Fakulteta za strojništvo
Samo-konfiguracija delovnega mesta s sodelovanjem delavca
Doktorsko delo
Predložila Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani za pridobitev znanstvenega naslova doktor znanosti
Maja Turk
Ljubljana, september 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Samo-konfiguracija delovnega mesta s sodelovanjem delavca
Doktorsko delo
Predložila Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani za pridobitev znanstvenega naslova doktor znanosti
Maja Turk
Mentor: prof. dr. Niko Herakovič, univ. dipl. inž.
Ljubljana, september 2021
Zahvala
Najprej se zahvaljujem mentorju prof. dr. Niku Herakoviču za vsako spodbudno besedo, vso strokovno podporo in pomoč tekom nastajanja doktorskega dela ter Javni agenciji za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije za financiranje doktorskega študija.
Prav tako se zahvaljujem sodelavcem laboratorija LASIM za vzpostavitev produktivnega raziskovalnega okolja, za vse nasvete, podporo, tehnično pomoč in čas, ki ste mi ga namenili.
Hvala Mihi, Andreju in Edu za pomoč pri izdelavi eksperimentalnega okolja, hvala Matevžu za motivacijo in vse produktivne debate pri sočasnem študiju, hvala Marku za moralno podporo v trenutkih, ko je bilo to nujno,
hvala Hugu in Mihaelu za sodelovanje in izmenjavo znanj iz različnih (ne)tehničnih področij ter najlepša hvala Jerneju za razumevanje in brezpogojno podporo, za pozitivno energijo, dobro voljo in veliko potrpljenja na poti do zastavljenega cilja.
Hvala tudi družini za moralno podporo in skrb v času študija ter vsem ostalim, ki ste verjeli vame, me spodbujali in mi pomagali pri izdelavi doktorskega dela.
»Najplemenitejši užitek je veselje do razumevanja.«
(Leonardo da Vinci)
Izjava
Izvleček
UDK 658.515:331.101.1:004.9(043.3) Tek. štev.: DR III/176
Samo-konfiguracija delovnega mesta s sodelovanjem delavca
Maja Turk
Ključne besede: montažni proces ročna montaža
pametni montažni sistem pametni algoritem
ergonomska primernost delovnega mesta
časovno vrednotenje osnovnih montažnih operacij simulacija virtualnega človeka
Industrija 4.0 uvaja pametne rešitve v celotno dobavno verigo podjetij, vključno z ročno montažo, kjer je cilj zagotoviti krajši čas delovnega cikla, povečati produktivnost in kakovost izdelkov ter proizvodnih procesov ob najmanjših stroških. Po principih te paradigme predlagamo v doktorskem delu novo metodologijo oblikovanja delovnega okolja s podporo novo razvitega pametnega sistema ročne montaže z osredotočenostjo na človeka, ki upošteva ergonomska priporočila ter zmanjšuje tveganje za nastanek kostno-mišičnih obolenj. Pametni sistem zajema pametno ročno montažno mesto z implementiranimi pametnimi pripomočki in tehnologijami za samo-konfiguracijo delovnega mesta, tj. višina delovne mize, oddaljenost in nagib zalogovnikov s sestavnimi deli, jakost in smer osvetlitev ter zasuk montažnega gnezda. Celotno ročno montažno mesto je krmiljeno s pametnim algoritmom, ki prilagodi nastavitve delovnega mesta glede na spol in antropometrične podatke posameznega delavca, zahtevnost montaže in lastnosti izdelka. Algoritem vodi delavca skozi strukturo izdelka z interaktivnimi digitalnimi navodili in laserskim kazalnikom po principu »Poka-yoke«, ki prikaže delavcu za vsak korak montaže potreben sestavni del.
Učinkovitost predlaganega pametnega montažnega sistema smo preverili v laboratorijskem okolju s časovnimi analizami in analizo napak, ergonomsko primernost pa v virtualnem okolju, kjer smo za vsako konfiguracijo pametnega montažnega sistema pri posameznem delavcu izvedli simulacijo procesa montaže z osredotočenostjo na seganju z roko naprej in dosegu. Rezultati predlaganega montažnega sistema podpirajo (pre)oblikovanje procesa ročne montaže s ciljem zagotoviti učinkovito in ergonomsko primerno delovno mesto za vsakega delavca ter posledično povečanjem produktivnosti in učinkovitosti proizvodnega procesa.
Abstract
UDC 658.515:331.101.1:004.9(043.3) No.: DR III/176
Self-configuration of the workplace with the worker participation
Maja Turk
Key words: assembly process manual assembly smart assembly system smart algorithm
ergonomic suitability of the workplace time evaluation of basic assembly operations simulation of the virtual human
Industry 4.0 introduces smart solutions throughout the company's supply chain, including manual assembly, where the goal is to ensure a shorter work cycle time, increase productivity and quality, while minimizing costs. Following the principles of this paradigm, the doctoral dissertation proposes a newly developed human-centered smart manual assembly system that considers ergonomic recommendations and reduces the risk of musculoskeletal disorders. The smart system includes a smart manual assembly workstation with implemented smart tools and technologies to self-configure the workstation, i.e., the height of the workbench, the distance and inclination of the grab containers, the intensity and direction of the lighting, and the rotation of the assembly nest. The entire manual assembly workstation is controlled by a smart algorithm that adapts the manual assembly workstation according to the gender and anthropometric data of the individual worker, the complexity of the assembly process and the characteristics of the product. The algorithm guides the worker through the assembly structure of the product using interactive digital instructions and a laser pointer that shows the worker the necessary components for each assembly step. The efficiency of the proposed smart assembly system was verified in a laboratory environment with time and error analysis and ergonomic suitability in a virtual environment, where we performed a simulation of the assembly process for the individual worker for each configuration of a smart assembly system, focusing on forward reach and reach range. The results of the proposed assembly system support the (redesign) of the manual assembly process with the aim of providing an efficient and ergonomically suitable workplace for each worker, thus increasing the productivity and efficiency of the production process.
Kazalo
Kazalo slik ... xvii
Kazalo preglednic ... xxi
Seznam uporabljenih simbolov ... xxiii
Seznam uporabljenih okrajšav ... xxv
1. Uvod ... 1
1.1. Namen doktorske naloge ... 3
1.2. Postavitev raziskovalnih hipotez, ciljev naloge in prispevek k znanosti... 5
1.3. Potek in metode dela ... 6
2. Teoretične osnove ... 9
2.1. Industrija 4.0 ... 9
2.1.1.Zgodovina ... 9
2.1.2.Pametna tovarna... 10
2.2. Delovna mesta ... 13
2.2.1.Oblikovanje delovnega mesta za človeka ... 14
2.2.2.Ročna montažna mesta ... 20
2.2.3.Rokovanje z bremenom ... 27
2.2.4.Koncipiranje ... 30
2.3. Ergonomija ... 31
2.3.1.Ergonomske analize in ocenjevalni postopki ... 33
2.3.2.Sistem za vnaprej določen čas giba ... 35
2.4. Modeliranje digitalnega človeka ... 37
2.4.1.Simulacijsko orodje Jack ... 38
2.4.2.Relevantna orodja znotraj Jack-a ... 39
3. Pregled stanja razvoja ... 43
4. Realno okolje ... 55
4.1. Koncipiranje – izbor ročnega montažnega mesta... 55
4.2. Izbor tehnologij in končna različica ... 64
5. Virtualno okolje ... 67
5.1. Pametni algoritem in metodologija ... 67
5.2. Vplivni parametri ... 71
5.2.1.Višina delovne mize ... 73
5.2.2.Jakost in smer osvetlitve ... 76
5.2.3.Nastavitve zalogovnika in laserskega kazalnika ... 78
5.2.4.Pozicija rotacijske mize ... 82
5.3. Algoritem – vhodni parametri ... 83
5.4. DHM simulacija ... 86
5.4.1.Ergonomija ... 86
5.4.2.Časovna analiza ... 90
5.5. Razvrščanje naročil ... 93
6. Rezultati ... 95
6.1. Pametni sistem ... 95
6.1.1.Pametni algoritem ... 95
6.1.2.Strojna oprema ... 97
6.2. Potek raziskav – primer 1 in 2 ... 98
6.2.1.Raziskava - primer 1: Pametni sistem ... 99
6.2.2.Raziskava - primer 2: Osnovne montažne operacije ... 102
6.3. Časovna analiza raziskav ... 107
6.3.1.Časovna analiza na pametnem sistemu (študija I) ... 107
6.3.2.Časovna analiza osnovnih montažnih operacij – primerjava posameznih časov (študija IV) ... 108
6.3.3.Časovna analiza osnovnim montažnih operacij – primerjava skupnih časov (študija V) ... 112
6.4. Analiza napak (študija II) ... 116
6.5. Raziskava ergonomije obeh primerov ... 117
6.5.1.Ergonomija pametnega sistema (študija III) ... 117
6.5.2.Ergonomija osnovnim montažnih operacij – obremenitev sklepov (študija VI) .. ... 121
6.5.3.Ergonomija osnovnih montažnih operacij – dvig (študija VII) ... 124
7. Diskusija ... 129
8. Zaključki ... 133
8.2. Izvirni prispevek disertacije ... 134
8.3. Pomen za industrijo in nadaljnje raziskave ... 135
9. Literatura ... 137
Priloga A ... 149
Priloga B ... 155
Kazalo slik
Slika 1.1: Diagram ribje kosti z vplivnimi parametri, ki jih je potrebno upoštevati pri
preoblikovanju delovnih mest iz tradicionalnih v pametna. ... 4
Slika 2.1: Zgodovinski razvoj industrijskih revolucij [34]. ... 10
Slika 2.2: Delovno mesto z vplivnimi parametri. ... 13
Slika 2.3: Oblikovanje delovnega mesta z vidika delovanja sistema. ... 15
Slika 2.4: Splošen pristop k procesu oblikovanja posameznega delovnega mesta v skladu s principi ergonomije [91]... 16
Slika 2.5: Okoljske meje ugodja za delavce [92, 93, 94]. ... 17
Slika 2.6: Vzroki prestrukturiranja podjetij iz avtomatske na ročno proizvodnjo [54]. ... 21
Slika 2.7: Razmerja priporočljivih dimenzij pri stoječem človeku [38, 95, 97, 105]. ... 23
Slika 2.8: Dimenzijske značilnosti sedečega delovnega mesta [38, 95, 97, 105]. ... 23
Slika 2.9: Priporočene vrednosti višine mize [105]. ... 24
Slika 2.10: Karakterizacija področij dosega [106]. ... 25
Slika 2.11: Določitev EE linije med ušesno luknjo in veko očesa, za določitev nagiba glave in kot referenca za določitev kota linije vida [105]. ... 26
Slika 2.12: Stožec udobnega vidnega polja [105]. ... 26
Slika 2.13: Prilagajanje delovnega mesta po višini, globini (oddaljenosti), kotu in zasuku [37]. .... 27
Slika 2.14: Klasifikacija vrst ročnega ravnanja z bremenom [34]. ... 29
Slika 2.15: Stroški in tipične razvojne faze proizvodnega procesa za prototipiranje in oceno ergonomije [22]. ... 37
Slika 3.1: Predlagane rešitve pametnih ročnih sistemov razvite v raziskovalnih ustanovah (1: SmartFactoryKL; 2: ProMIMO) in industriji (3: BOSCH Rexroth – Active Assist, 4: TNO). ... 49
Slika 4.1: Morfološka matrika za funkcijo vizualizacija. ... 57
Slika 4.2: Morfološka matrika za funkcijo dvižni sistem. ... 58
Slika 4.3: Morfološka matrika za funkcijo osvetlitev. ... 58
Slika 4.4 Morfološka matrika za funkcijo zalogovniki. ... 58
Slika 4.5: Morfološka matrika za funkcijo konstrukcija in delovna podlaga. ... 59
Slika 4.6: Koncepti zasnove RMM... 62
Slika 4.7: Glavne tehnologije ročnega montažnega mesta. ... 66
Slika 5.1: Pametni algoritem in montažno mesto prispevata k produktivnosti procesa montaže. .. 67
Slika 5.2: Blokovni diagram algoritma krmiljenja osvetlitve, zalogovnikov, laserskega kazalnika ter rotacijske mize preko podatkov prebranih iz LPM baze. ... 68
Slika 5.3: Blokovni diagram algoritma krmiljenja višine mize preko podatkov prebranih iz LMP baze in RFID kartice. ... 69
Slika 5.4: Blog diagram algoritma, ki izvede pomik mize po višini. Miza se pomika proti želeni višini (gor/dol), dokler te višine ne doseže... 71
Slika 5.5: Odvisnost med vplivnimi parametri in konfiguracijo ročnega montažnega mesta. ... 72
Slika 5.6: Določitev razmerje telesne višine in višine komolca za moške različnih narodnosti. ... 73
Slika 5.7: Določitev razmerje telesne višine in višine komolca za ženske različnih narodnosti. ... 73
Slika 5.8: Blokovni diagram izračuna končne višine delovne mize. ... 75 Slika 5.9: Blokovni diagram določitve jakosti in intenzitete osvetlitve. ... 76 Slika 5.10: Eksperimentalno določene koordinate servomotorjev levi (a) in desni reflektor (b) glede na gabarite izdelka po z-osi. ... 77 Slika 5.11: Končne verificirane vrednosti koordinat za smer in jakost osvetlitve glede na zahtevnost montaže in gabaritov izdelka po z-osi. ... 78 Slika 5.12: Določitev razmerja telesne višine in dosega rok za moške različnih narodnosti. ... 78 Slika 5.13: Določitev razmerja telesne višine in dosega rok za ženske različnih narodnosti. ... 79 Slika 5.14: Blokovni diagram izračuna končne konfiguracije zalogovnikov ter laserskega kazalnika.
... 79 Slika 5.15: Eksperimentalno določena oddaljenost zalogovnika (koordinate = 130 – (b)) glede na
priporočila (a) za doseg človeka pod 700 mm. ... 80 Slika 5.16: Eksperimentalno določena oddaljenost zalogovnika (koordinate = 100 – (b)) glede na
priporočila (a) za doseg človeka nad ali enako 700mm. ... 81 Slika 5.17: Zbrane in verificirane koordinate oddaljenosti in nagiba zalogovnika glede na doseg. 81 Slika 5.18: Zbrane in verificirane koordinate servomotorjev laserskega kazalnika glede na razdelke,
kjer so shranjeni sestavni deli. ... 82 Slika 5.19: Blokovni diagram izračuna končnega zasuka rotacijske mize. ... 83 Slika 5.20: Koordinate zasuka rotacijske mize. ... 83 Slika 5.21: Blokovni diagram algoritma s poudarkom na vplivnih parametrih. ... 84 Slika 5.22: Oznake zapisane v LPM bazi za vsak korak montažnega procesa... 85 Slika 5.23: Ovojnica dosega za pred-definiranega avatarja v simulacijskem modelu. ... 87 Slika 5.24: Distribucija seganja delavca po sestavnih delih v različna ergonomska področja. ... 87 Slika 5.25: Primerjava ergonomske primernosti izvedbe montažne operacije dvigovanja bremena.
... 88 Slika 5.26: Metoda NIOSH v Jack programskem paketu. ... 89 Slika 5.27: NIOSH analiza nesprejemljive izvedbe montažne operacije. ... 90 Slika 5.28: Prikaz zaporedja montažnih operacij za proces dviga bremena v simulacijskem okolju.
... 90 Slika 5.29: Prikaz avtomatično generiranega časovnega poročila v simulacijskem okolju Jack. .... 91 Slika 6.1: Blokovna shema pametnega algoritma enega koraka montažnega procesa. ... 96 Slika 6.2: Tradicionalno ročno montažno mesto (a), pametno ročno montažno mesto (b). ... 97 Slika 6.3: Pregled raziskave pametnega sistema s poudarkom na opremi, izdelkih, delavcih ter
rezultatih – študija (I) – (III). ... 99 Slika 6.4: Raziskava osnovnih montažnih operacij z upoštevanjem rokovanja z materialom, DHM
modeliranja in časovnih metod – študija (IV) – (VII). ... 102 Slika 6.5: Posamezne operacije zaporedja dviga bremena: (a) obrat in hoja – korak 1 in 2; (b)
sklanjanje in seganje po škatli ter apliciranje sile – korak 4 in 5; (c) dvig škatle – korak 6; (d) prenašanje – korak 8 in 9, (e) odlaganje škatle ter postavitev v naravno držo – korak 11 in 12. ... 104 Slika 6.6: Posamezne operacije zaporedja dviga bremena pri laboratorijskem eksperimentu: (a)
obrat in hoja; (b) sklanjanje in seganje po škatli; (c) dvig škatle; (d) prenašanje, (e) odlaganje škatle. ... 105 Slika 6.7: Primerjava časov posameznih operacij po MTM, NTPM, Jack-u in eksperimentu. .... 110
Slika 6.8: Primerjava prispevkov posameznih operacij k skupnem času po MTM, NTPM, Jack-u in eksperimentu. ... 110 Slika 6.9: MTM metoda: Odvisnost med skupnim časom in parametri škatle (a) masa, (b)
dimenzija. ... 113 Slika 6.10: NTPM metoda: Odvisnost med skupnim časom in parametri škatle (a) masa, (b)
dimenzija. ... 114 Slika 6.11: Simulacija Jack: Odvisnost med skupnim časom in parametri škatle (a) masa, (b)
dimenzija. ... 115 Slika 6.12: Izvajanje montaže na tradicionalnem (a) in pametnem (b) ročnem montažnem mestu.
... 116 Slika 6.13: Konfiguracija pametnega ročnega delovnega mesta z avatarjem Jack (a) in Jill (c) ter
analiza dosega primernosti postavitve zalogovnika za Jacka (b) in Jill (d). ... 118 Slika 6.14: Število seganj naprej v ergonomska področja A, B in C. ... 120 Slika 6.15: Izvedba operacije »Dvig« v osnovni verziji simulacije (a) in izboljšani verziji (b). ... 121 Slika 6.16: Prva izvedba operacije »Dvig« v simulacijskem okolju po metodi NIOSH. ... 125 Slika 6.17: Izvedba 5: Primik bremena bližje k telesu, zmanjšanje razdalje višine dviga zaradi
drugačnega prijema škatle ... 126 Slika 6.18: Izvedba 9: Priporočila o izboljšanju parametrov HM, VM, FM. ... 127
Kazalo preglednic
Preglednica 2.1: Sposobnosti in omejitev ljudi in strojne opreme pri oblikovanju delovnega okolja ter tipi nalog, ki ustrezajo posamezni skupini, povzeto po [95, 96]:... 18 Preglednica 2.2: Dimenzije ročnega montažnega mesta - stoječ položaj [38, 95, 97, 105]. ... 23 Preglednica 2.3: Dimenzije ročnega montažnega mesta - sedeč položaj [38, 95, 97, 105]. ... 24 Preglednica 2.4: Skala vrednotenja. ... 30 Preglednica 2.5: Interdisciplinarna področja v ergonomiji [36]. ... 31 Preglednica 2.6: Metode za ocenjevanje ergonomske drže telesa [38]. ... 34 Preglednica 2.7: Lestvica mej dvižnega indeksa. ... 41 Preglednica 2.8: Priporočila za izboljšanje izvedbe operacije dviga s optimizacijo posameznih
parametrov NIOSH enačbe (2) [141]. ... 42 Preglednica 4.1: Specifikacije RMM – splošne zahteve. ... 55 Preglednica 4.2: Specifikacije RMM – vizualizacija, dvižni sistem, osvetlitev, zalogovniki. ... 56 Preglednica 4.3: Specifikacije RMM – konstrukcija in delovna podlaga ... 57 Preglednica 4.4 Vrednotenje konceptov ročnega montažnega mesta – celotna koristnost in vrstni
red alternativ. ... 63 Preglednica 5.1: Meritve jakosti osvetlitve. ... 76 Preglednica 6.1: Nabor različnih izdelkov za montažni proces na obeh ročnih montažnih mestih.
... 100 Preglednica 6.2: Sestavni deli izbranih izdelkov. ... 101 Preglednica 6.3: Primerjava terminov in opisov operacij glede na izbrano metodo. ... 106 Preglednica 6.4: Izmerjeni skupni časi [s] za montažo izdelka Lubenica in Jabolko na
tradicionalnem in pametnem ročnem montažnem mestu. ... 107 Preglednica 6.5: Primerjava posameznih časov osnovnih montažnih operacij pridobljenih po MTM
in NTPM metodi ter s simulacijo Jack in laboratorijskim eksperimentom. ... 109 Preglednica 6.6: Metoda MTM: Skupni časi zaporedja osnovnih montažnih operacij pri različnih
masah in dimenzijah škatel. ... 113 Preglednica 6.7: NTPM metoda: Skupni časi zaporedja osnovnih montažnih operacij pri različnih
masah in dimenzijah škatel. ... 113 Preglednica 6.8: Simulacija Jack: Skupni časi zaporedja osnovnih montažnih operacij pri različnih
masah in dimenzijah škatel. ... 114 Preglednica 6.9: Število napak pri izvajanju montažnega procesa izdelka P1 in P2 na
tradicionalnem ročnem montažnem mestu in pametnem sistemu. ... 116 Preglednica 6.10: Lastnosti avatarja in konfiguracija pametnega ročnega mesta za analizo dosega.
... 117 Preglednica 6.11: Primerjava obremenjenosti sklepov osnovne in izboljšane verzije zaporedja
osnovnih montažnih gibov za vrat, hrbet in zapestja. ... 122 Preglednica 6.12: Primerjava obremenjenosti sklepov osnovne in izboljšane verzije zaporedja
osnovnih montažnih gibov za obe rameni. ... 123 Preglednica 6.13: Vpliv različnih parametrov na operacijo »Dvig« po metodi NIOSH... 124 Preglednica 6.14: Parametri izračuna RWL in LI po metodi NIOSH za posamezno izvedbo. ... 125
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
A ° Kot asimetrije
AM / Množitelj asimetrije
CM / Množitelj vrste spoja
D cm Navpična razdalja
d mm Razdalja
dim mm Širina bremena
DM / Množitelj razdalje
FM / Frekvenčni množitelj
H cm Vodoravna razdalja
HM / Vodoravni množitelj
LC / Konstantna obremenitev, 23 kg
LI / Indeks dviga
m kg Masa bremena
N / Število subjektov
pos / Lastnosti bremena
R / Izbrani delovni princip
RWL / Priporočena meja mase bremena (dviga)
t s Čas individualne osnovne montažne operacije
TT s Skupni čas zaporedja osnovnih montažnih operacij
V cm Navpična višina
v m/s Hitrost
VM / Navpični množitelj
µ / Koeficient trenja
θ ° Kot upogiba trupa
ω s-1 Kotna hitrost upogiba trupa
Indeksi
kz Funkcija k
R Razdalja dosega
r Upogib trupa - hitrost
rB Upogib trupa in bremena - hitrost
T Upogib trupa - kot
TB Upogib trupa in bremena - kot
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
3D Tri-dimenzionalno
A Asimetrija dviga
AR Obogatena (razširjena) resničnost (ang. Augmented reality) ATA Dejanska tehnična aktivnost (ang. Actual Technical Action) BOM Kosovnica (ang. Bill of material)
BZ Bazni del
CAD Računalniško podprto načrtovanje (ang. Computer-aided design) CAE Računalniško podprt inženiring (ang. Computer-aided engineering) CBA Analiza stroškov in koristi (ang. Cost Benefit Analysis)
CLI Skupni indeks dviga (ang. Cumulative Lift Index) CPS Kibernetsko-fizični sistem (ang. Cyber-physical system) D Končna točka dviga (ang. Destination)
DfA Oblikovanje za montažo (ang. Design for Assembly)
DHM Modeliranje digitalnega človeka (ang. Digital human modeling) DMQ Nizozemski kostno-mišični vprašalnik (ang. The Dutch
Musculoskeletal Questionaire)
DMU Digitalna maketa (ang. Digital Mock-up)
DZ Desni zalogovnik
EE Linija med ušesom in očesom (ang. Ear-Eye Line) Eks. (laboratorijski) eksperiment
F Frekvenca ali pogostost dviga
H Nezahtevna montaža
Hr Horizontalna razdalja dviga
HMD Vizualizacija, pritrjena na glavo (ang. Head-mounted display)
I4.0 Industrija 4.0
ID Identifikacijska številka
IIoT Industrijski internet stvari (ang. Industrial internet of things) IoT Internet stvari (ang. Internet of things)
IoS Internet storitev (ang. Internet of services)
KEA Kvantitativna ergonomska analiza (ang. Quantitative Ergonomics Assessment)
KIM Metoda ključnih pokazateljev (ang. Key Indicator Method) KMO Kostno-mišično obolenje (ang. Musculoskeletal Disorder)
LASIM Laboratorij za strego, montažo in pnevmatiko (ang. Laboratory for handling, assembly and pneumatics)
LBP Bolečine v spodnjem delu hrbta (ang. Low-back Pain) LI Indeks dviga (ang. Lifting index)
LMM Nadzor gibanja hrbta (ang. Lumbar Motion Monitor)
LPM Lasim-ov program za upravljanje z izdelki (ang. Lasim product management)
LZ Levi zalogovnik
M Moški spol
M2M Komunikacija med dvema strojema ali napravama (ang. Machine to Machine)
MAWL Največja sprejemljiva masa bremena pri dvigu (ang. Maximum acceptable weight of a lift)
Max. Največja vrednost
MMH Rokovanje z materialom/bremenom (ang. Manual Material Handling)
MOST Meynardska tehnika vrednotenja zaporedja (delovnih) nalog (ang.
Maynard Operation Sequence Technique)
MODAPTS Modularna ureditev vnaprej določenih časovnih standardov (ang.
Modular Arrangement of Predetermined Time Standards) MSD Kostno-mišično obolenje (ang. Musculoskeletal Disorder) MTM Metoda vrednotenja časa (ang. Methods Time Measurement)
N Normalna zahtevnost montaže
NIOSH Metoda nacionalnega inštituta ZDA za poklicno varnost in zdravje (ang. The National Institute of Occupational Safty and Health Method)
NTPM Novo razvita časovna metoda O Začetna točka dviga (ang. Origin)
OCRA Indeks ponavljanja poklicne aktivnosti (ang. The Occupational Repetetive Actions)
OSS Sistem za podporo operaterju (ang. Operator Support System) OWAS Sistemska analiza položaja telesa pri delu (ang. Ovako Working
Postures Analysing system)
P Zahtevna montaža
P1 Izdelek 1 (lubenica)
P2 Izdelek 2 (jabolko)
PDA Analiza fizičnih zahtev (ang. Physical Demand Analysis)
PLIBEL Metoda za ugotavljanje ergonomskega tveganja (šved. Plan För Indentifiering av. Belastningsfaktorer; ang. A Method Assigned for Identification of Ergonomics Hazards)
PMTS Sistemi za vnaprej določen čas gibanja (ang. Predetermined motion time systems)
Povp. Povprečje
PWM Pulzno širinska modulacija (ang. Pulse-width modulation)
QEC Hitro preverjanje izpostavljenosti ergonomskega tveganja (ang.
Quick Exposture Check)
RAMI 4.0 Referenčni arhitekturni model Industrije 4.0 (ang. Reference Architectural Model Industrie 4.0)
Raz. Razdalja
REBA Hitro ocenjevalno orodje celotnega telesa (ang. Rapid Entire Body Assessment)
RFID Radiofrekvenčna identifikacija (ang. Radio-frequency identification)
RMM Ročno montažno mesto
RPi Mikrokrmilnik Raspberry Pi
RTA Referenčna tehnična aktivnost (ang. Reference Technical Action) RULA Hitro ocenjevalno orodje zgornjih okončin (ang. Rapid Upper Limb
RWL Priporočena meja mase bremena (ang. Recommended Weight Limit) SASS Samo-adaptacijski sistem pametne montaže (ang. Self-Adapting
Smart Assembly System)
SD Standardna deviacija
SI Indeks naprezanja (ang. Strain index)
SF Končni sestavni del
SQL Strukturirani povpraševalni jezik za delo s podatkovnimi bazami (ang. Structured Query Language)
TAT Orodje za analizo nalog (ang. Task Anaylsis Toolkit) TSB Graditelj simuliranih nalog (ang. Task Simulation Builder) TSP Problem trgovskega potnika (ang. Travelling Salesman Problem)
Tr Trajanje dela brez odmorov
V Vertikalna razdalja dviga
VR Navidezna resničnost (ang. Virtual reality)
WF Sistem proučevanja metod in časa, potrebnega za gibanje delavca (ang. Work Factor)
WMSD Bolezni in poškodbe, povezane z delom (ang. Work-related Musculoskeletal Disorder)
Ž Ženski spol
1. Uvod
V 21. stoletju se proizvodna podjetja srečujejo z nenapovedanimi in nepredvidenimi spremembami na trgu, ki jih narekuje globalna konkurenca. Spremembe vključujejo hitro uvedbo novih izdelkov in stalno spreminjanje njihove količine [1, 2]. V zadnjih letih se je tako v industriji in na drugih področjih uveljavil nov trend, ki se imenuje četrta industrijska revolucija ali Industrija 4.0. To je sinonim za pretvorbo današnjih tovarn v »pametne tovarne«, ki bodo morale zagotavljati krajše proizvodne cikle in večjo možnost izbiranja pri višji kakovosti izdelave [3, 4]. S paradigmo I4.0 se je uveljavil tudi nov termin »Smart«
(pametni), ki velja za osrednjo značilnost proizvodnih sistemov prihodnosti [5].
V tovarnah prihodnosti so naprave, stroji, proizvodni moduli in izdelki povezani v CPS (kibernetsko-fizični sistem; ang. Cyber-Physical System), ki avtonomno izmenjuje informacije, proži aktivnosti in nadzira vse vključene elemente neodvisno. Tovarne se razvijajo v inteligentna okolja, kjer je razkorak med realnim in virtualnim vedno manjši.
Tako je »pametna proizvodnja«, kot del pametnih tovarn, nastajajoča oblika proizvodnje, ki vključuje današnja in jutrišnja delovna sredstva z zaznavali, računalniškimi platformami, komunikacijsko tehnologijo, nadzorom, simulacijo, modeliranjem in napovednim inženiringom [6, 7] za doseganje večje učinkovitosti, kompetentnosti in konkurenčnosti industrijskih procesov [8].
Montaža je eden ključnih industrijskih procesov v proizvodnji, v katerih se osnovni material preko proizvodnega procesa, ki vključuje delovna sredstva (stroje), orodja in človeka (delavca), pretvori v končni izdelek [9]. V luči I4.0 se vidne spremembe dogajajo tudi na področju (ročne) montaže predvsem z vidika razbremenitve delovne sile [5]. Številne naloge na delovnih mestih v proizvodni industriji še vedno zahtevajo ročno delo, ki vključuje raznovrstne dejavnosti, kot so nakladanje in razkladanje, potiskanje in vlečenje ter izvajanje nalog, ki zahtevajo rokovanje z materialom (MMH, ang. Manual Material Handling) [10], [11].
Kompetence, spretnosti, veščine in zadovoljnost delavcev so zelo pomembne lastnosti za povečanje produktivnosti proizvodnje [12–14], zato je potrebno razviti visoko kvalificirano delovno silo, sposobno opravljati več nalog [15], oz. razviti na človeka osredotočen sistem ročne montaže z digitalnimi navodili [16, 17] in/ali virtualni sistem usposabljanja delavcev [18], ki nadomešča obsežno usposabljanje in pomanjkanje izkušenj visoko kvalificirane delovne sile.
Usposabljanje in podpora na delovnem mestu sta bistvenega pomena za pomoč delavcem pri usvajanju potrebnih veščin in kompetenc, izboljšanju produktivnosti delavcev in zagotavljanju kakovosti izdelkov [19]. Uspešnost delavcev je, poleg kompetenc in spretnosti, tesno povezana tudi z njihovim delovnim okoljem. Pri načrtovanju izdelkov in delovnih mest je treba upoštevati zbrane informacije o procesih, orodjih, strojih, predmetih dela, nalogah in delavcih, upoštevati je treba pogosto nasprotujoče si omejitve in izdelati zasnovo delovnega mesta, ki je sprejemljiva za vse vpletene strani [20]. Preoblikovanje obstoječih delovnih mest oz. načrtovanje novih sodobnih ročnih montažnih mest omogoča delavcem varno delo, s čimer se zmanjša tveganje za nastanek bolezni in poškodb, povezanih z delom (WMSD, ang. Work-related Musculoskeletal Disorders) ter prepreči za zdravje potencialno nevarne delovne gibe in obremenitve [21–27].
Prav tako je potrebno predvideti čas, potreben da delavec brez naprezanja, z normalnim učinkom pri delu, izvede posamezno operacijo oz. zaporedje operacij ter ima dovolj časa za okrevanje po izvedbi operacij [28–31]. Sodobna delovna mesta in proizvodni sistemi, ki so orientirani na človeka, so oblikovani po ergonomskih načelih [22, 32–40] tako, da upoštevajo potrebe, varnost in omejitve delavcev [41, 42]. Ergonomija (ali človeški faktor) je znanstvena disciplina, ki se ukvarja z (i) razumevanjem interakcij med človekom in ostalimi elementi sistema, (ii) uvajanjem teorij, principov, podatkov in metod v oblikovanje delovnega okolja z namenom optimizacije dobrega počutja človeka in izboljšanja učinkovitosti celotnega sistema [43].
Za napovedovanje ocene trajanja (časa) operacij uporabljamo običajno sisteme za vnaprej določen čas gibanja (PMTS), kot sta metoda vrednotenja časa (WF, ang. Work Factor;
MTM, ang. Methods Time Measurement) in Meynardska tehnika vrednotenja zaporedja (delovnih) nalog (MOST, ang. Maynard Operation Sequence Technique) [44, 45].
Vrednotenje delovnih mest z vidika ergonomije pa se izvaja z različnimi ergonomskimi metodami, kot so RULA (hitro ocenjevalno orodje zgornjih okončin), REBA (hitro ocenjevalno orodje celotnega telesa) ter NIOSH (metoda nacionalnega inštituta ZDA za poklicno varnost in zdravje). V zadnjih letih pa se za vrednotenje (časovno in ergonomsko) v veliki meri uporablja računalniško podprte tehnike, zlasti simulacijo virtualnega človeka (DHM, modeliranje digitalnega človeka, ang. Digital Human Modelling). DHM orodja dovoljujejo hitro virtualno prototipiranje in oceno obravnavane konfiguracije delovnega mesta s tehniko »kaj – če« scenarijev, brez da bi izpostavili delavca tveganju [46–49] in investirali v fizične materiale in vire [50, 51]. S tem zagotavlja DHM močno znanstveno veljavnost predlaganim in že implementiranim izboljšavam ter rešitvam na področju ročne montaže in oblikovanja delovnih mest [9].
1.1. Namen doktorske naloge
Pri procesu montaže združimo osnovni material, sestavne dele in podsestave v končni izdelek. Zaradi povečanja stopnje variantnosti izdelkov, ki je posledica menjave strategije iz masovne proizvodnje na masovno prilagajanje, mora biti montažni sistem oblikovan tako, da se lahko prilagodi visoki raznolikosti izdelkov in montažnih operacij [52, 53]. Da zadovoljimo potrebe po hitrem prilagajanju variantnosti izdelkov, je treba v podjetja vpeljati pametne rešitve znotraj celotne procesne verige, še posebej pri ročni montaži [54].
Ročna montaža je, in bo tudi v prihodnosti, pomembna komponenta proizvodnih sistemov, saj je neposredno povezana s produktivnostjo podjetja [55]. Poleg spretnosti, kompetenc in kognitivnih sposobnosti delavcev, je za uspešno opravljeno ročno delo potrebno tudi ustrezno delovno okolje. Oblikovanje in načrtovanje ročne montaže je kompleksen in dolgotrajen proces, ki upošteva več področij hkrati, kot so antropometrija, vizualizacija, hrup, časovni standardi in norme, ergonomija, ter tehnični in ekonomski faktorji [56–58].
Delavci, ki opravljajo ročno montažo, so izpostavljeni visoki fizični obremenitvi, kar prispeva k tveganju za pojav bolezni in poškodb, povezanih z delom [59]. Pravilno oblikovano delovno mesto in ergonomska priporočila lahko znatno vplivajo na povečanje produktivnosti, zagotovijo varno delovno okolje, pripomorejo k boljšemu fizičnemu in psihičnemu počutju delavcev ter k boljšemu zadovoljstvu delavcev pri izvedbi delovnih nalog [12, 58, 60]. Prav zato je potreba po razvoju samo-konfiguracijskih in samo- prilagodljivih pametnih ročnih montažnih mest z implementiranimi pametnimi pripomočki v industriji vse večja in nujna, če želimo ohranjati konkurenčnost na tržišču. Celotna ideja samo-konfiguracije izhaja iz principov Industrije 4.0, ki predstavlja prestrukturiranje današnjih sistemov v pametne tovarne.
Trg nam ponuja mnogo pametnih rešitev in pripomočkov, ki pa sami po sebi še ne zagotavljajo, da je ročno montažno mesto samo-konfiguracijsko in se prilagaja delavcem.
Prav tako na trgu ne najdemo celostnih rešitev, ki bi zagotavljale ergonomsko oblikovano pametno ročno montažno mesto za posameznega delavca. Pri oblikovanju pametnega ročnega montažnega mesta je potrebno upoštevati različne parametre kot so: vrsta izdelka (dimenzije, material), vrsta montaže (visoka, srednja, nizka zahtevnost), struktura izdelka (zaporedje montaže sestavnih delov), spol delavcev, antropometrične podatke delavcev (starost, telesno višino, omejitve), tip delovnega mesta (stoječ, sedeč, kombiniran), ipd.
Rešitve posameznih ponudnikov na tržišču so delne, saj ponujajo rešitve le za določene, zgoraj opisane segmente [61–66], zato v industriji še vedno ostaja problem neprimerno oblikovanega delovnega mesta, ki ne zmore slediti hitrim spremembam na tržišču,
»kustomizaciji« izdelkov in konstantni težnji po (re)konfiguraciji delovnega mesta glede na posameznega delavca. Po procesu viharjenja možganov smo prišli do diagrama ribje kosti (slika 1.1) z vplivnimi parametri, ki jih moramo pri (pre)oblikovanju novega montažnega mesta upoštevati, da bo le-to pametno, samo-konfiguracijsko, ergonomsko oblikovano in primerno za izvajanje montaže z netreniranimi delavci (skoraj) brez napak.
Slika 1.1: Diagram ribje kosti z vplivnimi parametri, ki jih je potrebno upoštevati pri preoblikovanju delovnih mest iz tradicionalnih v pametna.
Glavni namen in motivacija doktorske naloge je razvoj celovitega pametnega sistema ročne montaže, ki vključuje razvoj metodologije za pametno ročno montažno mesto z implementiranimi pripomočki ter je krmiljem s pametnim algoritmom, ki samo-konfigurira in samo-prilagaja delovno mesto glede na zahteve delavca, dimenzije izdelka in vrsto montaže. Pametni sistem bo preko pametnega algoritma upošteval vplivne parametre za samo-konfiguracijo ročnega montažnega mesta kot so spol delavca, antropometrični podatki delavca, vrsta dela/montažnih operacij, geometrija sestavnih delov, ergonomska načela in druge. Pametni algoritem bo lahko preko aktuatorjev samo-konfiguriral in prilagodil ročno montažno mesto delavcu ali predlagal delavcu, kako naj konfigurira in prilagodi posamezne segmente ročnega montažnega mesta glede na enega ali več zgoraj naštetih parametrov. Za osnovo pri oblikovanju delovnega mesta smo, po zgledu pametnih tovarn, uporabili princip agilnosti, kar v našem primeru pomeni, da se montažno mesto hitro prilagodi novemu izdelku oz. zahtevam kupcev tako, da lahko na njem delavci montirajo izdelke različnih velikosti, oblik in zahtevnosti.
1.2. Postavitev raziskovalnih hipotez, ciljev naloge in prispevek k znanosti
Implementacija pametnih rešitev in pripomočkov na ročno montažno mesto še ne naredi delovnega mesta primernega za visoko produktivno delo posameznega delavca. Pri oblikovanju delovnega mesta je treba upoštevati konstitucijo in sposobnosti posameznega delavca, lastnosti izdelkov ter zahtevnost montaže. To omogoča implementacija pametnega algoritma, ki krmili pametne pripomočke in prilagaja delovno mesto za posameznega delavca ter pripomore k znatnemu dvigu produktivnosti in k ergonomsko primerno oblikovanemu delovnemu mestu. S pametnim algoritmom obenem lažje preprečimo napake med izvedbo montaže (tudi pri netreniranih delavcih) ter posledično dosežemo povečanje dodane vrednosti na zaposlenega.
Cilj doktorske naloge je torej razviti metodologijo za vzpostavitev celostnega sistema ročne montaže, ki preko pametnega algoritma krmili ročno montažno mesto. Pametni sistem zajema avtonomno prilagajanje višine, odpiranje in zapiranje pametnih zalogovnikov, prilagajanje smeri in jakosti osvetlitve ter prilagajanje orientacije delovne mize oz.
montažnega gnezda posameznemu delavcu in samodejno razporeditev sestavnih delov glede na strukturo izdelka. Zaznavala in aktuatorji morajo biti nameščeni v strukturo delovnega mesta tako, da jim je preko pametnega algoritma omogočeno avtomatično prilagajanje delovnega mesta glede na zahtevane parametre.
DHM je zelo koristna, računalniško podprta tehnika za oblikovanje in načrtovanje delovnih mest, zlasti za preverjanje ergonomske primernosti, saj omogoča popolno podatkovno zasnovano ergonomsko analizo in zagotavlja močno znanstveno veljavnost predlaganih oz.
izvedenih rešitev [9]. Zato je naslednji cilj doktorskega dela raziskava uporabe simulacijskega orodja za preverjanje ergonomske pravilnosti predlaganega pametnega ročnega montažnega mesta (različne konfiguracije) s posameznim delavcem (različni spoli in antropometrični podatki). Z združitvijo realnega in virtualnega okolja v smiselno, funkcionalno in ergonomsko sprejemljivo celoto, želimo dobiti celostno rešitev, ki vsebuje simulacijsko podprt pametni sistem ročne montaže, prilagojen posameznemu delavcu.
Z razvojem pametnega sistema ročne montažne s sodelovanjem delavca in pripadajočo vizualizacijo, bomo dosegli hitrejše in lažje odzivanje na visoko dinamično in vedno spreminjajoče se fizično-kibernetsko proizvodno okolje pametne tovarne. S tem bo mogoče skrajšati pripravljalno-zaključne čase ročne montaže novemu izdelku in zagotoviti ergonomske pogoje dela vsakemu delavcu.
Zato lahko postavimo naslednje hipoteze, ki jih želimo v doktorskem delu potrditi:
H1. Možno je razviti nov koncept s pametnim algoritmom za konfiguracijo in prilagoditev pametnega ročnega mesta delavcu, ki bo za razliko od obstoječih delovnih mest omogočil samo-konfiguracijo več delov ročnega montažnega mesta glede na vhodne parametre delavca in strukturo izdelka.
H2. V novo razvito eksperimentalno pametno ročno montažno mesto bo možno vključiti več pametnih tehnologij in pripomočkov za hitrejše in ergonomsko delo vsakega delavca, kot na klasičnih zasnovah ročnih montažnih delovnih mest.
H3. Možno je, v okviru novega koncepta združitve eksperimentalnega delovnega mesta in pametnega algoritma, sprotno preverjati ergonomsko primernost vsake konfiguracije pametnega ročnega mesta s simulacijskim orodjem, ki temelji na ergonomskih analizah.
Poleg novih spoznanj o ročnem montažnem mestu kot pomembnem segmentu pametnih tovarn in ob trendih Industrije 4.0, je glavni pričakovani rezultat in prispevek k znanosti nov koncept pametnega ročnega montažnega mesta z ustrezno metodologijo za njegovo zasnovo, z več pametnimi pripomočki, tehnologijami ter zaznavali za zajem podatkov, ki bo na nazoren način prikazal implementacijo modernih tehnologij in ergonomije v luči pametnih tovarn.
Poleg tega bo pomemben rezultat doktorskega dela upoštevanje ergonomskih načel in sprotno preverjanje le-teh s simulacijskim modelom za vsako konfiguracijo ročnega montažnega mesta s poudarkom na posameznem delavcu.
Med glavne prispevke k znanosti lahko štejemo tudi razvoj pametnega algoritma, ki bo na osnovi zajetih podatkov in pri izbranih parametrih samo-konfiguriral ročno montažno mesto po principih ergonomije in v skladu z zahtevami novega izdelka za vsakega posameznega delavca, ki bo izvajal montažne operacije, ali pa bo z jasnimi navodili vodil delavca, da bo sam konfiguriral montažno mesto.
1.3. Potek in metode dela
Delo v okviru doktorske naloge bo potekalo v več korakih:
1. korak: Pregledana bo literatura ter analizirane predhodne raziskave in dosežki na področju pametnih rešitev za oblikovanje ročne montaže, pametnih pripomočkov in tehnologij za pomoč delavcem pri ročni montaži, ergonomije ter simulacije virtualnega človeka.
2. korak: Postavljene bodo izhodiščne in ciljne funkcije ter opredeljene osnovne definicije, potrebne za razvoj nove metodologije oblikovanja pametnega ročnega montažnega delovnega mesta in pametnega sistema ročne montaže s pripadajočim ergonomsko oblikovanim delovnim mestom in pametnim algoritmom:
- pregledane bodo obstoječe metodologije oblikovanja ročnih delovnih mest, rešitve ročnih montažnih mest v akademskem in industrijskem okolju in pametni pripomočki,
- izvedeno bo koncipiranje novega samo-konfiguracijskega pametnega ročnega montažnega mesta z osredotočenostjo na delavca,
- izbrane bodo časovne in ergonomske analize za vrednotenje novo razvite metodologije in sistema pametne montaže.
3. korak: Na podlagi rezultatov predhodnih korakov bo razvita nova metodologija ergonomskega oblikovanja montažnega sistema z upoštevanjem individualnega delavca, lastnosti izdelka in zahtevnosti montaže:
- izdelano bo samo-konfiguracijsko pametno ročno mesto s po višini nastavljivo mizo, prilagodljivo osvetlitvijo glede na jakost in smer svetlobnega snopa, pametnimi zalogovniki, ki prilagajajo oddaljenost in nagib zalogovnikov glede na doseg rok posameznega delavca, digitalnimi navodili, ki vodijo delavca skozi proces montaže ter z vrtljivim montažnim gnezdom,
- popisani bodo vhodni parametr (delavec, zahtevnost, izdelek) in njihov vpliv na konfiguracijo pametnega ročnega montažnega mesta.
4. korak: V tem koraku bo izvedena analiza osnovnih montažnih operacij s poudarkom na časovnih in ergonomskih vrednotenjih v simulacijskem okolju. Razvit bo simulacijski model zaporedja operacij, ki tvorijo proces dviga bremena. Na podlagi rezultatov bomo določili, ali je simulacijski programski paket primerno orodje za izvajanje, ne samo ergonomskih, vendar tudi časovnih analiz. To znanje o razvitem simulacijskem modelu bomo lahko kasneje uporabili pri verifikaciji metodologije oblikovanja delovnega mesta ter pametnega sistema ročne montaže.
5. korak: Razvoj pametnega algoritma za krmiljenje samo-konfiguracijskega pametnega ročnega montažnega mesta z upoštevanjem spola in antropometričnih podatkov delavcev, zahtevnosti montažnega postopka ter gabaritov izdelka na osnovi empirično razvitih enačb in priporočil stroke.
6. korak: Izvedba študij primerov za verifikacijo novo razvite metodologije oblikovanja delovnega mesta z osredotočenostjo na delavca ter pametnega sistema ročne montaže na osnovi časovnih analiz, ergonomskih vrednotenj, analize števila napak in optimalnega razporejanja naročil zaporedja izdelkov.
7. korak: V zadnjem koraku bodo preverjene in potrjene hipoteze doktorske naloge na podlagi rezultatov izvedenih analiz.
Za izdelavo pametnega ročnega montažnega mesta bomo uporabili naslednje metode:
koncipiranje, vrednotenje konceptov z morfološko matriko ter prototipiranje oz. izgradnja pametnega delovnega mesta.
Za razvoj krmilnega algoritma bomo uporabili metode eksperimentalnih meritev in določitev empiričnih enačb v odvisnosti posameznih antropometričnih podatkov in konfiguracije ročnega delovnega mesta. Krmilni algoritem bo upošteval podatke posameznega delavca, vrsto montaže ter strukturo in lastnosti izdelkov.
Simulacijski model osnovnih montažnih operacij oz. modeliranje digitalnega človeka bomo izdelali v programskem okolju Siemens Jack. Namen bo preveriti ergonomsko primernost metodologije oblikovanja ročnega montažnega mesta in časovno ustreznost predhodno določenih norm ter standardov za izvajanje ročne montaže z namenom preprečitve nastanka kostno-mišičnih obolenj povezanih z delom.
V eksperimentalnem delu raziskav bomo združili metodologijo oblikovanja ročnega delovnega mesta z osredotočenostjo na delavca s pametnim ročnim sistemom. Le-ta zajema pametno ročno montažno mesto z implementiranimi sodobnimi tehnologijami in pripomočki za pomoč (netreniranim) delavcem pri postopku ročne montaže. Vključuje tudi pametni algoritem, ki krmili samo-konfiguracijsko delovno mesto glede na ergonomsko optimalno
konfiguracijo delovnega mesta za posameznega delavca. Metodologijo oblikovanja ročnega montažnega sistema bomo analizirali s časovnimi in ergonomskimi metodami tako v laboratorijskem, kot virtualnem okolju.
Doktorsko delo je v nadaljevanju razdeljeno na osem poglavij in na seznam literature ter priloge. Prvo poglavje zajema uvod in cilje, drugo poglavje se osredotoča na teoretične osnove, ki se navezujejo na tematiko dela. Razdeljeno je na naslednja področja: delovna mesta, algoritem ter ergonomija. V tretjem poglavju je zajet pregled stanja razvoja. Sledi razvoj metodologije oblikovanja ergonomskega sistema za ročno montažo, ki smo ga razdelili na dve poglavji. Poglavje 4 zajema realno okolje - koncipiranje pametnega ročnega montažnega mesta, izbor komponent ter opis novo postavljenega pametnega ročnega montažnega mesta v eksperimentalnem okolju laboratorija LASIM. Poglavje 5 pa zajema virtualno okolje, torej opis pametnega algoritma, izbor podatkov teh simulacijo človeka (DHM). Sledi poglavje rezultatov, kjer je predstavljena celostna rešitev doktorskega dela:
(i) študija 1: »pametni sistem« ročne montaže, ki vsebuje pametno ročno montažno mesto z implementiranimi pripomočki in tehnologijami za ergonomsko oblikovano delovno mesto glede na posameznega delavca, ki ga krmili pametni algoritem ter (ii) študija 2: analiza osnovnih ročnih montažnih operacij z namenom uporabiti DHM orodje za oceno primernosti delovnega mesta. Doktorsko disertacijo povzamemo s poglavjem Diskusija (poglavje 7). V poglavju Zaključki (poglavje 8) pa potrdimo oz. ovržemo postavljene hipoteze.
2. Teoretične osnove
2.1. Industrija 4.0
Industrija 4.0 opredeljuje metodologijo za transformacijo od strojno prevladujoče proizvodnje, do digitalne proizvodnje. Pojem Industrija 4.0 (»Industrie 4.0«) se je prvič pojavil leta 2011 v Nemčiji, kot produkt skupine strokovnjakov različnih področji (industrija, politika in akademski svet) v okviru pobude za povečanje nemške konkurenčnosti v proizvodni industriji. Nemška zvezna vlada je podprla ideja z napovedjo, da bo Industrija 4.0 sestavni del iniciative "Strategije visoke tehnologije za Nemčijo 2020", katere namen je bil predvsem pridobiti vodilno vlogo pri tehnoloških inovacijah [6, 67, 68].
Namen Industrije 4.0 je ustvariti pametne tovarne, kjer se obstoječe proizvodne tehnologije nadgradijo in preoblikujejo v kibernetsko-fizične sisteme (CPS), internet stvari (IoT, ang.
Internet of things) in računalništvo v oblaku. V dobi Industrije 4.0 smo sposobni spremljati fizične procese v proizvodnih sistemih v realnem času, ustvariti tako imenovane "digitalne dvojčke" (ang. "Cyber Twin") fizičnega sistema, ki lahko s pomočjo ustreznih algoritmov sprejemajo pametne odločitve ob sprotni komunikaciji in v sodelovanju z ljudmi, stroji ter merilnimi zaznavali. V okviru industrije 4.0 se proizvodni sistemi posodabljajo na inteligentno raven, kjer se izkorišča napredne informacijske in proizvodne tehnologije za dosego prilagodljivih, pametnih in rekonfigurabilnih proizvodni procesov, ki se odzivajo na dinamični svetovni trg potreb in zahtev kupcev [69, 70]. Industrija 4.0 je svetovni trend, ki se iz proizvodnje širi v vsa področja življenja (pametni transport in logistika, pametne stavbe, pametno zdravstvo, pametna mesta, itd.) [6, 8, 68, 71, 72].
2.1.1. Zgodovina
Iz zgodovine so znane tri industrijske revolucije, dandanes pa smo zakorakali v četrto industrijsko revolucijo – Industrija 4.0 [72]. Slika 2.1 predstavlja potek industrijskih revolucij glede na čas in kompleksnost. Prva industrijska revolucija predstavlja začetek industrializacije (konec 18. stoletja) z uvedbo mehanizacije (parni stroj), gnane z vodno in parno energijo. Z začetkom 20. stoletja je sledila druga industrijska revolucija, ki jo opredeljuje elektrifikacija dela v manjših enotah in predvsem inovacije glede organizacije proizvodnje. Tretja industrijska revolucija je nadgradila drugo z avtomatizacijo in digitalizacijo proizvodnega procesa z uporabo elektronike in informacijskih tehnologij.
Četrta industrijska revolucija, ki še traja, pa temelji na kibernetsko-fizičnem sistemu (CPS), Internetu stvari (IoT) in Internetu storitev (IoS), Industrijskem internetu stvari (IIoT), računalništvu v oblaku (ang. Cloud computing) in umetni inteligenci [67, 68]. Četrta industrijska revolucija se odvija mnogo hitreje, kot so se preostale tri. To je posledica močno povezanega in prepletenega sveta, v katerem živimo in dejstva, da pojav nove tehnologije prispeva k razvoju še novejše in zmogljivejše tehnologije. Zdajšnja revolucija temelji na digitalni revoluciji, novemu pristopu k organizaciji proizvodnje ter združevanju različnih tehnologij [71].
Slika 2.1: Zgodovinski razvoj industrijskih revolucij [34].
2.1.2. Pametna tovarna
Industrija 4.0 spodbuja gradnjo tako imenovanih pametnih tovarn. Kibernetsko fizični sistemi znotraj modularno strukturiranih pametnih tovarn spremljajo fizične procese, ustvarjajo virtualno kopijo fizičnega sveta in sprejemajo decentralizirane odločitve. Sistemi preko interneta stvari komunicirajo in sodelujejo med seboj v realnem času [68, 73, 74].
Pametne tovarne se bolje soočajo s kompleksnostjo in so manj dovzetne za zunanje in notranje motnje, zato ustvarjajo izdelke bolj učinkovito. V pametni tovarni ljudje, delovna sredstva in viri komunicirajo med seboj tako naravno, kot v socialnih omrežjih. Pametni izdelki poznajo vse podrobnosti, kako so bili proizvedeni in kakšen je njihov namen uporabe ter so nosilci informacij. Aktivno spremljajo proces izdelave in odgovarjajo na vprašanja kot so: »kdaj sem bil narejen?«, »kateri parameter se naj uporabi, da se izdela enak izdelek?«,
»komu moram biti dostavljen?«, itd. Vmesniki bodo s pametno mobilnostjo, pametno logistiko in pametnim mreženjem naredili pametno tovarno eno glavnih komponent v jutrišnji pametni infrastrukturi [68].
Pametne tovarne sestavljajo [70, 75]:
‐ Pametne naprave: vključujejo povezljive naprave v tovarni, kot so terenske naprave, mobilne naprave, operativne naprave in različne komunikacije - M2M komunikacija, komunikacija med napravami in tudi ljudmi.
‐ Pametni proizvodni proces: vključuje dinamično, učinkovito, avtomatizirano in sprotno komunikacijo procesov za upravljanje in nadzor zelo dinamičnega proizvodnega okolja, ki ga omogoča internet stvari (IoT).
‐ Pametno inženirstvo: vključuje načrtovanje in razvoj izdelkov, proizvodnjo in poprodajne storitve. To zahteva uporabo zbranih podatkov iz proizvodnega procesa v procesu načrtovanja in optimizacije strojev.
‐ Vele-podatki in računalništvo v oblaku: analitika vele-podatkov (ang. Big data) bo prinesla velike priložnosti za izboljšanje prihodnjih tovarn, proizvodnih
procesov in bo omogočila tovarnam ponudbo novih izdelkov in storitev z vključevanjem algoritmov in aplikacij za analizo.
‐ Pametni management: pametno organiziranje in upravljanje poslovnih procesov.
Izvajanje vitke proizvodnje in principov Industrije 4.0 v podjetju vključuje preobrazbo kulture celotnega podjetja, kjer imata odločilno vlogo pametni management in vodstvo podjetja [76].
Tehnična osnova, na kateri temelji pametna tovarna, so kibernetsko fizični sistemi (CPS), ki medsebojno komunicirajo z internetom stvari in internetom storitev. Pomemben del tega procesa je izmenjava podatkov med izdelkom in proizvodno linijo [77], kar predstavlja premik proizvodnje iz toge, osredotočene na učinkovitost in ročno izdelavo, v proizvodnjo, ki je dinamična, agilna in avtomatizirana. Da lahko govorimo o pametni tovarni, mora le-ta izpolnjevati naslednje lastnosti [7, 78, 79]:
‐ Interoperabilnost: zmožnost CPS (nosilci posameznega kosa – palete, montažna mesta, izdelki,…), ljudi in pametne tovarne, da se povežejo in komunicirajo med seboj preko IoT in IoS [80].
‐ Virtualizacija: virtualna kopija pametne tovarne, ki se ustvari s povezovanjem podatkov iz zaznaval (iz nadzora fizičnega procesa) z virtualnim modelom tovarne in simulacijskim modelom.
‐ Decentralizacija in distribuiranost: zmožnost CPS, znotraj pametne tovarne, da sprejema svoje lastne odločitve.
‐ Zmožnost realnega časa: zmožnost zbiranja in analiziranja podatkov in zagotavljanje vpogled v vsakem trenutku.
‐ Osredotočenost na storitev: ponudba storitev (CPS, ljudi in pametne tovarne) preko IoS.
‐ Modularnost: fleksibilno prilagajanje pametne tovarne na spremembe povpraševanja po individualnih modulih.
Cilj Industrije 4.0 je narediti proizvodnjo in z njo povezane industrije (npr. logistiko) hitrejše, bolj učinkovite in bolj osredotočene na kupce, vendar ob istem času sega preko avtomatizacije in optimizacije k novim poslovnim priložnostim in modelom. Glavne prednosti I4.0 in pametnih tovarn so očitne in podobne kot prednosti digitalizacije v proizvodnji – optimizacija poslovnih in operativnih procesov, informacijsko gnani sistemi s poudarkom na samo-zavedanju, samo-napovedovanju, samo-organiziranosti, kar lahko dosežemo le z uporabo IoT in pripadajočimi agenti (digitalni dvojček) [80, 81]. Določene prednosti I4.0 si bomo v nadaljevanju podrobneje pogledali [80, 82–90].
Dvig produktivnosti skozi optimizacijo in avtomatizacijo
Optimizacija procesa in dvig produktivnosti so primarni cilji vsakega podjetja. Prav tako je to prvi cilj I4.0. Z drugimi besedami: prihranek stroškov, dvig profita, zmanjšanje izgub, avtomatizacija za preprečitev napak in zastojev, pospeševanje proizvodnje, da se opravi več dela v realnem času, digitalizacija dokumentacije itd. [80, 82–90].
Podatki za popis dobavne verige v realnem času
I4.0 se navezuje na celoten življenjski cikel izdelka (od zasnove preko izdelave do razgradnje). Če pogledamo celotno dobavno verigo, vemo da je vpleteno veliko različnih interesnih skupin. To so vsi kupci. Kupci si želijo povečanje produktivnosti, ne glede na to, na katerem mestu v dobavni verigi so. Če si končni kupec želi dober izdelek hitro in se mu povečajo pričakovanja, glede na izkušnje, kakovost, storitev in dobavo izdelka, to vpliva na celotno dobavno verigo. Hitrost ni le prednost pred konkurenco, da zadovolji kupčeva pričakovanja, ampak ima pomembno vlogo v ekonomiji realnega časa, kjer vpliva na stroške in vrednost izdelka. Dandanes kupci tudi pričakujejo, da se bo v najkrajšem času zadovoljilo njihovim potrebam in povpraševanju [80, 82–90].
Pomembna vloga podatkov in informacij
Industrija 4.0, pametna tovarna, dobavna veriga, informiranost kupcev – vse se vrti okoli podatkov, od uporabljenih materialov, izdelave in dobave. Vrednost podatkov za dobavno verigo se veča, če so pravočasno zbrani in pravilno ter pravočasno predstavljeni. To je tudi temelj tridimenzionalnega RAMI 4.0 arhitekturnega modela I4.0 (ang. Reference Architectural Model Industrie 4.0) [89].
Večja poslovna kontinuiteta preko naprednega vzdrževanja in možnosti nadzora Ko se pokvari delovno sredstvo v industrijskem okolju, je popravilo nujno. Za to potrebujemo čas, denar in dodatno podporo delavcem in inženirjem. Ko se pokvari robot v avtomobilski industriji/proizvodnji, se v resnici ne pokvari samo robot. Prizadeta je celotna proizvodnja, stroški se hitro povečujejo, stranke so nezadovoljne in tako se celoten proces proizvodnje prekine. Poleg zamenjave/popravila, stroškov in virov, ki jih porabimo ter izpada prihodkov zaradi zaustavitve proizvodnje, je lahko omadeževan tudi ugled podjetja, kar lahko vodi do odpovedi naročil. Če pa zagotovimo primero povezljivost, lahko delovna sredstva nadzorujemo (nadzor nad zdravjem delovnih sredstev) preko IoT, tako da dobimo poročilo o napaki oz. možnosti okvare, preden se ta dejansko zgodi. Opozorilo se izpiše, delovno sredstvo je lahko proaktivno vzdrževano, nadzor v realnem času in diagnostika postaneta možni, inženirji lahko popravijo napake (programske) tudi na daljavo, itd. [80, 82–
90].
Boljše delovno okolje in trajnost
S spremljanjem okolja v realnem času (temperatura, vlažnost itd.) zagotovimo hitro zaznavanje in povečamo varnost v primeru nesreč, zaznavanju prisotnosti plinov, sevanja itd. S tem dosežemo tudi boljšo komunikacijo in sodelovanje z osredotočenostjo na ergonomijo, čist zrak in čisto tovarno [80, 82–90].
Individualizacija in prilagajanje »novemu« potrošniku
Obnašanje in želje kupcev so se spremenile. Digitalna orodja so spremenila pogled na delo, nakupe in življenje. Ljudje so postali bolj zahtevni pri hitrih odzivih, obveščanju o novih informacijah itd. Povečala se je tudi stopnja po individualizaciji izdelkov (personalizacija).
Če želimo strankam zagotoviti take storitve ter s tem pridobiti tudi prednost pred
Izboljšana agilnost
Pri konkurenčnih prednostih in prilagajanju izdelkov se moramo dotakniti tudi agilnosti, fleksibilnosti in skalabilnosti. Pri skalabilnosti in agilnosti pričakujemo podporo IT storitev in tehnologij, kot so delo v oblaku (ang. Cloud), vele-podatki, umetna inteligenca, roboti in kibernetsko-fizični sistemi za napovedovanje zahtev zaznaval, fluktuacij v proizvodnji in zmožnosti povečanja/zmanjšanja števila izdelkov – vse prilagoditve, ki so bolj ali manj napovedljive, lahko sedaj napovemo bolj točno, s pomočjo vizualizacije, fleksibilnosti in zmožnosti prilagajanju proizvodnje glede na čas in stroške [76, 80, 82–90].
Razvoj inovativnih in posodobljenih modelov
Digitalizacijska transformacija se dogaja postopoma po korakih, nivojih in z različnimi zmožnostmi. Transformira se lahko procese, specifične funkcije, storitve za potrošnike, itd.
[80, 82–90].
2.2. Delovna mesta
Delovno mesto je najmanjša enota v proizvodnem procesu. Sestavljena je iz delavcev in opreme, s ciljem opraviti dodeljeno nalogo z dodano vrednostjo predmetu dela (sestavni deli, podsestavi, izdelki), z najmanjšim vnesenim trudom (slika 2.2).
Material, ki vstopa na delovno mesto, je lahko v obliki surovine, polizdelka, sestava ali komponente. Za izvedbo naloge sta potrebna energija (električna energija, gorivo, vodna para) in medij (voda, zaščitni plin, mazivo). Potrebne so informacije, ki nam omogočajo pravilno izvedbo naloge, kot so delavniške risbe, struktura izdelka, nadzorni progami, navodila itd.
Kot izhod iz procesa je najpogosteje predstavljen izdelek oz. končni proizvod, vendar pa so neželeni izhodi tudi materialni odpadki (ostružki, ostanki, pomožni material), ki morajo biti pravilno odstranjeni. Za ugodno in zdravju neškodljivo okolje moramo ustrezno poskrbeti za emisije, kot so hrup, vibracije, toplota, plini, prah itd. Na izhodu pridobimo tudi informacije o kakovosti izbranega procesa, podatke o količini izdelanih predmetov dela in času obdelave.
Slika 2.2: Delovno mesto z vplivnimi parametri.
Dejanski proces se odvije na delovnem mestu s pomočjo procesne opreme (strojna oprema, montažna mesta, peči za žarjenje…), orodij in vpenjal. Glede na stopnjo avtomatizacije je človek bolj ali manj intenzivno vključen v proces. Oprema, delavec in prostor so glavni
parametri pri načrtovanju delovnega mesta, ki v našem primeru opisuje obravnavani sistem.
Povezava med zaposlenimi in zmogljivostjo procesa je bila prvič dokazana, ko se je koncept proizvodnje iz metod in algoritmov, ki preoblikujejo surovino v sestavne dele in komponente, razširil tudi v obvladovanje zalog in materialnega oz. proizvodnega toka.
Čeprav je končni cilj v oblikovanju proizvodnega procesa zmanjševanje vpliva delavcev na kakovost proizvodnje in zmogljivost logistike, ne smemo pozabiti, da smo ljudje sposobni improvizirati in reagirati na nepričakovano tehnologijo in organizacijske motnje, kjer birokratični kontroli spodleti. Doprinos človeškega dela v proizvodno zmogljivost je odvisen od kompetenc in motivacije delavcev. Ključni faktorji pri načrtovanju proizvodnje so torej kompetence, pripravljenost delavcev in oblikovanje delovnega mesta za človeka [53].
Sistemske funkcije, sistemsko okolje in potrebe oblikovanja za človeka so opisane v podpoglavju 2.2.1.
2.2.1. Oblikovanje delovnega mesta za človeka
Človeški faktor je potrebno upoštevati v vseh fazah razvoja, od oblikovanja konceptov, do končne postavitve delovnega mesta. Potrebno je upoštevati naslednje odločitve:
‐ Kakšna bo vloga človeka v delovnem sistemu (administracija, upravljanje, montaža, vzdrževanje, nadzor,...).
‐ Kje, kdaj in kako bodo posamezniki komunicirali s podsistemi in komponentami (neposredno, posredno).
‐ Kaj je potrebno storiti, da bomo posameznikom zagotovili zadovoljstvo v domačem in delovnem okolju (varnost, učinkovitost pri delu, udobje).
‐ Katere človeške omejitve vplivajo na oblikovanje in delovanje sistema ter poskušati to preseči, da ljudje ne postanejo šibka točka sistema.
Glavni cilj je oblikovati sistem, ki:
‐ je prilagojen človeku (ne sistem, kjer se mora človek prilagajati),
‐ zagotovi človeku, da izvaja delo najbolje kolikor je sposoben,
‐ človeka ne izpostavlja izrednemu fizičnemu in duševnemu stresu ali tveganjem za zdravje (izvedbe operacije, okvara opreme),
‐ zagotavlja osebno zadovoljstvo posamezniku zaradi uspešnega izvajanja dela.
Pri oblikovanju delovnega mesta z osredotočenostjo na človeka (delavca) je potrebno prepoznati in analizirati tri sistemske elemente:
1. Sistemske funkcije - določitev, kaj mora sistem početi (zahteve, cilji in omejitve).
2. Sistemsko okolje - določitev okolja, v katerem mora sistem delovati (zaprt prostor, zunaj, podnevi ali ponoči, na morju, v vesolju, ...).
3. Delavci in oprema – določitev vloge človeka in opreme v sistemu [53].
Sistemske funkcije
Oblikovanje delovnega mesta z vidika sistemskih funkcij zajema tehnologije, objekt, organizacijo in ergonomijo, kot prikazuje slika 2.3.Načrtovanje in oblikovanje delovnega mesta ni naloga posameznika, ampak zahteva sodelovanje profesionalnega tima. Ko planiramo tehnologijo, morajo biti obdelovalne in montažne operacije strogo popisane, prav tako moramo upoštevati logistiko znotraj proizvodnega obrata, kot tudi dobavo in odpremo z zunanjimi deležniki (dobavitelji, odprema končnih izdelkov, odvoz odpadnega materiala).
Tehnološke zahteve uresničujemo skozi načrtovanje tovarne/objekta, ki zajema strojno opremo (orodje, montažna mesta, skladišča, transport) in plan dela. Delavci morajo biti pravočasno obveščeni o spremembah in aktivnostih, ki jih bodo izvajali z najnovejšimi
