郝南海， 鄧春芳

(北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引言

工業(yè)工程是以提高系統(tǒng)效率和效益為目標(biāo)的工程技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)特別是制造業(yè)被廣泛應(yīng)用。近20年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展形成了對(duì)工業(yè)工程專業(yè)人才的旺盛需求，使得國(guó)內(nèi)設(shè)立工業(yè)工程專業(yè)的高等院校不斷增多。如何培養(yǎng)符合用人單位需求的工業(yè)工程專業(yè)人才，早日形成專業(yè)人才培養(yǎng)特色成為各高校工業(yè)工程專業(yè)面臨的重要問(wèn)題［1］。

工業(yè)工程著眼于全系統(tǒng)、全周期，以工程手段合理配置系統(tǒng)各類資源、優(yōu)化流程與方法，涉及多種方法和技術(shù)。對(duì)于工業(yè)工程師而言，掌握方法與技術(shù)是十分必要的，但是工業(yè)工程發(fā)展很快，新的方法不斷創(chuàng)造出來(lái)，因此更重要的是掌握工業(yè)工程本質(zhì)，樹(shù)立工業(yè)工程意識(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用工業(yè)工程考察、分析和解決問(wèn)題的思想方法，才能從研究對(duì)象的實(shí)際情況出發(fā)，選擇適當(dāng)?shù)闹R(shí)和技術(shù)處理問(wèn)題，取得理想的效果，實(shí)現(xiàn)工業(yè)工程的目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生能力及專業(yè)意識(shí)的重要環(huán)節(jié)，從提高工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平入手，通過(guò)開(kāi)發(fā)高水平綜合實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)意識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生綜合分析、解決問(wèn)題及實(shí)際動(dòng)手的能力，是提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑之一［2-5］。

北京信息科技大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)人才培養(yǎng)以面向制造業(yè)為主，專業(yè)課程由機(jī)械工程、工業(yè)工程兩大模塊構(gòu)成。機(jī)械工程模塊包括工程制圖、工程力學(xué)、電工電子技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等課程;工業(yè)工程模塊包括工業(yè)工程基礎(chǔ)、人因工程、生產(chǎn)管理、設(shè)施規(guī)劃與物流工程、質(zhì)量管理、系統(tǒng)仿真等課程，每門(mén)課程都包含一定學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。目前課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要以認(rèn)知性、演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，目的是加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和專業(yè)手法的認(rèn)知與初步掌握，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，僅服務(wù)于具體課程，學(xué)生難以從中領(lǐng)悟到工業(yè)工程專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)性。

針對(duì)我校工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，以提高學(xué)生工業(yè)工程專業(yè)意識(shí)和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力為目標(biāo)，結(jié)合我校工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室設(shè)施情況，開(kāi)發(fā)了工業(yè)工程綜合實(shí)驗(yàn)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，取得了良好的效果。

1 綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及多門(mén)課程所授知識(shí)與多種實(shí)驗(yàn)手段的實(shí)驗(yàn)。”綜合”不僅體現(xiàn)在知識(shí)與手段的綜合，也包含實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的綜合。綜合實(shí)驗(yàn)一般由教師給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求，要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)，是一種探索性實(shí)驗(yàn)，具有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的特征，不但要求學(xué)生綜合多學(xué)科知識(shí)和多種實(shí)驗(yàn)原理來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，還要求學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題。實(shí)踐證明，綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生專業(yè)意識(shí)及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力極為有效［6-11］。

本文所設(shè)計(jì)的工業(yè)工程綜合實(shí)驗(yàn)圍繞游行彩車模型的設(shè)計(jì)、制造、工藝規(guī)劃、裝配線工作設(shè)計(jì)、工作研究、質(zhì)量分析、生產(chǎn)過(guò)程仿真等內(nèi)容進(jìn)行，要求學(xué)生利用給定的材料自己動(dòng)手完成游行彩車的設(shè)計(jì)制作，確定裝配工藝，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室裝配線實(shí)際情況進(jìn)行裝配工位工作設(shè)計(jì)，對(duì)所完成的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量分析與改進(jìn)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化。

此綜合實(shí)驗(yàn)涉及到多門(mén)課程的知識(shí)，包括工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、工業(yè)工程基礎(chǔ)、設(shè)施規(guī)劃、質(zhì)量管理、系統(tǒng)仿真等。學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自主提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)、分析、仿真等手段完成產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到出產(chǎn)全過(guò)程所涉及的各項(xiàng)技術(shù)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)生產(chǎn)制造全過(guò)程優(yōu)化的能力。由局部到整體，由單個(gè)階段到全過(guò)程，由照著做到自主決定如何做，綜合實(shí)驗(yàn)無(wú)論是深度還是廣度都明顯優(yōu)于單門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)。

2 綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

選擇游行彩車模型為產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)室提供所需原材料與工具，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備情況制定具體方案并完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.1 產(chǎn)品基本要求

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備情況，考慮到實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)額度及實(shí)驗(yàn)工作量，對(duì)游行彩車模型產(chǎn)品提出以下要求:①彩車模型具有自動(dòng)行走、發(fā)聲、發(fā)光功能，配旋轉(zhuǎn)臺(tái);②彩車模型外形尺寸不大于200 mm×200 mm×200 mm，適合在裝配線上傳送;③彩車全部零部件數(shù)量在30～50之間，裝配時(shí)各個(gè)基本裝配工序的時(shí)間應(yīng)有一定差別，以便于進(jìn)行生產(chǎn)線負(fù)荷平衡;④使用一般工具即可進(jìn)行裝配;⑤ 具有可檢測(cè)性，用以檢測(cè)裝配質(zhì)量;⑥原材料容易得到，成本低廉。以淘寶網(wǎng)報(bào)價(jià)為依據(jù)，單件價(jià)格不超過(guò)60元。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與工具

(1)差速輸送流水線，14個(gè)工位，人員采取坐姿作業(yè);

(2)手動(dòng)剪板機(jī);

(3)立式臺(tái)鉆;

(4)改錐、鑷子、鉗子、扳手、電烙鐵、剪刀、鋼鋸等手動(dòng)工具;

(5)秒表、攝像機(jī)、AUTOCAD軟件、達(dá)寶易動(dòng)作分析軟件、Flexsim仿真軟件。

2.3 實(shí)驗(yàn)原材料

彩車模型制作材料均可從淘寶網(wǎng)上購(gòu)得并以此計(jì)算價(jià)格，包括鋁板(200 mm×200 mm×1 mm)、角形鋁條(10 mm×10 mm×1 mm)、鋼棒(直徑1 mm)、玩具車輪、玩具電機(jī)、塑料齒輪、蜂鳴器、發(fā)光二極管、電池盒、導(dǎo)線、線束捆扎帶、集線塊、開(kāi)關(guān)、螺絲螺母、光伏太陽(yáng)能板等。

2.4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件，利用所提供的材料，設(shè)計(jì)出符合產(chǎn)品基本要求的游行彩車模型，并繪制符合工程標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖。

考慮到學(xué)生缺乏產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提供一種產(chǎn)品實(shí)物供學(xué)生參考(圖1)。該彩車模型為盒形結(jié)構(gòu)，由鋁板與角鋁經(jīng)螺栓連接構(gòu)成。底部連接角鋁，角鋁立面鉆孔，置入車軸，電機(jī)通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳遞至車輪，驅(qū)動(dòng)彩車模型行走。蜂鳴器、發(fā)光二極管安裝于車廂側(cè)板上，由開(kāi)關(guān)控制其啟閉，使用2節(jié)5號(hào)電池向電機(jī)、蜂鳴器、二極管供電。車頂安裝太陽(yáng)能板與轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)由單獨(dú)設(shè)置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以太陽(yáng)能板供電。

圖1 游行彩車模型

游行彩車模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)由鋁板與角鋁構(gòu)成，材料易得。通過(guò)簡(jiǎn)單的裁切、鉆孔即可進(jìn)行組裝，學(xué)生容易上手，安全性高。彩車模型無(wú)固定結(jié)構(gòu)與裝飾限制，自由設(shè)計(jì)空間大。

所提供的彩車模型實(shí)物僅供學(xué)生參考，要求學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造力，獨(dú)立設(shè)計(jì)出具有新意的產(chǎn)品。

2.5 產(chǎn)品制作

要求學(xué)生按所設(shè)計(jì)的圖紙完成彩車模型制作，零件加工包括裁板、截條、鉆孔等基本工序，裝配包括焊接、粘接、螺絲連接、調(diào)整定位等過(guò)程，所完成的彩車模型各項(xiàng)聲、光、電及運(yùn)動(dòng)行走功能應(yīng)可正常運(yùn)行，符合技術(shù)要求。

2.6 產(chǎn)品物料表與緊前關(guān)系確定

從裝配關(guān)系的角度描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，建立產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)，生成BOM(Bill of Materials)表。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品反復(fù)拆裝，描述各個(gè)裝配作業(yè)任務(wù)以及作業(yè)任務(wù)之間的緊前關(guān)系。

2.7 動(dòng) 作

動(dòng)作研究的目的是分析裝配過(guò)程中每一個(gè)基本動(dòng)作的合理性，把不必要的動(dòng)作去除，把有必要的動(dòng)作變?yōu)榧扔行剩植灰灼诘淖罱?jīng)濟(jì)性動(dòng)作［12］。

使用5W1H和ECRS方法，詳細(xì)分析裝配過(guò)程中每一個(gè)步驟和每一個(gè)動(dòng)作是否必要，順序是否合理，哪些可以去掉，哪些需要改變。

2.8 工序標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)定

對(duì)每一個(gè)裝配任務(wù)確定合理的作業(yè)時(shí)間。使用攝像機(jī)或秒表配合達(dá)寶易軟件進(jìn)行記錄分析，一般經(jīng)多人多次測(cè)量取平均值以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。作業(yè)時(shí)間加上寬裕時(shí)間得出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。寬裕時(shí)間應(yīng)考慮人的生理和心理需求、疲勞等因素，寬裕率一般取10% ～20%。

2.9 裝配線工位設(shè)計(jì)

根據(jù)給定的單班產(chǎn)量及工作時(shí)間，計(jì)算生產(chǎn)線節(jié)拍及最小工位數(shù)目。

生產(chǎn)線節(jié)拍=單班工作時(shí)間/單班產(chǎn)量

最小工位數(shù)=總作業(yè)時(shí)間/生產(chǎn)線節(jié)拍［13］

使用列舉法進(jìn)行各工位工作內(nèi)容設(shè)計(jì)，基本步驟為:①取工位1為當(dāng)前工位;② 根據(jù)緊前關(guān)系約束列出可選作業(yè)范圍;③在可選作業(yè)中按照一定規(guī)則找出待選作業(yè);④將待選作業(yè)的時(shí)間與當(dāng)前工位已有作業(yè)時(shí)間累加，若不超出節(jié)拍時(shí)間則將該作業(yè)放入當(dāng)前工位，若超出節(jié)拍時(shí)間則返回步驟③重新選擇待選作業(yè)，遍歷全部可選作業(yè)后，增加1個(gè)新工位并設(shè)為當(dāng)前工位;⑤返回步驟②，直至全部作業(yè)分配完畢。

2.10 裝配線平衡分析與改進(jìn)

計(jì)算裝配線的效率，

裝配線效率=總作業(yè)時(shí)間/(工位數(shù)×生產(chǎn)線節(jié)拍)

找出影響裝配線效率的關(guān)鍵作業(yè)任務(wù)，研究將其進(jìn)一步改進(jìn)的方法，重新進(jìn)行工位設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化的節(jié)拍時(shí)間與裝配線效率。

2.11 質(zhì)量分析與改進(jìn)

由多人合作完成產(chǎn)品組裝，每人負(fù)責(zé)1個(gè)工位的作業(yè)內(nèi)容，重復(fù)10次以上。對(duì)每次裝配完成的產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測(cè)，查找質(zhì)量問(wèn)題。以5M1E分析法分析原因，繪制質(zhì)量問(wèn)題分析魚(yú)骨圖，提出改進(jìn)建議［14］。

2.12 生產(chǎn)過(guò)程仿真分析

使用Flexsim軟件對(duì)整個(gè)裝配過(guò)程進(jìn)行仿真分析，各工位作業(yè)時(shí)間取以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為均值的正態(tài)分布，設(shè)定部分設(shè)備故障、原料短缺類事件，分析生產(chǎn)線效率并與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比［15］。

2.13 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告包含以下內(nèi)容:① 產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)說(shuō)明;②產(chǎn)品加工工藝說(shuō)明;③ 裝配流程與緊前關(guān)系圖;④標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)確定;⑤裝配線工位設(shè)計(jì)方案;⑥ 裝配線效率分析與改進(jìn);⑦裝配質(zhì)量分析及改進(jìn);⑧ 裝配過(guò)程仿真分析;⑨ 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及建議;⑩ 組員分工情況說(shuō)明。

3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果

工業(yè)工程綜合實(shí)驗(yàn)安排在大四第一學(xué)期，學(xué)生5人為一個(gè)小組，采用開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行。經(jīng)過(guò)2屆學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)，取得了較為滿意的效果。學(xué)生對(duì)這種真刀真槍式的實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，積極性高，所得到的收獲表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)工業(yè)工程專業(yè)全流程、全周期特性的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)、制造、分析、改進(jìn)與評(píng)估相互關(guān)聯(lián)、相互影響，只有著眼于全局、全過(guò)程的優(yōu)化才有實(shí)際意義。

(2)加深了對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的理解，提高了動(dòng)手能力。每一個(gè)環(huán)節(jié)都需給出方案并實(shí)際動(dòng)手完成，對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)有了興趣，對(duì)各種常用專業(yè)手法的掌握也更加熟練。

(3)增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。親手將一個(gè)創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品并完成生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)，使學(xué)生感受到工業(yè)工程專業(yè)的全面性與實(shí)用性。盡管彩車模型的結(jié)構(gòu)、功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但原理與方法可推廣應(yīng)用于其他實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，成為一名合格的工業(yè)工程師不再是遙不可及的事情了。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在富有創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)中發(fā)揮其創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力，完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)出的全過(guò)程工程實(shí)踐，加深了學(xué)生對(duì)工業(yè)工程專業(yè)全系統(tǒng)、全過(guò)程屬性的理解，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，取得了滿意的效果。

在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)后，開(kāi)設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)，無(wú)疑為工業(yè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)增添了新思路、新內(nèi)容，形成了更加完整、更加合理的工業(yè)工程實(shí)踐教學(xué)體系，完善了從理論教學(xué)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)聯(lián)系。

開(kāi)發(fā)高水平綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手能力、協(xié)同合作能力、分析和解決問(wèn)題能力、創(chuàng)新能力等全面素質(zhì)的培養(yǎng)，對(duì)于正處于快速發(fā)展期的我國(guó)工業(yè)工程專業(yè)人才培養(yǎng)至關(guān)重要。2年來(lái)的實(shí)踐使我們深深地體會(huì)到，綜合實(shí)驗(yàn)十分有利于學(xué)生自學(xué)能力、分析和解決問(wèn)題能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，具有良好的發(fā)展前景。

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