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1、 基于3D打印技术的现代工业工程实验室的规划设计 侯春佳 荣林建 杨旭彤 陈冲 吴芮瑶 马丽心摘要：以建设现代工业工程实验室为基础，利用3D打印技术，将设备模块化，按照实验室设计原理和实际要求，用3D模型帮助设计实验室，从而达到减轻人力、时间的消耗。Abstract： Based on the construction of modern industrial engineering laboratory， the equipment is modularized by 3D printing technology， and 3D models are used to help design
2、the laboratory according to the laboratory design principles and actual requirements， so as to reduce the consumption of manpower and time.關键词：3D打印技术；工业工程；实验室设计Key words： 3D printing technology；industrial engineering；laboratory design：G482 ：A ：1006-4311（2019）03-0136-030 引言美国波音777客机的开发中，运用到了先进制造系统中的虚
3、拟制造，基于分布式CAD/CAM系统，在8台IBM大型计算机图形终端的支持下，实现了产品全数字化定义，减少工程百分之50以上。在研制过程中利用三维设计的零件组成飞机模型，然后在其中测试各个性能，最后完成研制。现代工业工程实验室设计以此为灵感，利用3D打印技术帮助设计，最终实现性能的测试，在有限的资源下，高效地建立为工业工程服务的实验室。1 基于3D打印技术1.1 3D打印技术的概述3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，通过运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，逐层打印来构造物体的技术。3D打印是一种以三维数字形式立体构造物理对象的一种快速成型技术（Rapid Pro
4、totyping，RP）原理是先将实体模型分为若干薄层，每次打印材料生成一个薄层，通过塑料或粉末状金属等可粘合材料，逐层叠加生成物体，这已成为当前增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术的主要存在形态。理论上，任何3D数字模型都可以实现3D打印成型，最常用于概念模型评估、迭代设计、工程评价、定制、模型展示及工具和成品制造。基于3D打印显著特征和多样化创新应用。1.2 利用3D打印技术通过对实验室面积的测量及对需要规划设备的分析，用CAD画出了如图1所示的预想的实验室平面布置图，以及如图2所示的实验室三维结构布置图。完成实验室的三维构想图以后，运用工业工程的思维，在尽可
5、能节约成本的条件下运用3D打印的技术将我们的规划图打印出来，并尽量使其美观，并且将实验室内的实验设备如生产线、机器人、储物台等分别按照比例打印出相应的模型。在实验室三维框架上，利用打好的设备模型进行摆放，并且利用仿真软件，让“使用者”进行操控，观察是否符合要求，然后在进行修改，实验室设计流程如图3所示。2 现代工业工程实验室共建方案工业工程是一门工程技术与管理技术相结合的综合性工程领域，它以降低成本，提高质量和生产率为目标，采用系统化、专业化以及多样化的的方法，综合运用工业工程专业以及多种学科的知识，对人员、物料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行规划、设计、评价、创新和决策等工作，使其效率
6、有着显著的提高，成为更有效、更合理的综合优化系统，营造一个形象逼真的企业生产运行环境。本方案运用3D打印技术对实验室进行整体规划设计，并营建一个贴近实际的生产环境，在传统规划基础上进行创新，为科研和使用提供一个与工业实际紧密联系的理想平台。加强学生对现代工业工程，物流管理，人因工程及现代生产与运作相关知识技能的学习和掌握。对于构建工业工程实验室有两种思路，一种是侧重于经典工业工程理论和内容，包括时间研究和动作研究，作者称此类基础工业工程实验室为“经典基础工业工程实验室”；另一种是结合当今信息技术，基于生产线的构造和运用的现代工业工程理论构建“现代工业工程实验室”。建成了一个可用于多门课程实验的
7、“U 型生产流水线系统”。实验室设备是实验室的物质基础，实验室的每台设备有都有其重要的运作意义。就研究对象而言，以下重点介绍C型工作站、生产线、以及机器人。2.1 C型工作站的功能应用与分析该设备主要提供一个开放式的平台，其目的是让使用者共同参与进来，充分发挥各个工作站的最大功能来进行示教教学。学员可以根据任务的不同选择不同的工作站来完成，也可以选择固定的工作站来制定不同的任务，柔性非常强。根据已有配置的工作站，该系统可以实现一些基本功能的运用，包括机器人抓取、搬运、码垛轨迹模拟等，同时还可实现视觉检测、追踪等功能。模块化的设计，每个模块都是独立的单元，有各自的气路和线路布局，操作者可以根据需
8、要进行模块增减或自由搭配。现代工业工程实验室，模拟了现代工业企业环境，与微型工厂类似，兼有商业物流，具有综合性、现代性和开放性的特点。有助于培养学生动手能力，综合知识技能积累、现代IE技术运用和系统工程意识，此实验室由ERP企业资源管理系统、MES信息管理系统、电子看板系统、SPC质量控制分析系统和基于MES的柔性生产装配线教学系统四部分组成。C型工作台如图4所示。该实验室具备现代化管理的追踪功能，监督功能，控制功能以及管理功能，进而可实现柔性化共线生产，精益制造技术的先进生产方式。2.2 生产线的应用分析以基础工业工程为例，基础工业工程是工业工程专业的专业课，基础工业工程实验是课程理论收学部
9、分的延伸和拓展，主要包括方法研究、作业测定、生产线平衡、劳动定题的制定PCB手精件流程程序分析表以及现场管理基础理论和研究方法。U型生产线如图5所示，是近年来精益生产的产物。在精益生产中，其强调U形相对直线拉的好处是：其是首尾相顾，单件流，一旦某一生产环节出现停顿，尾部无成品产出，首部就及时停止新半成品的輸入，减少在线库存，加快资金周转率。另外当有些生产环节生产节拍时间慢于整条线的节拍时（如新人等原因），其他工位可以及时给予支援，但这要求各个员工具有多项岗位培训和操作技能。2.3 机器人的功能应用与分析随着大生产社会化时代的高速发展，生产规模不断扩大、自动化程度不断提高，机器人的作用愈加显著和
10、必不可少，不但能够作为物料搬运的重要设备参与到生产和建设中，并且在许多的制造业中，例如汽车制造业中，焊接机器人、移动机器人已经发挥出不可替代的作用。从上世纪60年代伊始工业机器人的应用领域愈加广泛、应用程度也愈发深入。在生产车间，从毛坯制造到机械加工，从焊接到打磨，从表面热处理到喷漆，工业机器人几乎参与了每一个生产环节，他们分别为臂长400的四轴机器人、臂长600的四轴机器人。根据需要，C型工作站与U型流水生产线之间需要放长9的六轴机器人，主要作用是流水线与C型工作站之间的承接。3 实验室建设创新及目标传统的实验室设计过程较为繁琐，主要流程如图6，图7所示。4 结语目前 ，我国工业工程学科教育
11、的发展 ，既要借鉴国外及港台地区的先进教学实践经验，也要结合国内实际情况，通过不断地调整使实验环节的设置更加合理 。实验室建设的创新和建设中的学习也是极其重要的，利用3D打印技术，高效、低耗的完成实验室建设。参考文献：1汪应洛，袁治平.工业工程导论M.北京：中国科学技术出版社，2001：3-5.2刘晓芬，高广章，卓德保.工业工程专业实验室的建设模式J.郑州航空工业管理学院学报（社会科学版），2002，21（3）：23-25.3赵景华.现代工业工程M.北京：冶金工业出版社，1996：7-10.4宋志强，李连红，韩尚梅.现代工业工程专业实验室的建设思路J.工业工程，2002，5（4）：62-64.5吴海燕，虚拟技术在工业工程实验中的应用设想J.实验技术与管理，2002，19（3）：43-45.6吴爱华，王平，崔如光，等.工业工程专业教学实验体系的研究与实施J.工业工程与管理，1999，4（3）：59-62.7吴爱华，崔如光，张毅伟，等.工业工程教学实验体系的研究与实验方法的改革J.实验室研究与探索，2001，20（2）：46-49.8杨象驰，李鹏飞.工业工程实验室规划与实施J.实验室研究与探索，2009，08：158.9殷复鹏，孙家坤，刘吉场.现代工业工程实验室规划与建设J.高校实验室工作研究，2008，12：91-92. -全文完-
