張建榮，王 凡，黨 晶，郝 亮

(中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西太原 030051)

1 引言

現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)中作業(yè)者的作業(yè)技能很大程度上制約著制造企業(yè)生產(chǎn)率的提高，因而對作業(yè)者作業(yè)技能的研究就顯得十分必要。由于實(shí)際生產(chǎn)中的各種制約因素，使得在生產(chǎn)現(xiàn)場對作業(yè)者的技能研究受到限制，然而模擬作業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫亟鉀Q這一問題。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性直接影響實(shí)驗(yàn)研究的有效性。因此，在設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)時出現(xiàn)的正反影響因素問題，需要一種有效的方法加以指導(dǎo)。TRIZ理論對研發(fā)和解決問題的思路有明確的指導(dǎo)性，能夠在分析問題之初，確定“解”的方法和位置，有效避免設(shè)計(jì)中反復(fù)進(jìn)行探索的工作［1-2］。所以，應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可有效分析處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及其中的問題，從而設(shè)計(jì)出所需要的實(shí)驗(yàn)。

2 TRIZ理論

發(fā)明問題解決理論(簡稱TRIZ理論)是由前蘇聯(lián)的根里奇·斯拉維奇·阿齊舒勒及其研究同伴們通過對250萬份專利的分析研究后于20世紀(jì)40年代后期提出的。TRIZ是基于知識的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化的方法學(xué)，主要研究技術(shù)沖突和物理沖突［3］。技術(shù)沖突是在引入有用作用或消除有害作用時而導(dǎo)致構(gòu)成系統(tǒng)的某方面變壞，主要表現(xiàn)為一個系統(tǒng)中兩個子系統(tǒng)之間的相互矛盾沖突。物理沖突指為實(shí)現(xiàn)某種功能，系統(tǒng)在具有一種特性的同時，卻出現(xiàn)了與此特性相反的特性。

對此，阿齊舒勒等人提出了39條標(biāo)準(zhǔn)沖突和40條原理。具體問題中運(yùn)用TRIZ理論步驟:首先，分析具體問題并確定一對技術(shù)沖突，對其用特定術(shù)語進(jìn)行描述。其次，將所特定描述轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)沖突描述參數(shù)。然后，在沖突解決矩陣中選取解決原理，根據(jù)特定問題選定恰當(dāng)?shù)脑?，?yīng)用所選原理對具體問題加以分析改進(jìn)［4-6］。

3 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)的初步設(shè)計(jì)

此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是模擬車床工人手工加工復(fù)雜曲面的作業(yè)，分析在作業(yè)次數(shù)不斷增加的情況下，作業(yè)者作業(yè)技能的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)選取6名參與人員，男性，健康狀況良好，年齡在20～24歲之間。設(shè)計(jì)步驟如下。

(1)作業(yè)現(xiàn)場的模擬 模擬作業(yè)現(xiàn)場，需對其生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行界定。實(shí)驗(yàn)中使用到的儀器有數(shù)字式照度計(jì)、N962C溫濕度計(jì)、AWA5633A型聲級計(jì)。模擬實(shí)驗(yàn)作業(yè)宜采用600lx的照度［6］;模擬實(shí)驗(yàn)作業(yè)溫度在20℃ ～25℃之間，濕度在 25%RH 左右［7］;由于是手工操作，不考慮大的噪聲，并控制噪聲在70～80dB 之間［8］。

(2)作業(yè)過程的模擬 加工復(fù)雜曲面的手工作業(yè)，因工件旋轉(zhuǎn)的不變性，可通過二維的平面運(yùn)動加以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中采用BD-II-302型雙手調(diào)節(jié)器，模擬手工作業(yè)過程。即通過雙手操作2個搖把使運(yùn)動觸頭在相應(yīng)的軌跡中運(yùn)動，在軌跡中往復(fù)一回記一次作業(yè)，觸頭偏離軌跡記為失誤，要求盡快完成作業(yè)。

(3)作業(yè)疲勞的確定作業(yè)疲勞是人在工作中由于經(jīng)受的活動力度較大或時間較長而產(chǎn)生的工作能力減退的狀態(tài)［7］。實(shí)驗(yàn)中利用BD-II-118型亮點(diǎn)閃爍儀測量作業(yè)者的閃爍臨界頻率，臨界頻率反映了眼睛對光刺激在時間上變化的分辨能力［8-10］。作業(yè)者不同程度的疲勞狀態(tài)可通過臨界頻率的變化來反應(yīng)，隨著作業(yè)疲勞的加重，這種辨別能力就會下降，從而臨界頻率的值就會降低。

(4)作業(yè)技能的確定 在規(guī)定的作業(yè)時間里，通過出現(xiàn)的失誤數(shù)來測定作業(yè)者的熟練程度。在作業(yè)次數(shù)增多，失誤數(shù)內(nèi)控的情況下，作業(yè)時間的變化反映出協(xié)調(diào)能力的程度。隨著作業(yè)時間的降低，作業(yè)者的協(xié)調(diào)程度越好，從而技能水平就越高。

3.2 實(shí)驗(yàn)的沖突分析

由于存在多種因素影響著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所研究的目標(biāo)，故應(yīng)用TRIZ理論對所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)。而TRIZ理論的應(yīng)用，首先應(yīng)當(dāng)明確研究問題中各因素及其相互之間的影響［11］。

在作業(yè)過程中，因作業(yè)次數(shù)增加使得作業(yè)者操作熟練程度提高的同時，伴隨著疲勞狀況加劇。本次設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)中，作業(yè)次數(shù)與作業(yè)者產(chǎn)生的疲勞狀況是影響作業(yè)者技能的因素，所以只通過作業(yè)次數(shù)的增加，并不能確定作業(yè)者作業(yè)技能的程度。因此，需考慮作業(yè)者疲勞狀況的情況下，用作業(yè)次數(shù)的變化測定作業(yè)者的技能程度。作業(yè)次數(shù)增多與作業(yè)者的疲勞狀況對其作業(yè)技能影響程度的測定就構(gòu)成技術(shù)沖突。根據(jù)所描述的技術(shù)沖突，在TRIZ沖突矩陣表中查得相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)和特性［12］，如表1所示。

表1 沖突解決矩陣

由于設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是模擬車床工人手工加工復(fù)雜曲面的作業(yè)，研究分析隨作業(yè)次數(shù)不斷增加體現(xiàn)作業(yè)者作業(yè)技能的變化規(guī)律情況。對于作業(yè)次數(shù)增多與作業(yè)者的疲勞狀況對其作業(yè)技能影響程度的測定，選定恰當(dāng)?shù)陌l(fā)明原理對實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)。所選的發(fā)明原理有:10預(yù)處理，39惰性環(huán)境，20有效動作的連續(xù)性，13反過來做，23反饋，34拋棄和再生部件。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程的改進(jìn)

結(jié)合選定的發(fā)明原理，對設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 在生產(chǎn)制造企業(yè)中，新老員工的工作技能存在明顯差別。實(shí)驗(yàn)中，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)作業(yè)人員的熟練操作程度不斷提高，但同時也伴隨著疲勞狀況的加劇，這時作業(yè)次數(shù)的變化并不能精確反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)者的熟練操作水平。因此，在進(jìn)行所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)之前，需要參與人員熟知實(shí)驗(yàn)作業(yè)過程，通過多次操作練習(xí)熟練撐握操作流程。同時，在實(shí)驗(yàn)過程中，適當(dāng)安排好合理的修息時間，這樣間隔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，盡管疲勞的影響依然存在，但其影響程度的有限。

(2)實(shí)驗(yàn)環(huán)境 實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境不是確定的，對于光明度、溫濕度、噪聲等不確定值，在實(shí)驗(yàn)過程中很難精確模擬。為此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采取在比較接近實(shí)際生產(chǎn)的情況下，使這些不確定的因素處于合理的穩(wěn)定范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行所設(shè)的模擬實(shí)驗(yàn)。

(3)實(shí)驗(yàn)過程連續(xù)性 每一次實(shí)驗(yàn)作業(yè)過程需連續(xù)完成，只有這樣實(shí)驗(yàn)測量分析才能正確反應(yīng)各項(xiàng)參數(shù)隨作業(yè)次數(shù)的增加的變化規(guī)律情況。為此，在實(shí)驗(yàn)中，要求參與人員每次實(shí)驗(yàn)作業(yè)時不休息，連續(xù)完整作業(yè)過程。

(4)實(shí)驗(yàn)研究的不同角度 作業(yè)次數(shù)的增加能夠使作業(yè)者的作業(yè)熟練程度提高，同時也使疲勞加劇。為進(jìn)一步準(zhǔn)確界定作業(yè)次數(shù)變化對作業(yè)技能的影響，選擇從不同疲勞程度研究作業(yè)次數(shù)變化對作業(yè)技能的影響。

(5)實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)控 當(dāng)作業(yè)者的疲勞狀況已明顯影響到作業(yè)過程，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，作業(yè)次數(shù)的增加對作業(yè)技能的影響呈負(fù)加速時，須停止實(shí)驗(yàn)。具體情況要參與人員及時反饋，疲勞程度分為五級［12］，參與人員在達(dá)到中度疲勞時，可要求停止實(shí)驗(yàn)。

(6)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理 在實(shí)驗(yàn)初期和末期，由于參與作業(yè)人員的情緒變化影響作業(yè)結(jié)果，表現(xiàn)在所測數(shù)據(jù)偏離正常值過大。為此，在對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析時，針對設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容，應(yīng)舍棄這些初末數(shù)據(jù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)的檢測分析

分別對改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測，選擇作業(yè)失誤數(shù)低于6回的連續(xù)10次作業(yè)，計(jì)算6名被試人員每次作業(yè)的平均時間及臨界頻率值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理后如圖1、2所示。

圖1 作業(yè)時間變化曲線

圖1反應(yīng)的是作業(yè)時間隨作業(yè)次數(shù)的變化情況，可以看出隨著作業(yè)次數(shù)的增加作業(yè)時間在降低，作業(yè)者的協(xié)調(diào)能力不斷提高，作業(yè)技能越好;圖2反應(yīng)了臨界頻率變化情況，由于臨界頻率是間接反應(yīng)作業(yè)者的疲勞程度，從圖中變化情況可知，隨作業(yè)次數(shù)的增加臨界頻率隨之降低，即作業(yè)者的疲勞程度增加。對比實(shí)驗(yàn)改進(jìn)前后圖中的變化曲線，可以得到:實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，作業(yè)時間隨作業(yè)次數(shù)趨于平穩(wěn)變化，無較大反彈，而這正是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時所預(yù)期的結(jié)果;反應(yīng)疲勞程度的臨界頻率隨作業(yè)次數(shù)降低緩慢，從而確保了疲勞程度對作業(yè)技能影響處于適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

圖2 臨界頻率變化曲線

4 結(jié)論

該模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)用TRIZ理論，主要改進(jìn)效果如下:①分析了作業(yè)次數(shù)增加過程中，作業(yè)者操作熟練程度提高的同時出現(xiàn)的疲勞程度及其對作業(yè)技能的影響，通過對實(shí)驗(yàn)步驟適當(dāng)?shù)奶幚?，確保在有限疲勞程度的情況下，進(jìn)行精確研究作業(yè)次數(shù)變化對作業(yè)者作業(yè)技能的影響規(guī)律;②提出實(shí)驗(yàn)中被忽略的合理步驟的設(shè)定;③主要考慮最能反應(yīng)作業(yè)者作業(yè)技能的時間段，忽略實(shí)驗(yàn)初期及末期作業(yè)者情緒變化的影響，對分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有很好的指導(dǎo)意義。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)改進(jìn)前后的變化情況，可得出對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中研究相互制約因素影響的情況。應(yīng)用TRIZ理論能很好地解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的沖突，不僅縮短了設(shè)計(jì)所需時間，而且對精確分析研究某一因素的作用有著重要的指導(dǎo)意義。

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