基础工业工程课程设计教材

摘要

本文介绍的是一款HX-8502行走机器人的组装过程，主要是对其电路板进行焊接。本电路的集成块采用NE555时基电路，内部由比较器、RS触发器、放电管等部分组成，整个操作过程需要将零散的部件组装成一个完整电路板。本文还通过设计布置组装HX-8502行走机器人生产线，运用所学的专业知识对每一个工序进行分析，运用5S对现场进行管理，编制操作过程的SOP，以及生产节拍和平衡率的确定。此次课程设计的目的就是锻炼学生将理论与实际结合能力，培养学生自主思考，解决问题的能力。

目录

基础工业工程课程设计

1.课程设计目的意义及思路

1.1课题设计目的

通过高频电子线路课程设计，帮助学生综合运用所学的理论知识，学会构建简单的应用电路，提高学生正确选用电子器件，进行装配、调试等方面的实践能力。通过课程设计使我们深刻领会基础工业工程中的概念、原理与方法。对于我们深入了解工作过程中的方法，正确选择经济、合理的作业方法和最适宜的工作时间，培养工作分析与研究的能力以及解决实际问题的能力

1.2课程设计意义

第一掌握. HX-8502行走机器人工作原理以及对讲机的各个组成部分的原理、功能用途等。

第二锻炼自己的实际能力，要从实际出发，选择适合自己的元器件，要求从生产和适用价值等方面去考虑。

第三综合运用所学的基础工业工程的原理与方法及相关知识分析解决问题的实际能力。

第四培养利用计算机网络进行资料查询、文献检索的方法及获取相关知识的能力，掌握资料整理、报告撰写等基本技能。

可见，基础工业工程课程设计在培养学生相关知识的运用，计算机的使用和同学之间的配合上有着重要的作用。这是同学在平时上课学不到的，更加培养了学生在其他方面的能力，提高了学生的综合素质，培养协调能力、团队配合能力和创新精神。

1.3课程设计方案思路

2. HX-8502行走机器人套件

2.1HX-8502行走机器人套件简介

本行走机器人是顺应科技进步新开发的教育机器人教学套件，它具有电力精简、实用、可学习性强之外，还具有趣味性强等特点，是一款寓教于乐的教学散件。装配好的机器人可以前进、后退、发声、闪眼睛等动作。

调节电路中的元件参数（电位器）可以控制机器人行走的时间和距离。

2.2HX-8502行走机器人套件零件介绍

因为所给出的零件没有标出规格和符号，所以首先要对零件进行辨别和分类

1、电阻可以根据电阻上的颜色来进行辨别，各个颜色所代表的电阻值如下表所示

色环电阻值计算示意图

其中前两个环分别代表数字，第三条环代表 0 的个数

部分零件如图所示

（a）（b）（c）

（d）（e）（f）

（g）（h）

（i）（j）

2.3电路原理

本电路的集成块采用NE555时基电路，内部有比较器、RS触发器、放电管等部分组成，如图6脚R端的正相输入端和7脚放电端连在一起为RS触发器翻转做了准备。2脚是S端的反相输入端，3脚输出端。初始状态时RS触发器的Q端输出低电平放电管截止不放电3脚输出高电平。此时W2、R13、C5构成正稳态的延时电路，电源通过W2、R13、C5充电(调节W2可以调节C5达到触发电平的时间)当C5端的电压达到2/3VCC时，R端比较器翻转输出高电平。此时S端电平基本不变从而导致使RS触发器触发翻转进入另一个稳态，Q端输出高电平，放电管导通C5的电压瞬间被拉为低电平。因在正稳态时MT2端为高电平对C1充满了电，2脚一直处于高电平，当RS触发器触发翻转进入另一个稳态后MT2变为低电平，此时C1通过W1、R6、R14对地放电，调节W1可以调节放电的时间，当C1端的电压降到1/3VCC时S端比较器翻转致使RS触发器进入正稳态，依次循环，分别调节W2、W1可以控制正、负稳态电路的延时长短。3脚是正、负稳态的输出端正、负稳态分别输出正、负电平。该电平加到电容C2上给C2充电使输出电平稳定，该电平就是后面驱动电路的控制信号。该控制信号经R5加到9013的基极，9013是NPN管，基极正电平时9013的C,E极导通，而9012截止，也即是正稳态时9013导通，9013集电极被拉为低电平，再经过R7加到VT3-VT2的基极VT3导通，从而VT5、VT7导通，电流通过MT2经过电机后流经MT1，电机正转机器人向前行走、发声，闪眼睛，W2控制电机正转的时间。当555处于负稳态时输出低电平，通过R4加到VT2上，VT2、VT4、VT6、VT8导通。电流通过MT1经过电机后流经MT2.电机反转机器人后退，由于发声、闪灯电路经过一只二极管供电。正转时有电压，反转时二极管截止，发声、闪灯电路无电压停止工作

2.4装配过程

装配前电路板装配后电路板

2.4.1清点零件

拿到机器人及电路板套件后，对照“元件清单”逐一将数量清点一遍，并用外用表将各个元件测量一下，特别是瓷片电容，用数字万用表的电容档测量。

2.4.2电路板安装

所有的器件以立式插装，较紧贴电路板，不掉的过高。电解电容器，三极管插装时注意极性。焊接好的器件不要折断了，就立式放置。焊接时先焊小元件，再焊大元件，最后再焊集成块，元件尽量贴着底板“对号入座”

1、安装二极管（型号为1N4148），安装在电路板VD1、VD

2、VD4处，用镊子夹持二极管，用电烙铁和锡丝进行锡焊接（左手持锡丝，右手持电烙铁），用吸锡器吸除多余的锡，用剪刀减去多余部分的“二极管脚”。

2、安装瓷片电容（103）到电路板C3处。

3、安装电阻（2K）至电路板R2、R3、R7、R12处，安装电阻（51）至电路板R9、R10处，安装电阻（10K）至电路板R8、R11、R14处，安装电阻（1K）至电路板R1、R5处，安装电阻（100）至电路板R

4、R6处，安装电阻（20K）至电路板R13处。

4、安装三极管（8050）至电路板VT7、VT8处，安装三极管（8550）至电路板VT

5、VT6处，安装三极管（9012）至电路板VT2、VT3、VT4处，安装三极管（9013）至电路板VT1处。

5、安装可调电阻（200K）至电路板W1、W2处，

6、安装发光二极管（LED3）至电路板VDφ3处

7、安装电解电容（100μF）至电路板C1、C4、C5，安装电解电容（10μF）至电路板C2处

8、安装集成块（NE555）至电路板IC处。由于集成块NE555是采用双排8脚直插式结构，它的脚排列比较密集，焊接时先用尖烙铁头进行快速焊接，如果一次焊不成功，应等冷却后再进行下一次焊接。

2.4.3电路板与电源组装

功能电路板部分装配完成后进行电机和电源部分引线的焊接。打开机器人后盖将里面的电机线焊下把我们配的接线焊在电机上，同时把到头部分的红线焊下串联一只1N4148的二极管，再焊接电源线，一根焊接在电池极片的负极，另一根焊接在开关的一端，电源和电极接线焊好后从后背的孔引出。装上头和摇头杠杆后，盖上后盖。（要保证里面活动部分的空间以免卡住）。在电机线焊在功能电路板的MT1和MT2焊盘上（红线焊MT2，绿线焊MT1，以免后退时发声、闪光）。电源线红的焊在GB+焊盘上，绿线焊在GB-焊盘上。焊好后装上三节5号电池，电路板装在电池外边，用拆电池盖的螺丝固定，装配完成。

2.4.4打开开关，调试机器人功能

2.5装配过程注意事项：

1 清查元器件的质量，并及时更换不合格的元件。

2 确定元器件的安装方式，由孔距决定，并对照电路图核对电路板。

3将元器件弯曲成形，本电路所有电阻均采用立式插装。

4 插装。按电路图对号插装，有极性的元件要注意极性，如集成电路的脚位等。

5 焊接。各焊接点加热时间及用锡量要适当，防止虚焊、错焊、短路。

6 焊后剪去多余引脚，检查所有焊点，并对照电路图仔细检查，并确认无误后方可通电。

7 焊在印刷板反面，对比好高度和孔位再焊接。

2.6装配过程出现问题

1 无法正确检验元器件的质量

2 焊接时由于技术因素或偶然因素，加热时间或用锡量控制不好造成焊接的失误。

3 最后焊导线时难度太大，出现失误的可能性很高。

4 调试机器人时针对出现的问题无法具体追究原因，无法知道是操作过程中的哪一步出了错。

3．组织设计，生产排程

3.1组织设计

3.1.1模特法估算各工序时间

在产品投入生产之前，我们需要对生产线进行设计与分析，但是由于我们没有办法去实际测量每个步骤所需要消耗的时间，所以我们也就无法知道每个步骤所需要的时间，这样我们就需要利用模特法预先估计出装配每一个电子元件所需消耗的时间。以我们用模特法所估计出来的时间作为参考，为之后对生产线的生产设计提供科学的理论数据。用模特法所估算出的各元件装配时间如表

元件时间元件时间

名称（单位：MOD）名称（单位：MOD）

三极管 40 集成块 30

二极管 32 发光二极管 35

电阻 35 可调电阻 45

电解电容 53 瓷片电容 33

导线 20 螺丝 10

塑料后盖 25

通过表 3-1，我们可以估计出装配各个元件的理论时间，但由于利用模特法所估计出来的时间是操作熟练的技术工人在完美并且无失误的情况下的操作时间，换句话说，也就是最理想的操作时间。但在实际中我们的操作是根本不可能达到模特法所估算出的时间，所以我们必须要考虑宽放，设宽放率为 25% 即参考时间=估算时间×1.25

3.1.2最优工序划分

根据现场的生产条件以及根据现场的生产条件以及工人的熟练程度，按照元件个数和安装复杂程度，对每个小工序进行组合，使得整个根据现场的生产条件以及工人的熟练程度，按照元件个数和安装复杂程度，对每个小工序进行组合，设计出每个工序所用的时间以及，使得整个过程的操作所用时间最少，工人效率最高。下表即为产品的工艺流程表

4.生产线现场

4.1流水线地点及参与人员

地点：工程楼001室4.2机器人主电路板元件安装顺序

说明：①当拿到套件之后，对照“元件清单”将原件及其数量逐一清点一遍，并用万用表将各个元件测量一下，特别是瓷片电容，最好用数字万用表的电容档测量，若没有数字表，就使用万用表粗略的测量一下，做到心中有数。②在焊接时按先焊小元件，再焊大元件，最后在焊接集成块的原则进行操作，元件尽量贴着底板“对号入座”不得将元件插错，焊接集成块时更应该注意以免烫坏集成块，焊完后反复检查有无虚、假、错焊，有无拖锡短路造成故障。③功能电路板部分装配完成后再进行电机和电源部分引线的焊接。在焊接时要保证机器人内部的活动空间以免卡住，电源线红的焊在GB+焊盘上，绿线焊在GB-焊盘上，焊好后装上电池即可。

1.安装二极管（1N4148）,安装在电路板的VD1、VD2、VD4位置。

图1图2

2. 安装瓷片电容（103），安装在电路板的C3处。

图3图4

说明：图3为安装前的电路板状态，图4为安装后的背面电路板。

3.安装电阻（2K、51、10K、1K、100、20K）至电路板相应位置。

图5图6 图7

4.安装三极管（8050、8550、9012、9013）至电路板相应位置。

图8 图9

5.安装可调电阻（200K）至电路板W1、W2位置上。

图10 图11 说明：图10为可调电阻安装前，图11为安装后电路板所示情况。

6.安装发光二极管（LED3）至电路板VDφ3处。

图12 图13

7.安装电解电容（100μF、10μF）至电路板指定位置。

图14 图15

8.安装集成块（NE555）至电路板IC处。

图16 图17

4.3电路板与机器人电源组装过程

功能电路板部分装配完成后再焊接电机、电源部分的引线，打开机器人后盖将里面的电机线焊下把我们配的接线焊在电机上，最后接电源线，分别焊接在电源极

片的正负极，电源和电机接线焊好后从机器人后背的孔引出，装上头和摇头杠杆

后盖上后盖即可。

图18 图19 图20

图21 图22

4.4测试机器人功能

在上述工作步骤都完成的基础上，给机器人安装3节5号电池，打开开关测试机

器人功能。

图23 图24 图25

5．生产线平衡分析

5.1生产流水线概念

流水生产线即一件商品的生产经过不同的部分生产，由各部分人员负责，从而使最终商品完成，在不同部分生产转接中以自动履带传送。流水生产线是在“作业标准化”和“分工”的原理上发展起来的，在制造的工艺过程中能够划分为简单的工序，又能根据工序同期化的要求将某些工序适当的分解和合并，使各工序的作业时间基本相等或成整数倍，流水生产线的生产过程按照节拍进行。

5.2节拍、瓶颈、空闲时间的概念

节拍是指连续完成相同的两个产品（或两次服务，或两批产品）之间的间隔时间，即为完成一个产品所需的平均时间。节拍通常只是用于定义一个流程中某一具体工序或环节的单位产出时间。如果产品必须是成批制作的，则节拍指两批产品之间的间隔时间。在流程设计中，如果预先给定了一个流程每天（或其它单位时间段）必须的产出，首先需要考虑的是流程的节拍。

节拍=计划期内有效工作时间/计划期内产品产量

瓶颈指那些限制工作流整体水平（包括工作流完成时间，工作流的质量等）的单个因素或少数几个因素。通常把一个流程中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈”(Bottleneck)。更广义地讲，所谓瓶颈是指整个流程中制约产出的各种因素。生产中的瓶颈限制了一个流程的产出速度也制约了其他工序的正常进行，例如，在有些情况下，可能利用的人力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障、信息流阻滞等，都有可能成为瓶颈。

空闲时间是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间，可以指设备或人的时间。

当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以外的其它工序就会产生空闲时间。这就需要对生产工艺进行平衡。制造业的生产线多半是在进行了细分之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工作业，简化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。然而经过了这样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，现实上都不能完全相同，这就势必存在工序间节拍不一致出现瓶颈的现象。除了造成的无谓的工时损失外，还造成大量的工序堆积即存滞品发生，严重的还会造成生产的中止。为了解决以上问题就必须对各工序的作业时间平均化，同时对作业进行标准化，以使生产线能顺畅活动。

5.3生产线平衡分析

生产线平衡（Line Balance），是对生产线的全部工序进行负荷分析，通过调整工序间的负荷分配使各工序达到能力平衡（作业时间尽可能相近）的技术手段与方法，最终消除各种等待浪费现象，提高生产线的整体效率。这种改善工序间能力使之平衡的方法又称为“瓶颈改善“。进行生产线平衡目的是消除作业间不平衡的效率损失以及生产过剩，提高生产线整体效率。要衡量工艺总平衡状态的

好坏，必须设定一个定量值来表示，即生产线平衡率或平衡损失率，以百分率表示。首先，要明确虽然各工序的工序时间长短不同，但决定生产线的作业周期的工序时间只有一个，即最长工序时间--瓶颈工序时间。

1、生产线的平衡计算公式

平衡率=各工序时间总和/（工站数*瓶颈工序时间）

2、生产线的平衡损失率计算公式

平衡损失率=1-（各工序时间总和/（工站数*节拍时间））

5.4实际案例分析

假设某企业对HX-8502型机器人的生产要求为：日产量1500台，采用两班制生产，每班规定每日工作时间8h，中午休息时间1h，计划废品率为5%，各工序的时间总和为242.975s，工站数为9。

1.计算节拍

计划期内有效工作时间=制度工作时间-停歇时间=（8*2*60-1*2*60）*60=50400s

计划期制品产量=1500*（1+5%）=1575台

流水线节拍=50400/1575=32s

2.计算平衡率

生产流水线平衡率=[242.975/（9*32）]*100%=84.4%

生产线平衡损失率=1-84.4%=15.6%

3.标准作业时间计算

在对HX-8502型机器人的生产线进行分析时，我们采用时间研究法，进行速度评比分析，操作对象作业速度明显低于正常速度，采用100分速度评比方法，确定评比值为84.4分，宽放率为10%，计算得：

正常时间=观测时间*（评比值/正常评比）=242.975*（84.4/100)=205s 标准时间=正常时间*（1+宽放率）=205*（1+10%）=225.5s

6．5S现场管理

6.1 5S定义

1、整理（SEIRI）

将工作场所的任何物品区分为有必要与没有必要的，除了有必要的留下来以外，其他的都清除掉。

目的：腾出空间，空间活用

防止误用、误送

塑造清爽的工作环境

2、整顿（SEITON）

把留下来的必要用的物品依规定位置摆放，并放置整齐，加以标示。

目的：工作场所一目了然

消除寻找物品的时间

整整齐齐的工作环境

消除过多的积压物品

3、清扫（SEISO）

将工作场所内看得见与看不见的地方清扫干净，保持工作场所干净、亮丽。

目的：稳定品质

减少工业伤害

4、清洁（SEIKETSU）

将整理、整顿、清扫实施的做法制度化、规范化，维持其成果。

目的：认真维护并坚持整理、整顿、清扫的效果，使其保持最佳状态。

不制造脏乱，不扩散脏乱，不恢复脏乱。

5、素养（SHITSUKE）

每位成员养成良好的习惯并遵守规则做事，培养主动积极的精神。

目的：培养具有良好习惯并遵守规则的员工

营造团队精神

6.2 5S管理实施方法

1、整理：把生产需要的工具：偏口钳、吸锡器、电烙铁、焊锡、螺丝刀、镊子等以及生产需要的元器件，放在各个工作台上靠近工作者的地方。将生产过程中产生的废弃物、边角料及时清理到指定位置。

工作台整理前工作台整理后

2、整顿：将生产过程中需要用到的工具、元器件分类存放在固定位置。工作时能立即取到，用完的物品归位，及时清查数目。

（1）对相似的元器件如电阻等，为避免混淆，进行颜色的区分。

（2）工具应放置在工作台附近，做到取用及时，归还方便且不妨碍工作和通行。

工具整理前工具整理后

3、清扫：制定清扫计划，明确地规定清扫范围，清扫负责人员，清扫所用工具，清扫的清洁程度。清扫的范围包括地面、顶棚、墙壁、工具架、机器、工具等，工作结束后每个人把自己的东西清扫干净。清扫之后应有人员进行检查，检查过程中发现清扫不良状态时要及时修复。

（1）工作台和地面灰尘、油渍、水渍清扫干净。

（2）工具使用完后擦拭干净，归放原位。

（3）垃圾桶及时清倒。

地面清扫前地面清扫后

4、清洁：清洁是整理、整顿、清扫三步的坚持与深入，并将其制度化、规范化。在所有人都清楚该干什么的基础上，将大家都认可的各项工作汇集成文，形成专门手册。确定清洁状态标准，定期检查并制度化。

5、素养：自觉养成良好习惯，遵守规则和礼仪规定。

（1）遵守作息时间，按时出勤

（2）工作时不随意谈笑、离开工作岗位、玩手机、打瞌睡、吃零食等。

（3）服装整齐，不佩戴首饰。

（4）待人接物诚恳有礼貌，乐于助人。（5）爱护公物，用完归位。

（6）不乱扔垃圾。

6.3 5S检查表