PŘÍPADOVÉ STUDIE VLIVU INOVACE VÝROBKU NA ERGONOMII PRACOVIŠTĚ SVOČ FST 2011 Bc. Patrik Polášek, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ANOTACE Obsahem této práce je seznámení s problematikou ergonomie pracoviště a vlivu ergonomie na výkonnost člověka v pracovním prostředí, respektive vlivu pracovní polohy na výkonnost člověka v pracovním prostředí. Dále jsou popisovány změny prostorového uspořádání vlivem přidané inovace na produktu a provedení ergonomických studií vybraných pracovišť montážní linky výrobní haly. KLÍČOVÁ SLOVA Ergonomie, inovace, návrh pracovišť, Tecnomatix Jack, layout, výrobní systém, výkonnost. 1. ÚVOD Je zřejmé, že každé pracoviště, ve kterém bude působit lidský jedinec musí brát v úvahu limity a variabilitu osob v populaci co se týče jejich rozměrů (anthropometrie), sil, schopností apod. Bohužel stále příliš mnoho produktů je navrženo bez dostatečné pozornosti k potřebám budoucích uživatelů. Naopak technika musí respektovat limity člověka. Kromě konkurenceschopnosti a spokojenosti zákazníka (nebo pracovníka) má toto zásadní vliv i na bezpečnost práce, výrobní čas, výslednou kvalitu a na celkové náklady vývoje a výroby. Ergonomická analýza nám řekne, jak si pracovník povede na simulovaném pracovišti. Zjistí se, jak budou pracovníci (z rozsahu populace) vykonávat daný úkol, analyzuje se nebezpečí zranění, potřebné síly, dosahy, výhled, úchopy, únava, časový sled operací, posloupnost práce, optimalizuje se rozmístění nástrojů a strojů na pracovišti, ověří se smontovatelnost dílů a řada dalších faktorů. Výsledkem je pracoviště, které zohledňuje schopnosti a potřeby pracovníka a vede k efektivnější, produktivnější a bezpečnější výrobě či montáži s méně pracovními úrazy.[3] Simulací pracovního procesu a následným správným řešením pracoviště lze předejít zvýšené absenci v důsledku zdravotních potíží, přílišné fluktuaci zaměstnanců a s tím souvisejících nákladů na rekvalifikace a také případné placení kompenzací pro poškozené zaměstnance. 2. VÝROBNÍ SYSTÉM A ERGONOMIE PRACOVIŠŤ Výrobním systémem lze v obecném pojetí nazvat vše, co transformuje vstupy na výstupy s určitou přidanou hodnotou. Podle toho, zda má transformace fyzikální podstatu nebo nemá, je možné výrobní systémy dělit na systémy produkující výrobky, nebo poskytující služby. Ve strojírenství je obvykle hlavním cílem vyrobit a dodat produkt zákazníkovi při zohlednění tří kritérií - kvalita, čas a náklady. Prostřednictvím výrobního systému se realizuje výrobní proces jako souhrn všech činností, jehož cílem je přeměna vstupů na výstupy podle předem stanovených požadavků. Mezi základní prvky v tomto procesu patří materiál a informace, které jsou charakterizovány materiálovým a informačním tokem. Pro naplnění základních předpokladů konkurenční úspěšnosti musí podnik dodávat vysokou kvalitu, v přijatelných nákladech a vždy ve "správný čas" - proto je rozhodující správně nastavit organizační a hmotné uspořádání výrobního procesu. Ergonomie pracoviště se odkazuje na "studii o práci." Jedná se o studii z mnoha faktorů spojených s pracovišti, s cílem snížit tělesnou i duševní zátěž zaměstnanců. Ergonomické uspořádání pracoviště se zaměřuje na zlepšení pracovního výkonu (jak v množství a kvalitě), a to prostřednictvím minimalizovat fyzickou zátěž a pracovní vytížení pracujícího člověka, což usnadňuje provádění pracovních činností, zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví a dosažení snadné ovladatelnosti jednotlivých prvků na pracovišti. Pracoviště uspořádáno ergonomicky nevhodně ovlivní nejen bezpečnost práce a zdraví zaměstnance, ale navíc omezí provádění efektivní práce. Vzhledem k tomu, že kosterní a svalové nemoci způsobují nejdelší léčení, což souvisí s nepřítomností v práci, je tedy důležité, aby byla zvláštní pozornost věnována uspořádání pracovní místa a celého pracoviště s ohledem na rozměry a síly, které jsou potřeba k vykonání určité činnosti. Studium ergonomie pracoviště tedy pomáhá ve zvyšování úrovně komfortu zaměstnanců, což vede ke zvýšení produktivity zaměstnanců. Návrh pracoviště, které splňuje zásady ergonomie je složitý problém, neboť se musí zvážit významný počet interagujících a variabilních prvků a musí se splnit řada požadavků, z nichž některé mohou být protichůdné. Uspořádání ergonomického pracoviště je základním požadavkem pro lidské aplikace. Ergonomické uspořádání pracoviště tedy musí být přizpůsobeno člověku.[1]
3. VLIV ERGONOMIE NA VÝKONNOST ČLOVĚKA Ergonomické parametry jsou odvozeny z výkonové kapacity člověka. Na základě poznatků z oblasti fyziologie, hygieny, antropologie, biomechaniky, psychologie a dalších věd o člověku byly postupně stanoveny určité limity způsobilosti a vybavenosti člověka, které by neměly být v souvislosti s pracovní činností a působením faktorů prostředí překročeny. V souvislosti s pracovní činností jsou ukazateli výkonnosti kvantitativní a kvalitativní posuzovací hlediska, jako je množství práce, vynaložené úsilí, spolehlivost apod. Výkonnost určité osoby je determinována její tělesnou konstitucí, motorikou a tělesnou zdatností, funkcí smyslových orgánů a mentální způsobilostí. Výkonnost je samozřejmě také ovlivněna pohlavím a věkem pracovníka, a také působením řady pracovních podmínek a faktorů. Pracovat příliš dlouho a příliš tvrdě je neefektivní. Běžný člověk by neměl pracovat déle než jednu hodinu bez přestávky. Po této době je téměř jisté, že pro udržení koncentrace vynakládá tolik energie, že nemá sílu na tvůrčí práci.[2] 4. INOVACE VÝROBKU V této práci jsem aplikoval inovace na výrobek autíčka na dálkové ovládání - Monster truck 6558. Obr. 1: Výrobek před a po inovaci[4] Byly vybrány následující stupně inovací výrobku, které více či méně ovlivnily prostorové uspořádání výrobního systému. Tyto inovace byly vybrány z důvodu konkurenceschopnosti, protože na trhu existuje mnoho stejných či podobných produktů. [5] Zakomponování světel do konstrukce autíčka pro možný provoz i v nočních hodinách Zakomponování nárazníků při nárazu zepředu dochází i k deformaci plastové karoserie, při nárazu zezadu dochází ke kontaktu pneumatik s překážkou, která může pneumatiky poškodit Přidání ochranného spodního krytu proti cákající vodě, protože autíčko je poháněno elektromotorem Možnost regulace výšky tlumičů, která předtím nebyla možná 5. STUDIE VLIVU INOVACE NA ERGONOMII PRACOVIŠŤ Studii vlivu inovace na ergonomii pracovišť jsem provedl v softwaru Tecnomatix Jack od společnosti Siemens. Software Tecnomatix Jack je komplexní 3D simulační nástroj pro studii lidského chování při práci. Umožňuje simulovat, kontrolovat a vyhodnocovat působení pracovní činnosti a pracovního místa na člověka. Tecnomatix Jack je tedy ergonomický nástroj pro simulaci a optimalizaci pracovního prostředí. Software Tecnomatix Jack je silným nástrojem pro pracovní lékaře, ergonomy a pracovníky BOZP, jenž lze použít k posuzování vhodnosti pracovního prostředí, jak z hlediska ochrany zdraví pracovníků, únavy a bezpečnosti práce, tak i z hlediska optimalizace pracovního výkonu. V softwaru Tecnomatix Jack máme možnost provádět několik základních typů vyhodnocování výkonu našeho virtuálního člověka. Klasikou je zobrazení zorného pole. Díky této vlastnosti jsme schopni vidět to samé co náš virtuální model, měřit vzdálenost mezi okem a pozorovaných objektem nebo sledovat trajektorii pohybujícího se předmětu. Další charakteristikou je vyhodnocování dosahových vzdáleností, díky kterým jsme schopni říct, zda náš model dosáhne na určité předměty nebo jaká je vzdálenost k tomuto objektu. Velice užitečnou záležitostí je testování kolizí v reálném čase mezi postavou člověka a ostatními objekty. Pro více složité analýzy je nutné použít doplňkových aplikací Occupant packaging toolkit(opt). Studie vlivu inovace výrobku na ergonomii pracovišť bude prováděna na vybraných pracovištích výrobní haly, na kterých je provedena změna uspořádání pracovního místa kvůli přidané inovaci výrobku. V této práci je prezentováno
pouze jedno pracoviště, a to pracoviště č.17. Model pracovníka (Jacka) je standardní výšky 175 cm a váhy 78 kg. Pro studii vlivu inovace výrobku na ergonomii pracovišť byly použity následující ergonomické analýzy, které byly vybrány na základě přihlédnutí k našim potřebám: Lower Back Analysis Tato analýza vypočítá kompresní limity na čtvrtém a pátem obratli a srovná je s limity, danými NIOSHem ( Mezinárodní institut bezpečnosti práce a zdraví). Analýza dosahových vzdáleností Díky této analýze jsme schopni říct, zda náš model dosáhne na určité předměty nebo jaká je vzdálenost k tomuto objektu. NIOSH Lifting Analysis Tato analýza generuje doporučené hmotnostní limity pro ruční zvedání, čili doporučenou maximální hmotnost, se kterou může pracovník pracovat aniž by se zvýšilo riziko vzniku související s bolestí dolní části zad. OWAS Analysis Tato analýza hodnotí relativní nepohodlí člověka v pracovní poloze, převážně pozici zad, paží a nohou. Pomáhá určit naléhavost k přijetí nápravného opatření. RULA Analysis Tato analýza hodnotí pracovní polohu z hlediska onemocnění horních končetin. Také se hodnotí riziko onemocnění horních končetin z hlediska svalového použití, hmotnosti nákladu, doby trvání a četností úkolu. 5.1. PRACOVIŠTĚ 17 Na pracovišti 17 se montuje karosérie autíčka a světelná rampa. Montáž světelné rampy se skládá z montáže světel na rám světelné rampy. Obr. 2: Pracoviště 17 před a po inovaci Pro montáž světelné rampy přibylo jedno pracoviště pro předmontáž světel na rám světelné rampy a dále bylo pozměněno samotné pracoviště 17, kde se nasazuje světelná rampa a karosérie na model autíčka. Dále na pracovišti 17 přibyl box na materiál, box na předmontovaný rám se světli a přípravek pro naklonění bedýnek.
Obr. 3: Detail předmontáže a montáže světelné rampy Obr. 4: Pracovníci v montážní pozici při předmontáži a montáži svetelné rampy Lower Back Analysis předmontáž světelné rampy Kompresní síla na L4/L5 obratli dosahuje 1436 N, což je hodnota daleko nižší než limit 3400 N podle NIOSH, který představuje jisté riziko poškození páteře pro většinu pracovníků. Lower Back Analysis montáž světelné rampy Kompresní síla na L4/L5 obratli dosahuje 1815 N, což je hodnota daleko nižší než limit 3400 N podle NIOSH, který představuje jisté riziko poškození páteře pro většinu pracovníků. Analýza dosahových vzdáleností Jak je vidět na obr. 5, dosahové vzdálenosti pracovníka při předmontáži a montáži světelné rampy jsou dobré. Pracovník dosáhne do boxů pro materiál pouze pohybem rukou, čili bez nutnosti pohybu zbytku těla. Obr. 5: Dosahové vzdálenosti levé ruky pro předmontáž a montáž světelné rampy NIOSH analýza předmontáž světelné rampy Tato analýza vychází z počáteční polohy těla, při které pracovník bere kostru světelné rampy z boxu součástek a z konečné polohy těla, což je samotná montáž (předmontáž) světelné rampy montáž světel do rámu světelné rampy. Dále byly použity následující parametry: o Průměrná hmotnost břemene 0,1 kg o Maximální hmotnost břemene 0,2 kg o 5 zvedacích úkonů za minutu o Pracovní doba 8 hodin, přestávka 1 hodina
Výsledkem této analýzy je doporučená maximální hmotnost (RWL), se kterou může pracovník pracovat, aniž by nastalo riziko vzniku související s bolestí dolní části zad. Zde tedy RWL vyšlo 4,14 kg. U montáže (předmontáže) světel na světelnou rampu je tedy riziko vzniku bolesti zad minimální. NIOSH analýza montáž světelné rampy Tato analýza vychází z počáteční polohy těla, při kterém pracovník bere model autíčka z pásového dopravníku a z konečné polohy těla, což je samotná montáž světelné rampy do modelu autíčka. Použity byly následující parametry: o Průměrná hmotnost břemene 1,5 kg o Maximální hmotnost břemene 3 kg o 1 zvedací úkon za minutu o Pracovní doba 8 hodin, přestávka 1 hodina Výsledkem této analýzy je doporučená maximální hmotnost (RWL), se kterou může pracovník pracovat, aniž by nastalo riziko vzniku související s bolestí dolní části zad. Zde tedy RWL vyšlo 6,74 kg. U montáže světelné rampy do modelu autíčka je tedy riziko vzniku bolesti zad minimální. OWAS analýza Podle analýzy OWAS vychází, že obě pracovní polohy při předmontáži a samotné montáži světelné rampy mohou mít škodlivé účinky na pohybový aparát. Muskuloskeletální zatížení sice není extrémní, nicméně se doporučuje nápravné opatření. Obr. 6: Pracovní polohy před a po provedení nápravného Na obr. 6 je provedeno nápravné opatření pracovní polohy tak, aby nebyl pohybový aparát vystaven škodlivým účinkům plynoucím z pracovní polohy.
Při předmontáži světel na rám světelné rampy však nelze docílit požadované efektivity práce při této nápravné pracovní poloze, protože pracovník má velice špatné zrakové podmínky. Dobré zrakové podmínky jsou u této montáže důležité, protože součástky světla jsou velmi malá. Pracovník musí být tedy mírně předkloněn, aby dobře viděl na montáž. U montáže světelné rampy do modelu autíčka by se dala použít nápravná pracovní poloha, protože se jedná o jednoduchou, zrakově neobtížnou pracovní činnost. RULA analýza pro předmontáž i montáž V této analýze byly použity následující parametry pro paži, zápěstí, krk a trup: o Svalová zátěž normální o Zátěž menší než 2 kg Dále byly použity parametry: o Podpora druhé paže o Montážní poloha stoj Výsledkem této analýzy je celkové bodové hodnocení 6 pro předmontáž i montáž světelné rampy, což znamená v dohledné době provést změnu. 6. ZMĚNY LAYOUTU VLIVEM INOVACE Byly vybrány 3 inovační řády, které se týkají prostorového uspořádání a samotné inovace na produkt. Tyto inovační řády vycházejí z rozdělení inovací do řádu dle profesora Františka Valenty. 6.1. TŘETÍ ŘÁD INOVACE Úpravy se týkají prostorového uspořádání layoutu. Výsledkem by mělo být zefektivnění výrobního a montážního procesu. Tedy kratší časy na výrobu a montáž produktu, plynulý tok dílů po hale atd. Tyto úpravy se týkají konkrétně pracovišť 14 a 16 viz obr. 7. Výsledkem této úpravy je optimalizace dopravy přípravku mezi těmito pracovišti. Mezi tyto dvě pracoviště se vytvořil prostor pro manipulaci s dopravním vozíkem. U pracoviště 16 se dále přidal další stůl pro odkládání přípravků. Tyto přípravky slouží pro přesné chycení modelu autíčka robotem na pracovišti 15, které leží mezi pracovišti 14 a 16. Pracoviště 14 Vozík Pracoviště 16 Stůl pro odkládání přípravků Obr. 7: Pracoviště 14 a 16 optimalizace dopravy přípravku 6.2. ČTVRTÝ ŘÁD INOVACE Uzpůsobení strojů pro co nejefektivnější výrobu a montážních pracovišť pro co nejefektivnější montáž. Toto lze řešit například použitím různých přípravků pro výrobu a montáž.
Zde se to týká použití přípravku pro pro naklopení bedýnek s materiálem, aby pracovník pohodlně a efektivně dosáhnul pro materiál. Tato inovace se týká většiny pracovišt montážní linky. Obr. 8: Přípravek pro naklopení bedýnek 6.3. PÁTÝ ŘÁD INOVACE Zde již přichází na řadu změny na samotném produktu, aby výsledný produkt byl kvalitnější než předchozí, čili aby se zlepšila jeho užitná kvalita, která zajímá uživatele. Mezi tyto změny patří například přidání spodního krytu proti cákající vodě a nečistotám. Pro kryt proti cákající vodě bylo vytvořeno nové pracoviště V2. Jelikož tento kryt není dostupný na trhu (jedná se zcela o novou myšlenku), je třeba tento kryt vyrábět vlastními zdroji. Tato inovace výrazně ovlivnila prostorové uspořádání. Vzniklo tedy nové pracoviště, na kterém se vyrábí kryt, montážní pracoviště pro montáž ochranných kartáčů a na montážní lince přibylo pracoviště pro uchycení ochranného krytu na model autíčka. Obr. 9: Rozdíl před a po inovaci na výrobním pracovišti V2 pro výrobu krytu
ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Většina moderních průmyslových výrobců nepřetržitě hledá odpovědi na otázky kratšího času vývoje, nižších nákladů, lepší kvality, vyšší produktivity a zvýšené bezpečnosti. Jak navrhnout bezpečné, ergonomicky laděné pracovní prostředí, produkty a procesy za méně peněz a co nejrychleji. Simulace součinnosti člověka a budoucího výrobku vyřeší řadu těchto problémů již v samotném počátku vývoje výrobku. Tím se ušetří mnoho času a nákladů, firma předběhne konkurenci a obstojí na dnešním dravém globálním trhu. U každé činnosti, které se účastní pracovník, ať pracuje na výrobní lince nebo za volantem vozidla, je nutné zohlednit ergonomické zásady tak, aby pro něj byl daný úkol příjemný a co možná nejméně únavný a stresující. Dnešní technický výrobek musí respektovat variabilitu člověka, co se týče jeho rozměrů, síly i schopností. Bohužel stále příliš mnoho produktů je navrženo bez dostatečné pozornosti k potřebám uživatelů. Kromě konkurenceschopnosti a spokojenosti zákazníka to má zásadní vliv i na bezpečnost práce, výrobní čas, výslednou kvalitu a na celkové náklady. Vliv inovace na ergonomii pracoviště nemusí znamenat zhoršení ergonomických podmínek na pracovním prostředí, záleží na velikosti a druhu dané inovace. Co se týče změny prostorového uspořádání vlivem inovace, je vidět, že některé inovace výrobku neovlivní pracovní prostředí vůbec nebo jen minimálně. Některé inovace mohou vyvolat menší změny v pracovním prostředí a některé inovace mohou vyvolat zásadní změny pracovního prostředí, kdy dochází například k celkové změně výrobního systému reengineeringu. PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Michalu Šimonovi, Ph.D. a konzultantům Ing. Ondřeji Kurkinovi a Ing. Tomáši Gornerovi, kteří mi ochotně pomáhali v průběhu zpracování mé diplomové práce. LITERATURA [1] CHUNDELA, L., Ergonomie, ČVUT, Praha, 2005, 173 s., ISBN 80-01-02301 [2] Sylva Gilbertová, Oldřich Matoušek, Ergonomie - Optimalizace lidské činnosti, 80-247-0226-6, GRADA [3] http://www.designtech.cz Martin Baumruk [4] Martin Kopecký Interní grand KPV [5] Ondřej Kurkin Interní grand KPV Aplikace inovačních stupňů na RC modelu