Embed Size (px)
Citation preview
BİR TARIM ALETİ - OT TOPLAMA TIRMIĞI - MONTAJ ÜNİTESİNİN
BİLGİSAYAR DESTEKLİ ERGONOMİK ANALİZİ
Demet GÖNEN1, Ali ORAL
2, Can ÖZCAN
3, Arne KIIS
4
1 Yrd.Doç.Dr., Balıkesir Üniversitesi, Müh.-Mim. Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü,
Çağış Yerleşkesi-10145/Balıkesir, e-posta: [email protected] 2 Doç.Dr., Balıkesir Üniversitesi, Müh.-Mim. Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü,
Çağış Yerleşkesi-10145/Balıkesir, e-posta: [email protected] 3 Akro Mühendislik, GOSB Teknopark - Kemal Nehrozoğlu Cad. High Tech Bina Gebze/Kocaeli,
e-posta: [email protected] 4 AnyBody Technology A/S Niels Jernes Vej 10 DK-9220 Aalborg Ø Denmark,
e-posta: [email protected]
ÖZET
Günümüzde firmaların rekabet edebilmeleri için sürekli olarak iyileştirme çalışmaları
yapmaları, sundukları ürün veya hizmet kalitelerini arttırmaları ve yüksek kalitedeki
ürün/hizmeti düşük maliyetlerle müşteriye sunmaları gerekmektedir. Ürün/hizmet kalitesini
etkileyen en önemli unsurlardan biri çalışandır ve çalışanın göstereceği dikkat, titizlik
ürün/hizmete yansıyacak, minimum hata ile gerçekleştirilecek üretim kaliteyi ve maliyeti
etkileyecektir. Çalışan performansı ise çalışma ortamının koşullarından etkilenmektedir.
Uygun olmayan çalışma pozisyonu, çalışanın vücudunda zorlanmalara ve daha sonra kalıcı
sorunlara neden olabilmektedir. Ayrıca montaj işlemi esnasında çalışanda oluşan zorlanmalar
iş verimliliğini de olumsuz etkilemektedir. İş verimliliğinde ve çalışan sağlığında oluşacak bu
olumsuzlukların oluşmasını önlemek için ergonomi biliminden yararlanılmaktadır.
Bu çalışmada, tarım aletleri üreten bir işletmenin ürünleri içerisinde yer alan ot toplama
tırmığının montaj sürecinde yer alan kötü duruş pozisyonlarının iyileştirilmesi için Bilgisayar
Destekli Ergonomi (BDE) Yazılımı AnyBody ile analizler yapılmıştır. Analiz sonuçlara göre
montaj ünitesinin tasarımında değişiklikler gerçekleştirilmiş ve montaj ünitesinin ergonomik
hale getirilmesi sağlanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Ergonomi, AnyBody Modelleme Sistemi, Bilgisayar Destekli Ergonomi
1. GİRİŞ
Üretim sistemleri bünyesinde bir veya daha çok işlem yapılan ve bir veya daha fazla sayıda
montaj hatları bulunmaktadır. Montaj hatlarında genellikle yapılan işler monotondur ve bu
monoton işler yapılırken çoğu kez uzun süre ayakta kalmak, uzanarak, çömelerek veya
eğilerek çalışmak gerekebilir. Sözkonusu çalışma pozisyonları zamanla kas-iskelet sistemi
sorunlarına neden olabilmektedir.
Ergonomi bilimi, çalışana zarar vermeden daha az çaba ve yorgunlukla maksimum iş
başarımını hedeflemektedir. Montaj hatlarındaki ergonomi çalışmalarının temel hedeflerinden
biri de, çalışan üzerinde oluşan gerilmelere neden olacak (bel, boyun ve diğer aktif kaslarda)
olan duruş pozisyonlarını ortadan kaldıracak düzenlemeler yapmaktır [1].
Mühendislik çalışmalarının temel hedeflerinden biri üzerinde çalışılan tasarımın öngörülen
ömür boyunca işlevini yerine getirmesini sağlamaktır. Bu amaca ulaşmak için Bilgisayar
Destekli Tasarım, Analiz ve Üretim tekniklerinden yararlanılmaktadır. Bilgisayar Destekli
Ergonominin amacı da makineleri kullanan insana hasar vermeden uygun bir çalışma ortamı
oluşturarak makinenin verimli, insanın konforlu çalışmasını sağlayabilmektir.
Bu çalışmada amaç, tarım aletleri üreten bir işletmenin ürünleri içerisinde yer alan ot toplama
tırmığının montaj sürecinde yer alan kötü duruş pozisyonlarının iyileştirilmesidir. Bunun için
Bilgisayar Destekli Ergonomi (BDE) Yazılımı AnyBody ile analizler yapılmış ve analiz
sonuçlarına göre montaj ünitesinin tasarımında değişiklikler gerçekleştirilmiş ve montaj
ünitesinin ergonomik hale getirilmesi sağlanmıştır.
Bilgisayar destekli ergonomi, insan vücudu ve onun çevresi ile etkileşim içinde olduğu karışık
ergonomik problemleri çözmek için kullanılan bir mühendislik disiplinidir. İnsan vücudu
karışık bir yapıya sahiptir, bu yüzden bu tür karışık problemleri çözmek için bilgisayar
destekli analiz yazılımları kullanmak yararlı olmaktadır [2].
Nwaigwe, çalışmasında, Bilgisayar Destekli Tasarım (BDT) yazılımlarının öneminin giderek
arttığını, bunların ürün tasarım sürecini, döngü zamanını kısaltarak ergonomik açıdan istenen
ürüne ulaşıldığını ifade etmiştir. Ergonomi biliminin insan merkezli ürün tasarımına katkıda
bulunduğu, insanın yaşam kalitesinde, verimliliğinde, konforunda ve iş güvenliğinde artışa
neden olduğu belirtilmektedir [3]. Sanal insan modelleri proaktif ergonomik analiz ve
tasarımlar için etkili bir araç olmaya başlamıştır. Gelecekte sanal insan modellerinin, çeşitli
toplumlar için geçerli duruş ve hareket tahmin modellerini içerecek şekilde geliştirilmesi
önerilmektedir [4]. Allsteel ve Allsteel tarafından hazırlanan çalışmada; kullanıcı ve ürün
arasındaki etkileşimin, ürün tasarım sürecinin en önemli özeliklerinden biri olduğu
belirtilmektedir. Amaç; ergonomi biliminin mühendisler ve tasarımcılar için ürünlerin
oluşumunda, tasarımında ve çalışanların daha verimli, etkili ve konforlu bir şekilde
çalışmalarını nasıl sağlayacakları konusunda rehberlik etmektir [5].
Bu çalışmada, ot toplama tırmığı montaj hattında ergonomi analizi gerçekleştirebilmek
amacıyla, insan vücudunun dış ortam ile ilişkisinin benzetilmesini sağlayan AnyBody
yazılımı kullanılmıştır. AnyBody Modelleme Sistemi (AMS) insan vücudunun istenilen
büyüklükteki alt sistemlerini veya tüm insan vücudunu modellemek için kullanılabilir (Şekil
1). AMS insanın neredeyse her istemli hareketini ya da statik halini modelleyebilir ve günlük
hayattaki faaliyetlerde insan-makine sistemi ya da insanın çevreyle etkileşimi boyunca kas-
iskelet sistemi üzerindeki etkiyi analiz edebilir. Sonuçlar bireysel kas kuvvetleri ya da mikro
hareket kuvvetlerini ve doğal bir eklem veya bir eklem protezindeki momentleri içerir [6].
Şekil 1. AnyBody sanal insan modeli
Anybody Modelleme Sistemi’nin girdileri: a) antropometrik bilgiler, b) problemi kinematik
olarak tanımlamak için serbestlik derecesi ve c) dışarıdan uygulanan kuvvetlerdir. Harekete
ait yer çekimi ve atalet kuvvetleri AMS tarafından otomatik olarak hesaplanmaktadır [7]. Kas-
iskelet modelleri farklı sektör ve uygulamalarda kullanılabilir. Otomotiv sektöründe, ortopedi
ve rehabilitasyonda, spor aktivitelerinde, uzay ve havacılık endüstrisinde, savunma sanayinde
gibi [8]. Holmberg ve Wagenius (2003) bir kayakçının biyomekanik modelini ortaya koyan
çalışmalarında, kullandıkları AnyBody modeli yapay bir iskelete dayalı olarak kayakçıyla
yaklaşık olarak aynı anatomik ölçülerde oluşturulmuştur [9]. Nakashima ve Motegi (2007),
yüzme esnasında bütün vücudun kas aktivitelerinin elde edilebildiği bir kas-iskelet
simülasyonu geliştirmeyi amaçlamışlardır. İlgili çalışmada, AnyBody’de 458 kasın olduğu bir
tüm vücut modeli oluşturulmuş ve yapılan analiz sonucunda, yüzme esnasındaki kas
aktiviteleri belirlenmiştir [10].
Wagner ve ark. (2007) AnyBody yazılımını, hareket yakalama sistemleri ile kullanmış ve
asimetrik kaldırma hareketini incelemiştir. Dinamik etkilerin, eklem kuvvetleri üzerindeki
önemi ve bu kuvvetleri AnyBody ile doğru şekilde analiz edilebildiğine vurgu yapılmıştır
[11]. Darbeli el aletlerinin işgörenler üzerindeki etkileri Hess. S (2013) tarafından
incelenmiştir. Hareket yakalama metodu ile el aletinden kaynaklanan titreşim sonucu
işgörenlerin eklemlerinde oluşan kuvvetler hesaplanmış ve yorgunluk hesaplamaları kas
aktivasyon değerlerine dayandırılarak gerçekleştirilmiştir [12].
2. OT TOPLAMA TIRMIĞI MONTAJINDA MEVCUT DURUMUN ANALİZİ
Ot Toplama Tırmığı; biçilen ürünün yayılması, alt–üst edilmesi ve tekrar toplanmasında
kullanılan asılır tip bir tarım aletidir (Şekil 2.a-b). Alet, 4 adet parmak uçları sivri yıldız
çarktan oluşmuştur. Zamandan ve emekten büyük bir tasarruf sağlayan, her tür arazi
şartlarında uyumla çalışan, çiftçinin işini kolaylaştıran; üç nokta askı düzeniyle her tip
traktörde kullanılabilen bir makinadır. Şekil 2.c’de görülen yıldız çarklı tırmık, yay çeliğinden
yapılmış ve uçları bükülerek şekillendirilmiş esnek parmakların bir çemberin içinden
geçirilerek merkezde bir disk üzerine cıvatalarla bağlanmasından meydana gelmiştir. Ot
toplama tırmığı montajında altıköşe başlı standart cıvata ve kasa cıvatası olarak bilinen
yuvarlak başlı cıvata olmak üzere iki tür cıvata kullanılmaktadır. Bu çalışmada ot toplama
tırmığının kasa cıvatası olarak bilinen cıvatayla toplanması hali incelenecektir. Teller bir
rondela ile disk arasına cıvata ve somun yardımıyla yerleştirilmektedir (Şekil 3).
a
b c
Şekil 2. Ot toplama tırmığı ve yıldız çarkı
Şekil 3. Disk ve rondela arasına sabitlenen teller
Yıldız çarkının oluşturulması için teller disk üzerine yerleştirildikçe tellerin üzerine rondelalar
konulmakta ve rondela üzerine uygun şekilde yerleştirilen kasa cıvata ve somun el ile
öngerilme verilerek sıkılmaktadır (Şekil 4.a-b). Bütün teller disk üzerine yerleştirildikten
sonra (Şekil 4.c) cıvata-somun sisteminin nihai sıkma işlemi yapılacaktır. El ile sadece
somunun düşmesini engelleyecek şekilde takılan somunların sıkılması işlemi için sıkma
sırasında kasa cıvataların sabit kalmasını sağlamak üzere bu cıvataların üzerine 12 kg
ağırlığında bir kütle konulmaktadır (Şekil 4.d). En son işlem olarak montaj sehpasının altına
çömelerek yaklaşan operatör tarafından basınçlı hava tabancasıyla somunlar sıkılmaktadır
(Şekil 4.e) [13].
-a- -b- -c-
-d- -e-
Şekil 4. Ot toplama tırmığı yıldız çarkının montaj işlemi
Şekil 4'te görüldüğü gibi, ot toplama tırmığının montajı sırasında yapılan bazı işlemler iş
görenler açışından duruş bozukluklarına neden olmaktadır. Montaj esnasında özellikle montaj
sehpası altında çalışan işgörenin bacak kaslarında, ayak bileğinde, belde, sırtta, boyunda ve
ayak bileklerinde zorlanmalara neden olmaktadır. Başlangıçta sorun olarak görülmeyen bu
zorlanmalar, ilerleyen süreçte ciddi sağlık problemlerine neden olabilmektedir. Amacımız
montaj süresince karşılaşılan ergonomik açıdan uygun olmayan çalışma pozisyonlarını
yapılan düzenlemeler ile iyileştirmektir.
4. BİLGİSAYAR DESTEKLİ ERGONOMİ ANALİZLERİ
Montaj işlemi sırasında yapılan tüm işlemler AnyBody yazılımıyla değerlendirilmiştir. İlk
olarak cıvataların üzerine 12 kg kütlesindeki ağırlığın konulması aşamasının modellenerek
(Şekil 5) analizi yapılmıştır. Şekil 4-d 'de görüldüğü gibi işçi montaj sehpasına çok fazla
yaklaşamadığı için iki eliyle tuttuğu kütleyle öne eğilerek uzanması gerekmektedir. Bu
durumda çalışanın vücudunda zorlanmalar oluşmaktadır.
Şekil 5. Mevcut durumda ağırlığı montaj sehpası üzerine koyma
Oluşan sorunun giderilebilmesi amacıyla ağırlığın yerleştirilmesi için bir çözüm önerilmiştir.
Önerilen çözümde çalışanın ağırlığı tuttuğu noktalar değiştirilmiş ve ağırlığı belde daha az
zorlanmaya neden olacak şekilde montaj sehpası üzerine konulabilmesi için ağırlık üzerine
tutma kolları yerleştirilmiştir (Şekil 6). Şekil 7’de önerilen durum için oluşturulan sanal insan
ve montaj işlemi modeli verilmiştir.
Şekil 6. Tutma kolu eklenmiş ağırlık
Şekil 7. Önerilen durumda ağırlığı montaj sehpası üzerine koyma
Şekil 8’de gövde içerisindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri karşılaştırılmıştır. Önerilen
aparatlı tasarım, ilk tasarıma (mevcut durum) oranla özellikle bel bölgesi eklemlerinde oluşan
reaksiyon kuvvetlerinde azalmaya neden olmuştur. İlk tasarımda bel ve omuz bölgesindeki
kas kuvvetleri büyük olurken (Şekil 8), aparatlı tasarımda kollar üzerindeki kasılmalar yüksek
olmaktadır (Şekil 9). Omuz-Kol bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri
karşılaştırılmıştır. Aparatlı tasarımda, dirsek ve bilek bölgelerinde, ilk tasarıma göre eklem
kuvvetlerin arttığı görülmektedir.
Şekil 8. Gövde içerisindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri
Şekil 9. Omuz-Kol bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri
Şekil 10. Bacak bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri
Şekil 10’da ise bacak bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri karşılaştırılmalı
olarak verilmiştir. Mevcut tasarımda kalça, diz ve ayak bileklerine daha çok yükleme
olmaktadır.
Önerilen durum için 100% olan maksimum kol kas kuvveti, limit değere ulaşan kasların
varlığına işarettir (Şekil 8). Mevcut montaj durumunda (Şekil 5) kas aktivasyon durumu, limit
değer 100% seviyesine yakın 95% seviyesinde gerçekleşmektedir. Gövde, kol-omuz ve bacak
bölgeleri için eklem kuvvetleri, momentleri ve kas aktivasyon aralıkları ayrı ayrı incelenerek,
karşılaştırma yapılmıştır. Kas aktivasyon seviyeleri karşılaştırıldığında, mevcut durum ve
aparatlı tasarımın bel bölgesi kaslarındaki farklı yükleme durumları görülebilir (Şekil 11).
Şekil 11. Ağırlık yerleştirilmesi için mevcut durum ile önerilen durum için kas aktivasyon
seviyelerinin karşılaştırılması
Ot toplama tırmığının montaj sürecinde, ağırlığın montaj sehpasının üzerine
yerleştirilmesinden sonra işgören cıvataları sıkmak için montaj sehpasının altına çömelmekte
ve sıkma işlemini gerçekleştirmektedir. Şekil 12 'de sanal insan kullanılarak modellenen bu
duruş pozisyonu farklı açılardan verilmiştir. Basınçlı hava tabancasıyla cıvata sıkma
işleminde, tabancadan gelen moment yükü sanal insan modelinin sağ eli üzerine
uygulanmıştır. Toplam 30 N olan basınçlı hava tabancası; darbeli olarak çalışmakta ve insanın
sıkma işlemi sırasında ayrıca bir kuvvet uygulaması gerekmemektedir. Çalışanın maruz
kaldığı yük; 15 N yanal + 15N düşey yük olmak üzere etki ettirilmiştir.
Şekil 12. Çökerek basınçlı hava tabancasıyla cıvata sıkma işlemi
İşgörenin cıvata sıkma işlemini montaj sehpasının altına çömelerek gerçekleştirmesi
esnasında, üzerinde oluşan zorlanmalar bu çalışma pozisyonunda uzun süre çalışılmasını
zorlaştırmaktadır. Bu çalışma durumunun iyileştirilmesi için tellerin disk üzerine
yerleştirilmesini takiben, montaj sehpasının pnömatik bir sistemle çalışan boyuna uygun
olarak yükseltilmesi halinde bu zorlanmaların olmayacağı değerlendirilmiştir (Şekil 13).
Şekil 13. Yuvarlak başlı cıvata sıkma işlemi için önerilen çalışma duruşu
Şekil 14'te çömelerek ve ayakta durarak gerçekleştirilen montaj işlemi sırasında, gövde
içerisindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri karşılaştırılmıştır. Eklemlere binen yük
değerlerinin çömelerek çalışma durumunda daha yüksek olduğu görülmüştür.
Şekil 14. Gövde içerisindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri
Şekil 15 ve Şekil 16'da omuz-kol bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri
karşılaştırılmıştır. Montaj işlemi sırasında, eklemlere binen yük değerleri çömelerek çalışma
durumda daha yüksek çıkmaktadır.
Şekil 15. Omuz-Kol bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon-(Sağ Kol)
Şekil 16 ve Şekil 17'de çömelerek ve ayakta durarak gerçekleştirilen montaj işlemi sırasında,
sol ve sağ bacak bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon kuvvetleri karşılaştırılmıştır.
Eklemlere binen yük değerlerinin çömelerek çalışma durumunda daha yüksek olduğu
görülmüştür.
Şekil 16. Bacak bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon (Sağ Bacak)
Şekil 17. Bacak bölgesindeki bağlantılar için reaksiyon (Sol Bacak)
Şekil 18'de çömelerek ve ayakta durarak gerçekleştirilen montaj işlemi sırasında kas
aktivasyonları karşılaştırıldığında gövde, omuz-kol ve bacak bölgesindeki kas
aktivasyonun ayakta durarak çalışma pozisyonunda çömelerek çalışma pozisyonuna göre
olumlu yönde azalma olduğu görülmektedir.
Şekil 18. Mevcut durum ile önerilen durum için Kas aktivasyon seviyelerinin karşılaştırılması
4. SONUÇLAR
Çalışmada ot toplama tırmığının montaj süreci incelenmiş ve ergonomik açıdan uygun
olmayan çalışma pozisyonları belirlenmiştir. Uygun olmayan çalışma pozisyonlarında
çalışmak zorunda kalan işgörenin zorlandığı görülmüştür. Uygun olmayan çalışma
pozisyonlarını ve işgören üzerindeki zorlanmaları niceliksel olarak tespit etmek için kas-
iskelet sistemi analizleri AnyBody Yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan analiz sonuçlarına
göre kaslardaki ve bedendeki zorlanmaların ve gerilmelerin fazla olduğu görülmüştür.
Ergonomik olmayan bu durumları giderebilmek için öneriler sunulmuş ve işgören üzerinde
oluşan zorlanmaların ve gerilmelerin azaldığını görebilmek amacıyla mevcut durum ile
önerilen durum karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Amaç, işgörenler üzerinde uygun olmayan
çalışma pozisyonları nedeniyle oluşan kas zorlanmalarını azaltmak, böylece hem işgören için
ergonomik bir çalışma ortamı yaratmak hem de işgörenin çalışma performansını artırmaktır.
5. KAYNAKÇA
[1] Güner, B., Hasgül, S., “Montaj İşçilerinde Görülen Fiziksel Rahatsızlıklar ve Risk
Faktörleri Üzerine Bir Çalışma”, 17. Ulusal Ergonomi Kongresi, 14-16 Ekim 2011, Eskişehir.
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Computer-aided_ergonomics, Erişim Tarihi 02.10.2011
[3] Nwaigwe, A.F., “Ergonomics considerations in-it enabled computer-aided design for
discrete manufactured products”, Ph.D Thesis, University of Pittsburgh, (2005).
[4] Chaffin, D.B., “Human motion simulation for vehicle and workplace design”, Human
Factors and Ergonomics in Manufacturing, Vol. 17 (5) 475–484 (2007), Published online in
Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). DOI: 10.1002/hfm.20087, (2007)
[5] Allsteel, S.O. and Allsteel, E.T., Ergonomics and design a reference guide, USA, Allsteel
Inc, (2006).
[6] Damsgaard, M., Tørholm Christensen, S. & Rasmussen, J. (2001), "An efficient numerical
algorithm for solving the muscle recruitment problem in inverse dynamics simulations",
International Society of Biomechanics, XVIIIth Congress, July 8-13, 2001, Zurich,
Switzerland, pp. 3 pp.
[7] Rasmussen, J., Damsgaard, M., Christensen, S.T. and. Surma, E, 2002. “Design
optimization with respect to ergonomic properties”, Struct Multidisc Optim 24, 89–97.
[8] Rasmussen, J., Damsgaard, M., Christensen, S.T., Kiis, A., 2005. “Computer-Aided
Ergonomics - a new chapter in CAE?”, 23rd CADFEM Users’ Meeting, Almanya.
[9] Holmberg, J., Wagenius, P., 2003. “A biomechanical model of a double-poling skier”.
http://www.anybodytech.com/download.html?did=publications.files&fname=holmberg_2003
_a%20biomechanical%20model%20of%20a%20double-poling%20skier.pdf
[10] Nakashima, M., Motegi, Y., 2007. Development of a full-body musculoskeletal simulator
for swimming.
http://www.swum.org/Nakashima&Motegi(2007)Development%20of%20a%20full-
body%20musculoskeletal%20simulator%20for%20swimming.pdf
[11] Wagner, D., Rasmussen, J. & Reed, M. (2007), "Assessing the Importance of Motion
Dynamics for Ergonomic Analysis of Manual Materials Handling Tasks using the AnyBody
Modeling System", SAE Technical Paper 2007-01-2504, vol. SAE Congress: Digital Human
Modeling for Design and Engineering (DHM) (6), pp. Seattle, WA.
[12] Hess, S. (2013), "Modelling and analysis of an impulse stimulated human body by a
hand-guided power tool IPEK Institut für Produktentwicklung (http://www.ipek.kit.edu/)",
Master's Thesis, Karlsruhe Institute of Technology.
[13] Gönen D., Oral A., 2012. Bir Tarım Aleti Montaj Ünitesinin Bilgisayar Destekli
Ergonomik Analizi, 18. Ulusal Ergonomi Kongresi, 16-18 Kasım, Gaziantep.
