工業工程專業實驗教學模型設計與應用

許 彥，王 鵬，田維通

(天津理工大學 管理學院，天津 300384)

目前工程實踐教學模式基本上沿襲原有金工實習的傳統，訓練仍然以各工種獨立訓練的方式進行，教學模型也基本上圍繞著各自工種的工藝知識進行研究與制作。由教學模型引導、啟發學生進行工程實踐訓練，可以使學生更深入地學習各工種的工藝知識。但是，當需要綜合運用多工種的工藝知識解決復雜零件的加工問題時，學生感覺有一定困難[1]。

近十幾年來，以機械工業協會為依托，各高校定期輪流主持召開“IE&EM”國際會議，為高校教師提供了解企業實況、工程實踐、實驗室革新的平臺，而大學和高職院校的學生很難有這樣的機會，加之不能長期在生產現場調研與實踐，學生綜合運用知識解決復雜問題的能力有所欠缺，有的高校利用實驗教學彌補這方面的不足。經長期努力，高校實驗室已經開發了減速機、四驅車、聯合模型、木制原子筆、支流繼電器開關及其組裝零件等教學模型，起到一定效果。但各院校實驗設備、師資隊伍等條件不盡相同，一味地套用其他院校正在運行的模擬實驗教學模式和已有的教學模型，不能滿足自身實驗教學的需求。因此結合各院校工業工程專業實驗課程教學實際情況，設計適用的教學模型和開發系列實驗，必將提高教學效果和增加學生對專業知識的掌握程度。

1 工業工程專業教學模型的界定與特征分析

教學模型的設計模式一般有2類：多媒體類型和實物類型。在機械制圖課程中多媒體教學模式越來越受到重視，例如河北農業大學林學院，開發木工機械與刀具教學模型，利用機構建模軟件及計算機仿真分析軟件制作形象逼真的實體模型[2]；另一類是綜合性實物教學模型的設計，適用于工業工程專業需要工程背景與管理手段相結合的需求，例如哈爾濱工程大學，結合本校教學條件與教學特點，選擇制作了反映典型零件機械加工工藝過程的“綜合性教學模型”[3]。另外，在一些高職和中專學校，也開發了如AMT型、DSG型汽車變速器教學模型。汽車變速器結構緊湊、零件多，組裝后難于觀察，并且型號多，不同廠家的產品結構差異明顯，但變速器基本原理大致是相同的，針對以上特點開發的教學模型，實踐性強且各具特色。

1.1 綜合性教學模型

目前，工程實踐教學在現有教學條件、教學計劃、教學安排3方面，都還不能達到工廠的實際要求，需要借助各種教學模型展開模擬實驗。與綜合性教學模型相對應的是簡單教學模型，如機械制圖用教學模型，包括圓柱體、錐體、長方體、軸和臺等基本體模型[4]。機械零件加工工藝特點分為6類，即軸類、盤套類、支架箱體類、六面體類、機座機身和特殊類。

綜合性教學模型結構復雜，涉及多種機械基本體的組合，以它為對象既能將“冷加工”各工種聯系起來，也能將“熱加工”和“冷加工”聯系起來。綜合性教學模型的制作要以一些真實的零件為基礎，可以給學生一個實際生產的感受，通過對綜合性教學模型的講解和演示，能夠達到較好的教學效果。設計綜合性教學模型，需要結合實驗室現有的模型基礎和專業實驗大綱的訓練要求，設計出典型的機械結構，適合工業工程專業學生的學習和訓練。

對于已經在大學一年級參加了“金工實習”工程實踐訓練的大學二年級的學生來說，由于對工程的認識和了解比較少，因此不能選擇結構復雜、加工工藝比較多的零件，考慮到軸類、盤套類零件的加工工藝過程相對比較簡單，容易理解，而且這2類零件的加工工藝過程包括“熱加工”、“冷加工”，涉及的工種較少，相對獨立，學生通過對這2類零件加工工藝過程的了解和認知，既能夠大體上了解一個零件的加工全過程，又容易接受，所以在大學一、二年級主要采用簡單教學模型。這一階段為其后應用綜合性教學模型做了一定鋪墊。學生進入大學三年級，在深入學習了“生產與運作管理”課程，掌握了工藝過程、設施布置、MRP物料需求計劃原理與相關計算方法，進入綜合性教學模型設計及系列實驗比較合適。學院已經根據需要選擇了千斤頂、法拉第發動機、火車車輪、刨床機構、手鎖(手臂顫抖患者用具設計模型)等作為工程實踐的綜合性教學模型。

1.2 教學模型生產計劃研究

教學模型滿足高校工業工程專業對培養學生工程實踐能力的需要，面向不同高校工業工程專業個性化的訂戶需求，在生產計劃編制中具有個性化定制產品計劃編制的特性。王海軍、馬士華等嘗試建立供應鏈的大量定制生產計劃原型系統[5]，完成了大量定制產品模式下的BOM設計、訂單處理和分層的生產計劃編制工作，形成基于供應鏈面向大量定制產品的軟件，包括需求管理、生產計劃與控制、物流管理等子系統，研究成果具有一定的借鑒意義。

2 教學模型的應用

2.1 基于產品結構文件的應用

教學模型是針對工業工程專業存在的，已有的教學模型結構簡單，無法向學生及時準確地展示實物的缺陷，同時，在工業工程師的培養過程中因為缺乏操作的對象，也常使知識流于書本。選擇結構復雜、加工工藝比較多的零件作為研究對象，完成產品圖紙的設計(包括結構和尺寸)和零件加工工藝的設計，這些內容基本上涵蓋了目前工業工程中常見的理論知識，是工業工程專業人員必不可少的理論知識和操作技能的綜合訓練，極大地提升工業工程學生對產品結構和制造工藝的理解和掌握。

根據教學模型進行產品結構文件(BOM)的設計、編制物料編碼、繪制物料清單、進行工藝路線的設置，完成物料清單與工藝路線數據庫的編制、輸入與維護工作。設置主生產計劃的時柵，根據個性化定制的教學模型訂單數據和庫存數據，編制主生產計劃并進行能力平衡，輸出主生產計劃，按照要求采用實時、交互式的界面回答下列問題：生產什么，生產多少，排序原則，何時采購原材料，何時生產，何時裝配等。程序最終輸出物料需求計劃、能力需求計劃和生產工序計劃。綜合性教學模型的設計和完成，對于工業工程專業的教育培訓起到了極大推動作用。模型在天津理工大學管理學院使用，投入到學院的實驗教學中，完成了150人次的實驗，提供給學生與專業教師交流的平臺，可以在集中的一段時間內讓學生和專業教師進行教學模型拆裝、測量裝配時間、裝配線平衡的設計，共同解決所遇到問題，取得事半功倍的效果。

2.2 基于工藝過程的應用

以千斤頂教學模型為例，學生依照圖紙簡化千斤頂結構，制作簡單的教學模型，實驗時學生將制作好的教學模型進行拆解。根據零件的尺寸和材質，模擬出加工工藝。教師可以結合零件加工工藝過程，再結合模型的組件部分進行分解，單獨處理各個零件，加深了學生對相關工種工藝知識的學習，了解不同工種加工方法在整個零件加工過程中的作用。通過對一個模型整個加工過程、裝配過程的介紹，使學生認識到各個階段訓練的用途以及它們之間的相互關系，靈活選擇不同加工工藝，并加以實驗與驗證，從而將整個工程實踐訓練聯系了起來[5]。如果學生嚴格按照以上過程去學習和訓練，工程實踐訓練的教學效果將會得到進一步提高。在學生把全部階段都完成之后，將會對整個訓練內容有全面認識，在學生的頭腦中建立起系統工程概念，提高工業工程理論與方法的綜合應用能力。

零件機械加工工藝的主要內容包括對零件進行工藝分析、毛坯的選擇、加工余量的確定、加工階段的劃分、定位基準的選擇、機床和工藝裝備的選擇、各工序加工余量的分配和工藝文件的編制。

加工余量原則分為3方面：

(1) 毛坯加工余量，按照手工造型、自由鍛件、圓鋼棒件3種毛坯類型對應具體尺寸，以毛坯尺寸分別取區間的最大值和最小值；

(2) 工序余量，以工序為基準進行分類，如半精車余量為0.8～1.5 mm、高速精車余量為0.4～0.5 mm、低速精車余量為0.1～0.3 mm、磨削余量為0.15～0.25 mm；

(3) 單件小批量教學模型生產的切削用量和工時定額，一般按照尺寸以經驗估計確定[6]。

2.3 基于生產計劃軟件的開發應用

由于教學模型結構不同，數量相對較少，編制小批量、多品種教學模型的生產計劃，類似大規模定制產品的計劃編制過程。生產計劃編制系統包括圖紙、工藝路線、加工時間、裝配時間，客戶訂單子系統的增加、刪除、查詢、修改等4項功能，以及物料計劃處理模塊、交互模塊。物料計劃處理模塊根據產品結構文件的比例和提前期，倒推加工和裝配時間，其中計劃時柵以工作日為單位，模擬企業進行一班制生產。假設設備生產能力為額定值，其中，零件加工順序、排序原則(緊前方式、任意方式、緊后方式)需要調度者在交互模塊完成。軟件編制關鍵在于粗、細能力平衡的實現[6]。由于教學模型具有個性定制的特點，產品都是試制階段，各層級零部件只涉及到生產提前期，不存在采購提前期，因此對于庫存的要求較之傳統MRP(物料需求計劃)有很大不同，相關產品與零部件均為零庫存，相關結果如圖1、圖2所示。

圖1 教學模型圖紙維護界面

圖2 數據庫錄入界面

完成計劃編制以后，進一步完成教學模型生產現場與裝配流水線的組織設計。確定流水線方案，涉及到生產車間與裝配線部門與人員配置問題，成為工業工程實現系統整體優化、提高系統整體效益的關鍵環節。學生按照訂單數量、品種和工藝過程，模擬生產現場初始布局，填寫從制表、計算成本費用值，采用啟發式算法調整原方案，改善模擬車間現場布局，使學生更多地了解生產現場基礎布局、操作測量方法、工作場所組織原則、生產線布局與改善定量方法、物流動線分析工具，提高學生生產現場管理能力。

另外，手鎖教學模型的設計，主要針對板材行業手工作業者，如砂光與油漆環節、板材熱壓成型環節需要使用工業溶劑，工人長期接觸低濃度甲醛和苯，可能會引起慢性中毒，損害神經和造血系統，罹患雷諾綜合癥，又稱為肢端動脈痙攣癥，于1862年由學者雷諾首先提出，是由于支配周圍血管的交感神經功能紊亂引起的肢端小動脈痙攣性疾病，表現為手或足部一系列皮膚顏色改變的綜合癥。手鎖為罹患雷諾氏現象病患使用的輔助進食工具，有一定的實用價值。

3 結束語

根據工程實踐的教學目標、教學條件和教學特點，設計制作了綜合性教學模型，展開BOM(bill of material)及模擬工藝過程，使學生把在各工種學到的工藝知識串聯起來，有利于學生認識和理解零件工藝知識，從而達到良好的教學效果[7-12]。綜合性教學模型在工程實踐教學中的應用，可以激發學生的學習和訓練熱情，提高學生學習和訓練的積極性。開發教學模型有助于提高工業工程專業“生產與運作管理”、“基礎工業工程”、“設施布置與規劃”課程的教學效果，是工業工程應用型人才培養模式的新嘗試。

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[6] 胡建德.機械工程訓練[M].杭州：浙江大學出版社，2007.

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[11] 苗雨君.ERP沙盤模擬教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

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