znaleĨü zastosowanie.
Sformuáowanie zadania
Na tym etapie procesu projektowego w sposób precyzyjny formuáuje siĊ projekt usprawnienia
procesu produkcyjnego, okreĞla siĊ ograniczenia i wymagania projektu, wyróĪnia siĊ cele
nadrzĊdne i cele szczegóáowe projektu dla prezentacji i uzgodnieĔ z decydentami.
Sformuáowanie zadania realizowane jest wg kolejno nastĊpujących faz: analiza i synteza,
planowanie prac projektowych, iloĞciowy opis zadania. Konieczne jest tu okreĞlenie
obecnego stanu analizowanego systemu.
Opracowanie struktury projektu
W kaĪdym projekcie muszą byü jasno okreĞlone zasady realizacji kolejnych etapów projektu,
czyli procedury zarządzania projektem. W ramach opracowania struktury projektu
przeprowadza siĊ analizĊ, efektem której jest okreĞlenie struktury projektu (rozáoĪenie
w czasie caáego przedsiĊwziĊcia, jego kontrola, rozliczanie, kierowanie, hierarchizacja zadaĔ,
podziaá zadaĔ, podejmowanie decyzji, dostarczanie informacji.
automation 2010
251
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
Opracowanie
koncepcji zadania
POTRZEBA ZMIAN
- okreĞlenie celu,
- powoáanie zespoáu projektowego
- okreĞlenie metod i Ğrodków
- analiza wykonalnoĞci
Sformuáowanie
zadania
- okreĞlenie ograniczeĔ i wymagaĔ,
- zdefiniowanie szczegóáowych celów
- sformuáowanie zadaĔ projektowych
- wstĊpne zaplanowanie projektu
Opracowanie
struktury projektu
- okreĞlenie makrostruktury projektu –
zasad zarządzania projektem
- okreĞlenie mikrostruktury projektu –
porządku podejmowanych dziaáaĔ
Analiza i ocena
projektu
Decyzja
i wdroĪenie
Ocena realizacji
- opracowanie moĪliwych rozwiązaĔ
- analiza i synteza wariantów,
- porównanie i ocena rozwiązaĔ
- poszukiwanie nowych rozwiązaĔ
- wnioski i podsumowanie analiz
- wybór najlepszego rozwiązania
- zaplanowanie wdroĪenia
- realizacja wdroĪenia
Informacje i sprzĊĪenia zwrotne
Problem
- sprawdzenie i ocena efektów
wdroĪenia
- poszukiwanie moĪliwoĞci dalszego
doskonalenia
Rys.1. Etapy projektów doskonalenia systemów produkcyjnych
Analiza i ocena projektu
Etap ten zawiera zagadnienia poszukiwania rozwiązaĔ procesu zgodnie z okreĞloną
w poprzednim punkcie strukturą, ocenĊ rozwiązaĔ i wysuniĊcie wniosków dla decydentów.
Zaproponowane rozwiązania moĪna zamodelowaü. Poprzez symulacjĊ komputerową moĪna
przeanalizowaü przyszáe zachowanie siĊ systemu produkcyjnego z punktu widzenia
przyjĊtych kryteriów, np. czasu, kosztów, czy jakoĞci. W ten sposób moĪna oceniü
i porównaü kilka zaproponowanych wariantów rozwiązaĔ. Wyniki symulacji są Ĩródáem
informacji niezbĊdnych do podjĊcia decyzji, którą naleĪy podjąü w kolejnym etapie projektu.
Decyzja
Zagadnienie wyboru sprowadza siĊ do gromadzenia i przetwarzania informacji, której celem
jest podjĊcie decyzji. PodjĊte decyzje mogą byü róĪne. NajczĊĞciej jest to wybór wariantu
z zaproponowanych rozwiązaĔ, który zostanie zrealizowany. WystĊpują równieĪ takie
sytuacje, gdy Īadne z zaproponowanych rozwiązaĔ nie speánia przyjĊtych wymagaĔ.
Wówczas naleĪy powróciü do jednego z wczeĞniejszych etapów realizacji projektu na
252
automation 2010
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
przykáad w celu ponownego sformuáowania zadania, weryfikacji ograniczeĔ i wymagaĔ,
poszukania nowych rozwiązaĔ, lub zmiany funkcji celu.
Wprowadzenie w Īycie
Po wyborze wariantu rozwiązania projektowego nastĊpuje faza realizacji. W etapie tym
istnieje jeszcze moĪliwoĞü sprawdzenie rozwiązania, ale koszty wprowadzania zmian
w projekcie są duĪo wiĊksze niĪ w wczeĞniejszych etapach.
WdroĪenie jest to etap, w którym projekt zostaje zrealizowany (rozpoczynając od fazy
prototypu, serii próbnych aĪ do produkcji). Na tym etapie uzyskujemy rzeczywiste dane
o wyrobie - przedmiocie projektu, dziĊki którym staje siĊ moĪliwa faza oceny.
Ocena realizacji
Jest to bieĪąca ocena realizowanego projektu dla podjĊcia decyzji dotyczącej dalszych dziaáaĔ
w stosunku do usprawnianego systemu produkcyjnego. Decyzja ta powinna wynikaü z oceny
dokonanej z punktu widzenia klienta.
Informacje i sprzĊĪenia zwrotne
Przepáyw informacji i sprzĊĪenie zwrotne są niezbĊdne przy realizacji kaĪdego projektu
i wystĊpują stale niezaleĪnie od etapu realizacji projektu.
Ciągáe doskonalenie systemów produkcyjnych staje siĊ obecnie standardem
w przedsiĊbiorstwach produkcyjnych. Efektem tego jest równieĪ rozwój narzĊdzi
informatycznych wspomagających modelowanie stanowisk pracy, planowanie wykorzystania
przestrzeni produkcyjnej, symulacjĊ zachodzących w nich procesów oraz ich analizy pod
kątem organizacji pracy, a w tym obciąĪenia pracowników [2]. Ilustruje to przykáad opisany
w dalszej czĊĞci artykuáu.
3. PRZYKàADY ANALIZY STANOWISKA MONTAĩOWEGO
Przykáad dotyczy stanowiska montaĪu rĊcznego silnika spalinowego, na którym wystĊpuje
istotne obciąĪenie organizmu pracownika związane z rĊcznym przenoszeniem i áączeniem
montowanych elementów. Celem analizy byáo wyodrĊbnienie czynnoĞci, które
w najwiĊkszym stopniu obciąĪają organizm pracownika. OkreĞlono ten wpáyw,
wykorzystując oprogramowanie wspomagające analizy ergonomiczne (Ergo Max i Catia
Human Posture Analysis) [5]. Analiza ta byáa podstawą do sformuáowania wniosków oraz do
propozycji zmian usprawniających wykonywaną pracĊ.
Na analizowanym stanowisku realizowany jest proces, który opisuje przedstawiona na rys. 2
karta przebiegu materiaáu. Na podstawie analizy danych zawartych w karcie wysuniĊto
pierwsze wnioski dotyczące usprawnieĔ. NajwaĪniejszym elementem wymagającym poprawy
na stanowisku pracy jest czas oczekiwania, który jest zbyt dáugi.
Biorąc pod uwagĊ uwarunkowania ergonomiczne dziaáania dotyczące poprawy stanowiska
pracy dotyczyáy analizy obciąĪenia krĊgosáupa przy pobieraniu elementów z pojemników,
a zwáaszcza przy pobieraniu elementów ze spodu pojemnika.
automation 2010
253
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
Rys. 2. Karta przebiegu materiaáu dla analizowanego stanowiska pracy
Wykorzystując oprogramowanie ErgoMax (rys. 3) wykonano analizĊ obciąĪenia dla
wybranych dziaáaĔ, tj. dla pobrania tarczy (dla dwóch przypadków – niepeána i peána paleta),
pobranie trzpienia oraz montaĪ pobranych czĊĞci na silniku.
Rys. 3. Model stanowiska montaĪu silnika
254
automation 2010
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
Program ErgoMax pozwala budowaü modele postaci ludzkich z uwzglĊdnieniem takich
parametrów jak narodowoĞü, wiek, páeü, typ ciaáa, proporcjonalnoĞü ciaáa, cechy somatyczne
oraz zmiennoĞü cech populacji. Parametry okreĞlone dla analizowanego stanowiska
zestawiono w tab. 1.
Tab. 1. Charakterystyka pracownika oraz opis wykonywanych przez niego czynnoĞci
Stanowisko pracy:
Páeü pracownika:
Wiek:
NarodowoĞü:
Percentil (centyl):
Waga uĪywanego
wyrobu, narzĊdzia:
Opis wykonywanej
czynnoĞci przez
pracownika:
Opis stanowiska pracy
wzglĊdem pracownika:
Stanowisko montaĪu silnika
mĊĪczyzna
od 20 do 24 lat
Europejczyk - ta cecha nie ma Īadnego znaczenia jeĞli chodzi
o analizĊ ergonomiczną pracownika, dlatego w kaĪdym wariancie
ta narodowoĞü bĊdzie siĊ powtarzaü
50 – centyl
w lewej rĊce: tarcza – 5 kg
w prawej rĊce: trzpieĔ – 0,5 kg
Pracownik lewą rĊką pobiera tarczĊ a nastĊpnie prawą rĊka
pobiera trzpieĔ. Oba elementy áączy, przenosi i montuje na
silniku. NastĊpnie zwalnia stanowisko, oczekuje na przejĞcie
silnika na nastĊpne stanowisko.
Stanowisko pracy wymaga poprawy ze wzglĊdu na poáoĪenie
palety z tarczami. ObciąĪenie krĊgosáupa w momencie pobierania
elementu przekracza dopuszczalne wartoĞci obciąĪenia, zwáaszcza
gdy elementy pobierane są z dna pojemnika.
Rys. 4. Wykres obciąĪenia krĊgosáupa wg dyskomfortu
automation 2010
255
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
Rys. 4 przedstawia przykáadowy wykres obciąĪenia krĊgosáupa dla pozycji związanej
z pobieraniem tarczy z peánego pojemnika. ObciąĪenie to jest odniesione do poziomu
dyskomfortu wyraĪonego w procentach. Do 75 % (kolor zielony) obciąĪenie jest
dopuszczalne, powyĪej od 75 % do 90 % (kolor Īóáty) zasugerowane są zmiany, natomiast
powyĪej 90 % (kolor czerwony) wystĊpuje przekroczenie dopuszczalnych obciąĪeĔ.
Z powyĪszej analizy wynika, iĪ mĊĪczyzna (20-24 lata) o parametrach 50-centyli wykonujący
czynnoĞü pobierania elementów tarczy z peánej palety charakteryzuje siĊ niewáaĞciwym
pochyleniem ciaáa, co powoduje czĊĞciowe obciąĪenie górnych krĊgów piersiowych
i niedopuszczalne obciąĪenie krĊgów piersiowych dolnych i krĊgosáupa na caáym odcinku
lĊdĨwiowym.
Na podstawie wyników powyĪszej analizy zaproponowano szereg usprawnieĔ mających na
celu zmniejszenie obciąĪenia dolnych czĊĞci krĊgosáupa. Zaproponowano przykáadowo
nastĊpujące usprawnienia: dostarczanie skompletowanych tarcz z trzpieniami, dodatkowe
stanowisko przygotowania elementów do montaĪu, pakowanie tarcz razem z trzpieniami,
podnoĞnik palety, utworzenie stanowisk wczeĞniejszego kompletowania czĊĞci na paletach,
czy zainstalowanie robota na stanowisku. Zaproponowane zmiany wprowadzono do modelu
i porównano uzyskane wyniki (rys. 5). Efektem porównania byáo wskazanie najlepszego
rozwiązania.
20
15
10
5
0
Rys. 5. Porównanie zaproponowanych zmian na podstawie oceny punktowej
Do oceny wariantów wprowadzono system punktowy uwzglĊdniający zmianĊ obciąĪenia
pracownika oraz koszty inwestycji. Najlepszym wariantem jest ten, który uzyskaá najmniejszą
liczbĊ punktów – wariant 2 z dodatkowym stanowiskiem przygotowania czĊĞci do montaĪu.
Wariant z robotem zostaá pominiĊty ze wzglĊdu na caákowite wyeliminowanie pracy rĊcznej
i zbyt duĪe koszty inwestycji.
Istnieje moĪliwoĞü áączenia zmian opisanych w róĪnych wariantach co sprawia, Īe
wszystkich moĪliwych wariantów jest wiĊcej.
Innym programem, w którym moĪna przeprowadziü podobne analizy obciąĪenia organizmu
pracownika jest moduá Human Posture Analysis w pakiecie Catia. Na rys. 6 przedstawiono
wykres do analizy punktowej dla pozycji związanej z wyjmowaniem elementów ze spodu
pojemnika. Wynika z niego zbytnie przeciąĪenie odcinka piersiowego krĊgosáupa oraz
przeciąĪenie ramion (kolor czerwony na wykresie i rysunku postaci). Wynik analizy sugeruje
natychmiastową zmianĊ pozycji.
256
automation 2010
Pomiary Automatyka Robotyka 2/2010
Rys. 6. Wykres obciąĪenia organizmu pracownika przy wyjmowaniu elementów
z dna pojemnika
4. PODSUMOWANIE
Projektowanie stanowisk pracy i ich póĨniejsze doskonalenie powinno byü realizowane
zgodnie z ustalonymi procedurami. KaĪdy zakáad powinien sam opracowaü wáasne procedury
dostosowane do uwarunkowaĔ, w jakich funkcjonuje. Przykáadowe etapy projektów
usprawnieĔ opisano w pierwszej czĊĞci artykuáu.
Analiza prac wykonywanych na stanowisku powinna obejmowaü ocenĊ warunków pracy –
obciąĪenia organizmu pracownika, oĞwietlenia, haáasu, temperatury, itp. Ze wzglĊdu na duĪe
zróĪnicowanie cech zatrudnianych pracowników najtrudniej jest okreĞliü obciąĪenie
organizmu. MoĪna tu jednak skorzystaü z programów, które wspomagają tego typu analizy.
Przytoczony przykáad doskonalenia stanowiska pracy ukazuje moĪliwoĞci takich programów.
Usprawnianie stanowisk pracy ma zatem na celu tworzenie miejsc pracy przyjaznych
zatrudnionym osobom. Odpowiednio uksztaátowane stanowisko pracy powinno speániaü
swoje zadanie i byü wygodne w uĪytkowaniu.
LITERATURA
[1] Górska E., Lewandowski J.: Podstawy zarządzania i ksztaátowania Ğrodowiska pracy.
Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002.
[2] Matuszek J., Plinta D., Kubica S., ĝcieszka D.: Modelowanie i symulacja procesów
produkcyjnych z punktu widzenia ergonomii i bezpieczeĔstwa pracy. Materiaáy
z konferencji MKEN2008, àódĨ 2008.
[3] Plinta D.: Doskonalenie procesów produkcyjnych z wykorzystaniem narzĊdzi do
komputerowej wizualizacji. PAR – Pomiary-Automatyka-Robotyka Nr 2 2009.
[4] Winkler T.: Komputerowo wspomagane projektowanie systemów antropotechnicznych,
WNT Warszawa 2005.
[5] Materiaáy szkoleniowe pakietów Anthropos Ergo MAX i Catia Human Posture Analysis.
automation 2010
257