工業工程綜合實驗的構建和成效

郝南海， 鄧春芳

(北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192)

0 引言

工業工程是以提高系統效率和效益為目標的工程技術，在國民經濟各行業特別是制造業被廣泛應用。近20年來，我國社會經濟的快速發展形成了對工業工程專業人才的旺盛需求，使得國內設立工業工程專業的高等院校不斷增多。如何培養符合用人單位需求的工業工程專業人才，早日形成專業人才培養特色成為各高校工業工程專業面臨的重要問題［1］。

工業工程著眼于全系統、全周期，以工程手段合理配置系統各類資源、優化流程與方法，涉及多種方法和技術。對于工業工程師而言，掌握方法與技術是十分必要的，但是工業工程發展很快，新的方法不斷創造出來，因此更重要的是掌握工業工程本質，樹立工業工程意識，學會運用工業工程考察、分析和解決問題的思想方法，才能從研究對象的實際情況出發，選擇適當的知識和技術處理問題，取得理想的效果，實現工業工程的目標。

實驗教學是培養學生能力及專業意識的重要環節，從提高工業工程專業實驗教學水平入手，通過開發高水平綜合實驗，培養學生專業意識，強化學生綜合分析、解決問題及實際動手的能力，是提高專業人才培養質量的有效途徑之一［2-5］。

北京信息科技大學工業工程專業人才培養以面向制造業為主，專業課程由機械工程、工業工程兩大模塊構成。機械工程模塊包括工程制圖、工程力學、電工電子技術、機械設計、機械制造等課程;工業工程模塊包括工業工程基礎、人因工程、生產管理、設施規劃與物流工程、質量管理、系統仿真等課程，每門課程都包含一定學時的課內實驗。目前課內實驗主要以認知性、演示性和驗證性實驗為主，目的是加深對所學理論知識的理解和專業手法的認知與初步掌握，各項實驗內容相對獨立，僅服務于具體課程，學生難以從中領悟到工業工程專業知識的系統性。

針對我校工業工程專業實驗教學環節存在的問題，以提高學生工業工程專業意識和綜合運用所學知識解決實際問題能力為目標，結合我校工業工程實驗室設施情況，開發了工業工程綜合實驗，經實際運行，取得了良好的效果。

1 綜合實驗設計

綜合實驗是指實驗內容涉及多門課程所授知識與多種實驗手段的實驗?！本C合”不僅體現在知識與手段的綜合，也包含實驗性質的綜合。綜合實驗一般由教師給定實驗目的與要求，要求學生自行設計實驗方案并加以實現，是一種探索性實驗，具有設計性實驗的特征，不但要求學生綜合多學科知識和多種實驗原理來設計實驗方案，還要求學生能運用所學知識去發現、分析和解決問題。實踐證明，綜合實驗對提高學生專業意識及綜合運用所學知識解決問題的能力極為有效［6-11］。

本文所設計的工業工程綜合實驗圍繞游行彩車模型的設計、制造、工藝規劃、裝配線工作設計、工作研究、質量分析、生產過程仿真等內容進行，要求學生利用給定的材料自己動手完成游行彩車的設計制作，確定裝配工藝，根據實驗室裝配線實際情況進行裝配工位工作設計，對所完成的產品進行質量分析與改進，對生產過程進行仿真分析與優化。

此綜合實驗涉及到多門課程的知識，包括工程制圖、機械設計、機械制造、工業工程基礎、設施規劃、質量管理、系統仿真等。學生需要根據實驗要求自主提出產品設計方案，綜合運用設計、分析、仿真等手段完成產品從設計到出產全過程所涉及的各項技術任務，培養學生對生產制造全過程優化的能力。由局部到整體，由單個階段到全過程，由照著做到自主決定如何做，綜合實驗無論是深度還是廣度都明顯優于單門課程的實驗。

2 綜合實驗內容

選擇游行彩車模型為產品，實驗室提供所需原材料與工具，要求學生根據實驗室現有設備情況制定具體方案并完成實驗內容。

2.1 產品基本要求

根據實驗室現有設備情況，考慮到實驗經費額度及實驗工作量，對游行彩車模型產品提出以下要求:①彩車模型具有自動行走、發聲、發光功能，配旋轉臺;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彩車全部零部件數量在30～50之間，裝配時各個基本裝配工序的時間應有一定差別，以便于進行生產線負荷平衡;④使用一般工具即可進行裝配;⑤ 具有可檢測性，用以檢測裝配質量;⑥原材料容易得到，成本低廉。以淘寶網報價為依據，單件價格不超過60元。

2.2 實驗設備與工具

(1)差速輸送流水線，14個工位，人員采取坐姿作業;

(2)手動剪板機;

(3)立式臺鉆;

(4)改錐、鑷子、鉗子、扳手、電烙鐵、剪刀、鋼鋸等手動工具;

(5)秒表、攝像機、AUTOCAD軟件、達寶易動作分析軟件、Flexsim仿真軟件。

2.3 實驗原材料

彩車模型制作材料均可從淘寶網上購得并以此計算價格，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、塑料齒輪、蜂鳴器、發光二極管、電池盒、導線、線束捆扎帶、集線塊、開關、螺絲螺母、光伏太陽能板等。

2.4 產品設計

要求學生根據實驗室設備條件，利用所提供的材料，設計出符合產品基本要求的游行彩車模型，并繪制符合工程標準的產品設計圖。

考慮到學生缺乏產品設計經驗，提供一種產品實物供學生參考(圖1)。該彩車模型為盒形結構，由鋁板與角鋁經螺栓連接構成。底部連接角鋁，角鋁立面鉆孔，置入車軸，電機通過齒輪將動力傳遞至車輪，驅動彩車模型行走。蜂鳴器、發光二極管安裝于車廂側板上，由開關控制其啟閉，使用2節5號電池向電機、蜂鳴器、二極管供電。車頂安裝太陽能板與轉臺，轉臺由單獨設置的電機驅動，以太陽能板供電。

圖1 游行彩車模型

游行彩車模型結構比較簡單，結構由鋁板與角鋁構成，材料易得。通過簡單的裁切、鉆孔即可進行組裝，學生容易上手，安全性高。彩車模型無固定結構與裝飾限制，自由設計空間大。

所提供的彩車模型實物僅供學生參考，要求學生充分發揮創造力，獨立設計出具有新意的產品。

2.5 產品制作

要求學生按所設計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、調整定位等過程，所完成的彩車模型各項聲、光、電及運動行走功能應可正常運行，符合技術要求。

2.6 產品物料表與緊前關系確定

從裝配關系的角度描述產品結構，建立產品的裝配結構樹，生成BOM(Bill of Materials)表。通過對產品反復拆裝，描述各個裝配作業任務以及作業任務之間的緊前關系。

2.7 動 作

動作研究的目的是分析裝配過程中每一個基本動作的合理性，把不必要的動作去除，把有必要的動作變為既有效率，又不易疲勞的最經濟性動作［12］。

使用5W1H和ECRS方法，詳細分析裝配過程中每一個步驟和每一個動作是否必要，順序是否合理，哪些可以去掉，哪些需要改變。

2.8 工序標準時間測定

對每一個裝配任務確定合理的作業時間。使用攝像機或秒表配合達寶易軟件進行記錄分析，一般經多人多次測量取平均值以確保數據準確。作業時間加上寬裕時間得出標準時間。寬裕時間應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 裝配線工位設計

根據給定的單班產量及工作時間，計算生產線節拍及最小工位數目。

生產線節拍=單班工作時間/單班產量

最小工位數=總作業時間/生產線節拍［13］

使用列舉法進行各工位工作內容設計，基本步驟為:①取工位1為當前工位;② 根據緊前關系約束列出可選作業范圍;③在可選作業中按照一定規則找出待選作業;④將待選作業的時間與當前工位已有作業時間累加，若不超出節拍時間則將該作業放入當前工位，若超出節拍時間則返回步驟③重新選擇待選作業，遍歷全部可選作業后，增加1個新工位并設為當前工位;⑤返回步驟②，直至全部作業分配完畢。

2.10 裝配線平衡分析與改進

計算裝配線的效率，

裝配線效率=總作業時間/(工位數×生產線節拍)

找出影響裝配線效率的關鍵作業任務，研究將其進一步改進的方法，重新進行工位設計，得到優化的節拍時間與裝配線效率。

2.11 質量分析與改進

由多人合作完成產品組裝，每人負責1個工位的作業內容，重復10次以上。對每次裝配完成的產品進行性能檢測，查找質量問題。以5M1E分析法分析原因，繪制質量問題分析魚骨圖，提出改進建議［14］。

2.12 生產過程仿真分析

使用Flexsim軟件對整個裝配過程進行仿真分析，各工位作業時間取以標準時間為均值的正態分布，設定部分設備故障、原料短缺類事件，分析生產線效率并與設計結果進行對比［15］。

2.13 實驗報告

實驗報告包含以下內容:① 產品方案設計說明;②產品加工工藝說明;③ 裝配流程與緊前關系圖;④標準工時確定;⑤裝配線工位設計方案;⑥ 裝配線效率分析與改進;⑦裝配質量分析及改進;⑧ 裝配過程仿真分析;⑨ 實驗總結及建議;⑩ 組員分工情況說明。

3 實驗運行效果

工業工程綜合實驗安排在大四第一學期，學生5人為一個小組，采用開放性實驗方式進行。經過2屆學生實際實驗，取得了較為滿意的效果。學生對這種真刀真槍式的實驗興趣濃厚，積極性高，所得到的收獲表現在以下幾方面:

(1)強化了學生對工業工程專業全流程、全周期特性的認識。設計、制造、分析、改進與評估相互關聯、相互影響，只有著眼于全局、全過程的優化才有實際意義。

(2)加深了對學生所學知識的理解，提高了動手能力。每一個環節都需給出方案并實際動手完成，對理論知識的學習有了興趣，對各種常用專業手法的掌握也更加熟練。

(3)增強了學生的自信心。親手將一個創意轉化為產品并完成生產流程設計，使學生感受到工業工程專業的全面性與實用性。盡管彩車模型的結構、功能相對簡單，但原理與方法可推廣應用于其他實際工業產品的生產，成為一名合格的工業工程師不再是遙不可及的事情了。

4 結語

通過綜合實驗，讓學生在富有創造性的學習中發揮其創新意識、創新能力，完成從產品設計到產出的全過程工程實踐，加深了學生對工業工程專業全系統、全過程屬性的理解，激發了學生自主學習的熱情，取得了滿意的效果。

在完成基礎實驗后，開設綜合實驗，無疑為工業工程專業實驗教學增添了新思路、新內容，形成了更加完整、更加合理的工業工程實踐教學體系，完善了從理論教學到實驗教學的有機聯系。

開發高水平綜合性專業實驗內容，對學生進行實際動手能力、協同合作能力、分析和解決問題能力、創新能力等全面素質的培養，對于正處于快速發展期的我國工業工程專業人才培養至關重要。2年來的實踐使我們深深地體會到，綜合實驗十分有利于學生自學能力、分析和解決問題能力以及創新能力的培養，具有良好的發展前景。

［1］齊二石，劉洪偉.我國工業工程本土化研究與應用實踐分析［J］.管理學報，2010，7(11):1717-1724.

QI Er-shi， LIU Hong-wei. Localization ofChinese industrial engineering:practical application and theoretical research［J］.Chinese Journal of Management，2010，7(11):1717-1724.

［2］鄭玉巧，楊 萍，趙家黎，等.工業工程專業實踐教學模式［J］.實驗室研究與探索，2012，31(6):122-124.

ZHENG Yu-qiao， YANG Ping， ZHAO Jia-li， et al. Practice teaching mode for industrial engineering major［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，31(6):122-124.

［3］裴小兵，唐文婷.數字化工業工程實驗室的建設探究［J］.實驗室研究與探索，2012，31(7):181-184.

PEI Xiao-bing，TANG Wen-ting.Construction of a digital industrial engineering laboratory［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，31(7):181-184.

［4］嚴京濱，林 亨.基于布藝生產的工業工程綜合型創新實驗教學［J］.實驗室研究與探索，2013，32(4):157-159.

YAN Jing-bin， LIN Heng. Comprehensive and innovative experimental teaching of industrial engineering based on sewing production［J］.Research and Exploration in Laboratory，2013，32(4):157-159.

［5］陸 剛，孫宇博，盧明銀，等.工業工程專業實驗室建設現狀分析及其實驗模式研究［J］.工業工程，2011，12(2):127-130.

LU Gang，SUN Yu-bo，LU Ming-yin，et al.On the IE laboratories in China universities［J］.Industrial Engineering Journal，2011，12(2):127-130.

［6］沈忠悅，商亮節，潘小青.精心設計綜合性實驗，培養學生的創新能力［J］.實驗室研究與探索，2012，31(5):92-94.

SHEN Zhong-yue，SHANG Liang-jie，PAN Xiao-qing.Cultivating students’ innovative ability by comprehensive designative experiments［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，31(5):92-94.

［7］施鼎方，徐競成，朱毓秀，等.開設綜合性實驗項目，促進創新能力培養［J］.實驗室研究與探索，2012，31(8):85-87.

SHI Ding-fang，XU Jing-cheng，ZHU Yu-xiu，et al.Establishing comprehensive experiment to promote cultivation of innovative ability［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，31(8):85-87.

［8］王慧萍，李曼萍，嚴敏杰，等.材料科學綜合實驗的構建和成效［J］.實驗室研究與探索，2012，31(9):118-120.

WANG Hui-ping，LI Man-ping，YAN Min-jie，et al.Construction and effectiveness of the comprehensive experiment for materials science［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，31(9):118-120.

［9］鄭 權，趙 峰，榮 龍，等.建立設計性生物工程綜合實驗，培養大學生科技創新能力［J］.實驗室研究與探索，2012，31(11):121-123.

ZHENG Quan，ZHAO Feng，RONG Long，et al.Cultivation of scientific and technological innovation ability of undergraduates by using design-oriented and comprehensive experiments of bioengineering［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，31(11):121-123.

［10］趙 鋼.面向工程應用，創新專業綜合性實驗設計［J］.實驗室研究與探索，2011，30(9):133-135.

ZHAO Gang.Innovation professional comprehensive experimental design for engineering application［J］.Research and Exploration in Laboratory，2011，30(9):133-135.

［11］趙 睛，李雪峰，方開榮.在綜合實驗中提高學生的綜合素質［J］.實驗科學與技術，2012，10(6):131-134.

ZHAO Qing，LI Xue-feng，FANG Kai-rong.Enhance students’comprehensive competence in integrated experiments experiment science ＆ technology［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012，10(6):131-134.

［12］闞樹林.基礎工業工程［M］.北京，高等教育出版社，2005.

［13］張 群，馬士華.生產管理［M］.北京，高等教育出版社，2006.

［14］蘇 秦.質量管理與可靠性［M］.北京，機械工業出版社，2006.

［15］孫小明.生產系統建模與仿真［M］.上海，上海交通大學出版社，2006.