工业工程综合实验的构建和成效

郝南海， 邓春芳

(北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192)

0 引言

工业工程是以提高系统效率和效益为目标的工程技术，在国民经济各行业特别是制造业被广泛应用。近20年来，我国社会经济的快速发展形成了对工业工程专业人才的旺盛需求，使得国内设立工业工程专业的高等院校不断增多。如何培养符合用人单位需求的工业工程专业人才，早日形成专业人才培养特色成为各高校工业工程专业面临的重要问题［1］。

工业工程着眼于全系统、全周期，以工程手段合理配置系统各类资源、优化流程与方法，涉及多种方法和技术。对于工业工程师而言，掌握方法与技术是十分必要的，但是工业工程发展很快，新的方法不断创造出来，因此更重要的是掌握工业工程本质，树立工业工程意识，学会运用工业工程考察、分析和解决问题的思想方法，才能从研究对象的实际情况出发，选择适当的知识和技术处理问题，取得理想的效果，实现工业工程的目标。

实验教学是培养学生能力及专业意识的重要环节，从提高工业工程专业实验教学水平入手，通过开发高水平综合实验，培养学生专业意识，强化学生综合分析、解决问题及实际动手的能力，是提高专业人才培养质量的有效途径之一［2-5］。

北京信息科技大学工业工程专业人才培养以面向制造业为主，专业课程由机械工程、工业工程两大模块构成。机械工程模块包括工程制图、工程力学、电工电子技术、机械设计、机械制造等课程;工业工程模块包括工业工程基础、人因工程、生产管理、设施规划与物流工程、质量管理、系统仿真等课程，每门课程都包含一定学时的课内实验。目前课内实验主要以认知性、演示性和验证性实验为主，目的是加深对所学理论知识的理解和专业手法的认知与初步掌握，各项实验内容相对独立，仅服务于具体课程，学生难以从中领悟到工业工程专业知识的系统性。

针对我校工业工程专业实验教学环节存在的问题，以提高学生工业工程专业意识和综合运用所学知识解决实际问题能力为目标，结合我校工业工程实验室设施情况，开发了工业工程综合实验，经实际运行，取得了良好的效果。

1 综合实验设计

综合实验是指实验内容涉及多门课程所授知识与多种实验手段的实验。”综合”不仅体现在知识与手段的综合，也包含实验性质的综合。综合实验一般由教师给定实验目的与要求，要求学生自行设计实验方案并加以实现，是一种探索性实验，具有设计性实验的特征，不但要求学生综合多学科知识和多种实验原理来设计实验方案，还要求学生能运用所学知识去发现、分析和解决问题。实践证明，综合实验对提高学生专业意识及综合运用所学知识解决问题的能力极为有效［6-11］。

本文所设计的工业工程综合实验围绕游行彩车模型的设计、制造、工艺规划、装配线工作设计、工作研究、质量分析、生产过程仿真等内容进行，要求学生利用给定的材料自己动手完成游行彩车的设计制作，确定装配工艺，根据实验室装配线实际情况进行装配工位工作设计，对所完成的产品进行质量分析与改进，对生产过程进行仿真分析与优化。

此综合实验涉及到多门课程的知识，包括工程制图、机械设计、机械制造、工业工程基础、设施规划、质量管理、系统仿真等。学生需要根据实验要求自主提出产品设计方案，综合运用设计、分析、仿真等手段完成产品从设计到出产全过程所涉及的各项技术任务，培养学生对生产制造全过程优化的能力。由局部到整体，由单个阶段到全过程，由照着做到自主决定如何做，综合实验无论是深度还是广度都明显优于单门课程的实验。

2 综合实验内容

选择游行彩车模型为产品，实验室提供所需原材料与工具，要求学生根据实验室现有设备情况制定具体方案并完成实验内容。

2.1 产品基本要求

根据实验室现有设备情况，考虑到实验经费额度及实验工作量，对游行彩车模型产品提出以下要求:①彩车模型具有自动行走、发声、发光功能，配旋转台;②彩车模型外形尺寸不大于200 mm×200 mm×200 mm，适合在装配线上传送;③彩车全部零部件数量在30～50之间，装配时各个基本装配工序的时间应有一定差别，以便于进行生产线负荷平衡;④使用一般工具即可进行装配;⑤ 具有可检测性，用以检测装配质量;⑥原材料容易得到，成本低廉。以淘宝网报价为依据，单件价格不超过60元。

2.2 实验设备与工具

(1)差速输送流水线，14个工位，人员采取坐姿作业;

(2)手动剪板机;

(3)立式台钻;

(4)改锥、镊子、钳子、扳手、电烙铁、剪刀、钢锯等手动工具;

(5)秒表、摄像机、AUTOCAD软件、达宝易动作分析软件、Flexsim仿真软件。

2.3 实验原材料

彩车模型制作材料均可从淘宝网上购得并以此计算价格，包括铝板(200 mm×200 mm×1 mm)、角形铝条(10 mm×10 mm×1 mm)、钢棒(直径1 mm)、玩具车轮、玩具电机、塑料齿轮、蜂鸣器、发光二极管、电池盒、导线、线束捆扎带、集线块、开关、螺丝螺母、光伏太阳能板等。

2.4 产品设计

要求学生根据实验室设备条件，利用所提供的材料，设计出符合产品基本要求的游行彩车模型，并绘制符合工程标准的产品设计图。

考虑到学生缺乏产品设计经验，提供一种产品实物供学生参考(图1)。该彩车模型为盒形结构，由铝板与角铝经螺栓连接构成。底部连接角铝，角铝立面钻孔，置入车轴，电机通过齿轮将动力传递至车轮，驱动彩车模型行走。蜂鸣器、发光二极管安装于车厢侧板上，由开关控制其启闭，使用2节5号电池向电机、蜂鸣器、二极管供电。车顶安装太阳能板与转台，转台由单独设置的电机驱动，以太阳能板供电。

图1 游行彩车模型

游行彩车模型结构比较简单，结构由铝板与角铝构成，材料易得。通过简单的裁切、钻孔即可进行组装，学生容易上手，安全性高。彩车模型无固定结构与装饰限制，自由设计空间大。

所提供的彩车模型实物仅供学生参考，要求学生充分发挥创造力，独立设计出具有新意的产品。

2.5 产品制作

要求学生按所设计的图纸完成彩车模型制作，零件加工包括裁板、截条、钻孔等基本工序，装配包括焊接、粘接、螺丝连接、调整定位等过程，所完成的彩车模型各项声、光、电及运动行走功能应可正常运行，符合技术要求。

2.6 产品物料表与紧前关系确定

从装配关系的角度描述产品结构，建立产品的装配结构树，生成BOM(Bill of Materials)表。通过对产品反复拆装，描述各个装配作业任务以及作业任务之间的紧前关系。

2.7 动 作

动作研究的目的是分析装配过程中每一个基本动作的合理性，把不必要的动作去除，把有必要的动作变为既有效率，又不易疲劳的最经济性动作［12］。

使用5W1H和ECRS方法，详细分析装配过程中每一个步骤和每一个动作是否必要，顺序是否合理，哪些可以去掉，哪些需要改变。

2.8 工序标准时间测定

对每一个装配任务确定合理的作业时间。使用摄像机或秒表配合达宝易软件进行记录分析，一般经多人多次测量取平均值以确保数据准确。作业时间加上宽裕时间得出标准时间。宽裕时间应考虑人的生理和心理需求、疲劳等因素，宽裕率一般取10% ～20%。

2.9 装配线工位设计

根据给定的单班产量及工作时间，计算生产线节拍及最小工位数目。

生产线节拍=单班工作时间/单班产量

最小工位数=总作业时间/生产线节拍［13］

使用列举法进行各工位工作内容设计，基本步骤为:①取工位1为当前工位;② 根据紧前关系约束列出可选作业范围;③在可选作业中按照一定规则找出待选作业;④将待选作业的时间与当前工位已有作业时间累加，若不超出节拍时间则将该作业放入当前工位，若超出节拍时间则返回步骤③重新选择待选作业，遍历全部可选作业后，增加1个新工位并设为当前工位;⑤返回步骤②，直至全部作业分配完毕。

2.10 装配线平衡分析与改进

计算装配线的效率，

装配线效率=总作业时间/(工位数×生产线节拍)

找出影响装配线效率的关键作业任务，研究将其进一步改进的方法，重新进行工位设计，得到优化的节拍时间与装配线效率。

2.11 质量分析与改进

由多人合作完成产品组装，每人负责1个工位的作业内容，重复10次以上。对每次装配完成的产品进行性能检测，查找质量问题。以5M1E分析法分析原因，绘制质量问题分析鱼骨图，提出改进建议［14］。

2.12 生产过程仿真分析

使用Flexsim软件对整个装配过程进行仿真分析，各工位作业时间取以标准时间为均值的正态分布，设定部分设备故障、原料短缺类事件，分析生产线效率并与设计结果进行对比［15］。

2.13 实验报告

实验报告包含以下内容:① 产品方案设计说明;②产品加工工艺说明;③ 装配流程与紧前关系图;④标准工时确定;⑤装配线工位设计方案;⑥ 装配线效率分析与改进;⑦装配质量分析及改进;⑧ 装配过程仿真分析;⑨ 实验总结及建议;⑩ 组员分工情况说明。

3 实验运行效果

工业工程综合实验安排在大四第一学期，学生5人为一个小组，采用开放性实验方式进行。经过2届学生实际实验，取得了较为满意的效果。学生对这种真刀真枪式的实验兴趣浓厚，积极性高，所得到的收获表现在以下几方面:

(1)强化了学生对工业工程专业全流程、全周期特性的认识。设计、制造、分析、改进与评估相互关联、相互影响，只有着眼于全局、全过程的优化才有实际意义。

(2)加深了对学生所学知识的理解，提高了动手能力。每一个环节都需给出方案并实际动手完成，对理论知识的学习有了兴趣，对各种常用专业手法的掌握也更加熟练。

(3)增强了学生的自信心。亲手将一个创意转化为产品并完成生产流程设计，使学生感受到工业工程专业的全面性与实用性。尽管彩车模型的结构、功能相对简单，但原理与方法可推广应用于其他实际工业产品的生产，成为一名合格的工业工程师不再是遥不可及的事情了。

4 结语

通过综合实验，让学生在富有创造性的学习中发挥其创新意识、创新能力，完成从产品设计到产出的全过程工程实践，加深了学生对工业工程专业全系统、全过程属性的理解，激发了学生自主学习的热情，取得了满意的效果。

在完成基础实验后，开设综合实验，无疑为工业工程专业实验教学增添了新思路、新内容，形成了更加完整、更加合理的工业工程实践教学体系，完善了从理论教学到实验教学的有机联系。

开发高水平综合性专业实验内容，对学生进行实际动手能力、协同合作能力、分析和解决问题能力、创新能力等全面素质的培养，对于正处于快速发展期的我国工业工程专业人才培养至关重要。2年来的实践使我们深深地体会到，综合实验十分有利于学生自学能力、分析和解决问题能力以及创新能力的培养，具有良好的发展前景。

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