家具车间数控木工机床岗位作业分析∗

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欧阳晶， 李军， 包瑜亮

【作者机构】	南京林业大学家居与工业设计学院
【来    源】	《林产工业》 2019年第7期 P53-56

摘要：分析了数控木工机床加工过程中五个关键步骤和操作动作，提出了键盘与肘部等高、单手握持操控器和腰椎弯曲范围0°～70°等几种改善操作舒适度的动作。对操作过程中可能影响工作效率的步骤进行了优化，通过加装限位模具、强力磁铁等措施对工作过程中的危险进行合理规避，以提高工作效率。

关键词：家具制造；数控木工机床；作业分析

[size=1em]数控木工机床工作效率不但取决于机床自身性能，还取决于操作者，操作者的工作质量在一定程度上又取决于系统中人机系统的质量[1-2]。操作者是进行生产的主要部分，对于长期处在生产一线的工人来说，操作环境的好坏直接影响生产效率，通过对家具企业数控木工机床的作业过程进行分析，找出不足，进一步优化操作环境和工人的操作动作以提高生产效率[3-5]。

1 作业分析目的

[size=1em]作业分析，是指在时间和空间上对工人的操作方法和工作过程进行观察分析和研究，以达到提高工作效率、完善工作方法和促进生产进步等目的。作业分析主要包括以下三个方面：程序分析、动作分析、工作时间测定[6]。对于数控木工机床的操作者来说，作业分析能帮助他们找出问题，探索解决问题的途径，提高生产效率，合理利用机床，充分发挥机床自身的效率，延长机床的使用寿命。研究操作者的作业程序、工作时间和作业方式有助于了解操作者的各种动作习惯和作业姿势，以及操作者和数控木工机床之间的人机关系[7]。作业分析目的如下：1) 改善作业环境；2) 提高操作舒适度；3) 提高工作效率；4) 减少事故和人为失误。

2 作业分析过程2.1 试验设备

[size=1em]试验设备选用某家具厂正在使用的某公司数控木工机床进行实地测试，该机床具有x、y、z、a、c五个方向的轴，形成五轴联动，a、c轴可以摆动或旋转以实现斜切、镂空、曲面加工、打异型孔等异型零部件加工，加工精度高，加工表面光滑，能同时进行多个面的加工，生产效率高[8]。机床配有模拟加工软件，支持CAD输入，具有可视化操作界面，能模拟加工情况，对加工程序进行检查，避免加工过程中可能发生的风险，从而有效避免损失，如图1所示。

[size=0.8em]图1 数控木工机床
Fig.1 CNC woodworking machine

2.2 研究方法

[size=1em]以计算机辅助和录像方法，现场拍摄记录实际生产中人机联合操作的完整过程。通过对真实完整的操作流程以及操作者的动作分析，找出五轴数控木工机床在使用过程中，操作者与数控木工机床的人机关系，对操作者的动作进行实时和定时记录。

2.3 关键步骤

[size=1em]人机关系主要在数控木工机床的人机联合操作过程中产生[9]，该操作过程主要有五个关键步骤：工件搬运、找正、装卡、对刀和监控。这五个步骤中，操作者身体因素的影响尤为明显，下面针对数控木工机床使用过程中五个关键步骤进行分析：

[size=1em]1）工件搬运是加工流程的起点，与搬运有关的因素主要是工件的位置和工件的重量。工件重量不同，搬取的方式也不同。对于较重的工件，常用的方式是吊装，所以机床设计应该避免封顶，机床门的上端也不能有便于吊装的横梁结构以免影响吊装工件。较轻的工件采用人工搬运。对于同样的工件，由于摆放位置不同，工件搬运的效率和难度也不尽相同。

[size=1em]2）找正是零件能被正确加工的必须步骤，需要人工操作机床完成。找正过程包括对工件、量具和数控面板的操控。工件是找正的目标，操作者是找正的主体，是主控者。操作者操控数控面板，进而掌控工作台的运动方式，然后使用量具来度量并校正工件放置的位置及方向。

[size=1em]3）装卡是指利用夹具将工件固定在工作台上的过程。装卡方式与工作台尺寸、工件大小和机床的类型有密不可分的联系。图2所示是工人装卡的过程。

[size=0.8em]图2 装卡过程
Fig.2 Fixation process

[size=1em]4）对刀是指使用数控面板和操控手柄来控制主轴运动从而读取对准工件的位置。这时操作者从处理加工工件转为监视工件生产和微调，图3所示是工人进行对刀的过程。

[size=0.8em]图3 对刀过程
Fig.3 Tool setting process

[size=1em]5）监控是指机床在工作时，操作者对机床的工作过程进行观察和控制，主要操作动作集中于操控面板和数控面板，根据不同情况及时调整机床的加工动作，包括调整旋扭、输入控制指令和手持操控。

2.4 动作分析

[size=1em]数控木工机床的操作，主要动作有单手按键、双手键盘输入、观察、手持操控器以及工作台的操作[10-11]。按照五轴数控木工机床的实际操作要求对动作进行分析。

[size=1em]1）单手按键：主要在操控面板和数控面板上进行。单手按键的操作在很大程度上是由人的视野决定。

[size=1em]2）双手键盘输入：由于是双手操作，且是站立姿态，所以操作机床时，键盘高度应该和肘部等高或稍低于肘部。

[size=1em]3）观察：观察动作在装卡和对刀操作之后，操作者的主要工作区域由工件处理区逐步转移至显示控制区，作业方式也从体力作业为主转为脑力作业为主。对工件的观察在监视控制中尤为频繁，主要是透过观察窗对工件和机床的运动进行人为观察。人为观察和显示数据相结合构成较为合理的人机关系。

[size=1em]4）手持操控器：一般是一手持操控器，另一只手进行旋钮或按键操作。这种操作方式主要与需要频繁观察的作业有关， 在某些情况下需要重设刀具的转速和刀头的进给速度，其使用状态和对工件的观察是密不可分的。

[size=1em]5）工作台的操作：此操作的主要作业区域与肩高以及肩膀到手心的距离有关，也就是人手能活动的范围，除此之外还与人手的作业范围和腰椎的弯曲程度有关。工作过程中腰椎的弯曲范围通常在0°～75°之间，这一部分的工作主要集中于刀具的更换和工件的装卡，包括装刀与对刀过程。

2.5 工时分配

[size=1em]初装作业的工位分别是工作台调运、模具定位、清洗轨道、X轴线轨定位、立柱组装。五轴数控木工机床的初装作业工位标准工时记录如表1。

[size=1em]由表1可见，数控木工机床的初装作业标准工时为1 391.04s，整个过程只需由一个工人完成，初装过程各作业工位的宽放率可以达到15%，该数据表明初装作业的工人待工时间仍有较大的压缩空间，尤其是立柱组装作业，最快和最慢相差23s，亟需改进。初装作业后需要进行精装作业，数控木工机床精装作业各工位的工时如表2所示。

[size=1em]由表2可见，精装作业的标准工时达到了2 906s，是初装作业标准工时的两倍以上，该过程的工位较多，所需时间也不稳定，三轴行程模拟时间较为固定，均稳定在356s上下，改动空间较小。X轴传动座与尾端座安装工位的作业时间最不稳定，最快与最慢之间相差26 s，需要进一步合理分配工时。

3 存在问题与解决措施3.1 存在问题

[size=1em]作业过程中工时分配不合理，各工序时间仍有较大压缩空间；工作过程中由于动作不规范导致装卡和对刀等过程时间较长；装卡过程的动作不规范导致工件不能严密贴合加工台，需要二次装卡，浪费了大量时间；对刀过程需要手持控制器，控制器握持方式不同会影响到整个工作台之间的切换流程，存在一定安全隐患；在加工过程中操作者会有大量待工时间，人与机床无法紧密衔接，造成时间浪费；作业动作的不规范容易降低操作者工作舒适度，影响工作效率。

3.2 解决措施

[size=1em]在装卡过程进行前对工作台进行限位，依据工件的摆放位置在工作台上一定位置增加限位部件。此外还可以根据加工件的形状制造模具，将模具固定于工作台上，并对加工件进行严密的卡位，如此可以大量减少装卡过程造成的时间浪费。

[size=0.8em]表1 初装作业工位标准工时
Tab.1 Standard working hours for the initial Operation station

[size=0.8em]表2 精装作业工位标准工时
Tab.2 Standard working hours for hardcover work stations

[size=1em]对刀过程中可以在控制器尾端加装强力磁铁，并在工作台前放置铁质竖杆，在竖杆旁放置绕线器用于随时摆放控制器，可以减少加工过程中的安全隐患，使多余杂乱的线能集中于一个固定位置。

[size=1em]操作者在待工过程中可以将待加工工件搬运至工作台前或监控加工面板上的加工状况等，以此减少操作者的待工时间，增加工作时间的利用率。同时要求操作者规范操作动作，减少操作者疲劳工作时间，增加高效工作的持续性。

4 结语

[size=1em]数控木工机床由于设计问题及工人操作动作的不规范，会使机床使用效率达不到理想效果。通过对加工过程中五个主要工作步骤以及工人操作时的动作分析提出了几种较为合理的操作动作，有效提高操作者工作舒适度。对操作过程中可能影响工作效率的步骤进行了优化，通过加装限位模具以及加装强力磁铁等措施对工作过程中的危险性进行规避，在减少风险的同时提高工作效率。

[size=1em]参考文献

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[size=1.8em]Operation Analysis of CNC Woodworking Machine in Furniture Manufacturing Workshop

[size=1em]OUYANG Jing LI Jun BAO Yu-liang
（College of Furniture and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China）

[size=1em]Abstract: Five key steps and operation actions in the process of CNC woodworking machine were analyzed, and several actions to improve the comfort of operation were put forward, such as the height of keyboard and elbow, the single-hand holding controller and the bending range of lumbar vertebra 0°～70°.The steps that may affect the working efficiency in the operation process were optimized , and the danger in the working process by means of installing limit mould and strong magnet was reasonably avoided, so as to improve the working efficiency.

[size=1em]Key words: Furniture manufacturing; CNC woodworking machine; Operation analysis

[size=1em]中图分类号：TS664.1

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-5299(2019)07-0053-04

[size=1em]DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201907012

[size=1em]*基金项目：江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20150887)；江苏省高校自然科学研究项目资助(14KJB220007)

[size=1em]欧阳晶，女，研究方向为家具与木制品制造技术及生产管理，E-mail：291927678@qq.com

[size=1em]李 军(通讯作者)，男，教授， E-mail: LiJun0099@163.com

[size=1em]收稿日期：2019-03-12