基于3D打印技術(shù)的現(xiàn)代工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃設(shè)計(jì)

侯春佳 榮林建 楊旭彤 陳沖 吳芮瑤 馬麗心

摘要：以建設(shè)現(xiàn)代工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，利用3D打印技術(shù)，將設(shè)備模塊化，按照實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)原理和實(shí)際要求，用3D模型幫助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，從而達(dá)到減輕人力、時(shí)間的消耗。

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 the laboratory according to the laboratory design principles and actual requirements， so as to reduce the consumption of manpower and time.

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；工業(yè)工程；實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

Key words： 3D printing technology；industrial engineering；laboratory design

中圖分類號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2019）03-0136-03

0 引言

美國(guó)波音777客機(jī)的開發(fā)中，運(yùn)用到了先進(jìn)制造系統(tǒng)中的虛擬制造，基于分布式CAD/CAM系統(tǒng)，在8臺(tái)IBM大型計(jì)算機(jī)圖形終端的支持下，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全數(shù)字化定義，減少工程百分之50以上。在研制過程中利用三維設(shè)計(jì)的零件組成飛機(jī)模型，然后在其中測(cè)試各個(gè)性能，最后完成研制?，F(xiàn)代工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)以此為靈感，利用3D打印技術(shù)幫助設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)性能的測(cè)試，在有限的資源下，高效地建立為工業(yè)工程服務(wù)的實(shí)驗(yàn)室。

1 基于3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)的概述

3D打?。?DP）即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，逐層打印來構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印是一種以三維數(shù)字形式立體構(gòu)造物理對(duì)象的一種快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，RP）原理是先將實(shí)體模型分為若干薄層，每次打印材料生成一個(gè)薄層，通過塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，逐層疊加生成物體，這已成為當(dāng)前增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)的主要存在形態(tài)。

理論上，任何3D數(shù)字模型都可以實(shí)現(xiàn)3D打印成型，最常用于概念模型評(píng)估、迭代設(shè)計(jì)、工程評(píng)價(jià)、定制、模型展示及工具和成品制造?；?D打印顯著特征和多樣化創(chuàng)新應(yīng)用。

1.2 利用3D打印技術(shù)

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室面積的測(cè)量及對(duì)需要規(guī)劃設(shè)備的分析，用CAD畫出了如圖1所示的預(yù)想的實(shí)驗(yàn)室平面布置圖，以及如圖2所示的實(shí)驗(yàn)室三維結(jié)構(gòu)布置圖。

完成實(shí)驗(yàn)室的三維構(gòu)想圖以后，運(yùn)用工業(yè)工程的思維，在盡可能節(jié)約成本的條件下運(yùn)用3D打印的技術(shù)將我們的規(guī)劃圖打印出來，并盡量使其美觀，并且將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如生產(chǎn)線、機(jī)器人、儲(chǔ)物臺(tái)等分別按照比例打印出相應(yīng)的模型。在實(shí)驗(yàn)室三維框架上，利用打好的設(shè)備模型進(jìn)行擺放，并且利用仿真軟件，讓“使用者”進(jìn)行操控，觀察是否符合要求，然后在進(jìn)行修改，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2 現(xiàn)代工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室共建方案

工業(yè)工程是一門工程技術(shù)與管理技術(shù)相結(jié)合的綜合性工程領(lǐng)域，它以降低成本，提高質(zhì)量和生產(chǎn)率為目標(biāo)，采用系統(tǒng)化、專業(yè)化以及多樣化的的方法，綜合運(yùn)用工業(yè)工程專業(yè)以及多種學(xué)科的知識(shí)，對(duì)人員、物料、設(shè)備、能源和信息所組成的集成系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新和決策等工作，使其效率有著顯著的提高，成為更有效、更合理的綜合優(yōu)化系統(tǒng)，營(yíng)造一個(gè)形象逼真的企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境。

本方案運(yùn)用3D打印技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，并營(yíng)建一個(gè)貼近實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境，在傳統(tǒng)規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，為科研和使用提供一個(gè)與工業(yè)實(shí)際緊密聯(lián)系的理想平臺(tái)。加強(qiáng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代工業(yè)工程，物流管理，人因工程及現(xiàn)代生產(chǎn)與運(yùn)作相關(guān)知識(shí)技能的學(xué)習(xí)和掌握。

對(duì)于構(gòu)建工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室有兩種思路，一種是側(cè)重于經(jīng)典工業(yè)工程理論和內(nèi)容，包括時(shí)間研究和動(dòng)作研究，作者稱此類基礎(chǔ)工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室為“經(jīng)典基礎(chǔ)工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室”；另一種是結(jié)合當(dāng)今信息技術(shù)，基于生產(chǎn)線的構(gòu)造和運(yùn)用的現(xiàn)代工業(yè)工程理論構(gòu)建“現(xiàn)代工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室”。建成了一個(gè)可用于多門課程實(shí)驗(yàn)的“U 型生產(chǎn)流水線系統(tǒng)”。

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室的物質(zhì)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室的每臺(tái)設(shè)備有都有其重要的運(yùn)作意義。就研究對(duì)象而言，以下重點(diǎn)介紹C型工作站、生產(chǎn)線、以及機(jī)器人。

2.1 C型工作站的功能應(yīng)用與分析

該設(shè)備主要提供一個(gè)開放式的平臺(tái)，其目的是讓使用者共同參與進(jìn)來，充分發(fā)揮各個(gè)工作站的最大功能來進(jìn)行示教教學(xué)。學(xué)員可以根據(jù)任務(wù)的不同選擇不同的工作站來完成，也可以選擇固定的工作站來制定不同的任務(wù)，柔性非常強(qiáng)。根據(jù)已有配置的工作站，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一些基本功能的運(yùn)用，包括機(jī)器人抓取、搬運(yùn)、碼垛軌跡模擬等，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)視覺檢測(cè)、追蹤等功能。模塊化的設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊都是獨(dú)立的單元，有各自的氣路和線路布局，操作者可以根據(jù)需要進(jìn)行模塊增減或自由搭配。

現(xiàn)代工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，模擬了現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)環(huán)境，與微型工廠類似，兼有商業(yè)物流，具有綜合性、現(xiàn)代性和開放性的特點(diǎn)。有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，綜合知識(shí)技能積累、現(xiàn)代IE技術(shù)運(yùn)用和系統(tǒng)工程意識(shí)，此實(shí)驗(yàn)室由ERP企業(yè)資源管理系統(tǒng)、MES信息管理系統(tǒng)、電子看板系統(tǒng)、SPC質(zhì)量控制分析系統(tǒng)和基于MES的柔性生產(chǎn)裝配線教學(xué)系統(tǒng)四部分組成。C型工作臺(tái)如圖4所示。

該實(shí)驗(yàn)室具備現(xiàn)代化管理的追蹤功能，監(jiān)督功能，控制功能以及管理功能，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)柔性化共線生產(chǎn)，精益制造技術(shù)的先進(jìn)生產(chǎn)方式。

2.2 生產(chǎn)線的應(yīng)用分析

以基礎(chǔ)工業(yè)工程為例，基礎(chǔ)工業(yè)工程是工業(yè)工程專業(yè)的專業(yè)課，基礎(chǔ)工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)是課程理論收學(xué)部分的延伸和拓展，主要包括方法研究、作業(yè)測(cè)定、生產(chǎn)線平衡、勞動(dòng)定題的制定PCB手精件流程程序分析表以及現(xiàn)場(chǎng)管理基礎(chǔ)理論和研究方法。U型生產(chǎn)線如圖5所示，是近年來精益生產(chǎn)的產(chǎn)物。在精益生產(chǎn)中，其強(qiáng)調(diào)U形相對(duì)直線拉的好處是：其是首尾相顧，單件流，一旦某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)停頓，尾部無成品產(chǎn)出，首部就及時(shí)停止新半成品的輸入，減少在線庫(kù)存，加快資金周轉(zhuǎn)率。另外當(dāng)有些生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間慢于整條線的節(jié)拍時(shí)（如新人等原因），其他工位可以及時(shí)給予支援，但這要求各個(gè)員工具有多項(xiàng)崗位培訓(xùn)和操作技能。

2.3 機(jī)器人的功能應(yīng)用與分析

隨著大生產(chǎn)社會(huì)化時(shí)代的高速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、自動(dòng)化程度不斷提高，機(jī)器人的作用愈加顯著和必不可少，不但能夠作為物料搬運(yùn)的重要設(shè)備參與到生產(chǎn)和建設(shè)中，并且在許多的制造業(yè)中，例如汽車制造業(yè)中，焊接機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)發(fā)揮出不可替代的作用。從上世紀(jì)60年代伊始工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛、應(yīng)用程度也愈發(fā)深入。在生產(chǎn)車間，從毛坯制造到機(jī)械加工，從焊接到打磨，從表面熱處理到噴漆，工業(yè)機(jī)器人幾乎參與了每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，他們分別為臂長(zhǎng)400的四軸機(jī)器人、臂長(zhǎng)600的四軸機(jī)器人。

根據(jù)需要，C型工作站與U型流水生產(chǎn)線之間需要放長(zhǎng)9的六軸機(jī)器人，主要作用是流水線與C型工作站之間的承接。

3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)創(chuàng)新及目標(biāo)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)過程較為繁瑣，主要流程如圖6，圖7所示。

4 結(jié)語

目前 ，我國(guó)工業(yè)工程學(xué)科教育的發(fā)展 ，既要借鑒國(guó)外及港臺(tái)地區(qū)的先進(jìn)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也要結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，通過不斷地調(diào)整使實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置更加合理 。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的創(chuàng)新和建設(shè)中的學(xué)習(xí)也是極其重要的，利用3D打印技術(shù)，高效、低耗的完成實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。

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