焊接機器人操作與應用課程教學改革與實踐

郎紹程，方 舟，徐 建

（1.嘉興南洋職業技術學院，浙江嘉興314031；2.嘉興禾東船業有限責任公司，浙江嘉興314021）

焊接機器人操作與應用課程教學改革與實踐

郎紹程1，方 舟1，徐 建2

（1.嘉興南洋職業技術學院，浙江嘉興314031；2.嘉興禾東船業有限責任公司，浙江嘉興314021）

根據高職院校培養高技能應用型人才的目標，依托嘉興禾東船業有限責任公司，深化產學研人才培養方案，對船舶工程專業的焊接機器人操作與應用課程進行改革與實踐，采取任務驅動法推進教學創新、將“現代學徒制”應用到教學實踐、完善教學評價體系等途徑，達到促進職業教育改革與智能制造技術相融合的目標，最終實現學生熟練掌握焊接機器人技術，全面提高其綜合應用能力。

焊接機器人；船舶工程專業；現代學徒制；任務驅動法

在過去幾十年里，由于政府的支持、廉價勞動力的供給以及穩定的匯率使中國的船舶制造業得到了快速發展。但是，近幾年隨著全球化經濟的巨大變化、國內勞動力的成本不斷提高，使得我國船舶制造行業面臨著巨大產業轉型和優化問題。而工業機器人的出現改變了傳統意義上的工人作業活動，它可替代工人完成臟、累、危險或重復性的工作，具有工作效率高、穩定可靠、重復精度好等特點，并能有效減小人為因素對產品質量的影響，提高了產品的市場競爭力。對于船舶行業來說，由于船舶構件龐大且一般為封閉結構，在船體焊接過程中所產生的煙、有毒氣體和高溫等問題對工人造成嚴重的身體傷害。為此，“機器換人”將成為眾多企業，包括船舶行業的必然選擇。

對于高職院校來說，為了適應社會發展的需求，實現與傳統本科院校的錯位競爭，將學校定位于培養高技能應用型人才，有必要開設工業機器人的相關課程，開發機器人的教育功能并發掘其教育價值。嘉興南洋職業技術學院在2015年成功申報了嘉興欣禾職教集團“嘉禾船舶2015現代學徒制試點班”項目，以嘉興禾東船業有限責任公司為依托，深化產學研人才培養改革，不斷推進教學創新，促進職業教育改革與智能制造技術相融合，對內河造船企業的技術創新和產業轉型起到示范作用。

1 船舶焊接機器人的國內外研究進展

1.1 國外發展現狀

自上世紀60年代，國外船舶制造行業對產品加工精度逐漸提高。目前，日本船廠的焊接機器人已經達到相當高的水平。日本石川島播磨重工成功研制“平面分段和開口處理”造船系統，用于造船自動化；日立有明、廣島、千鶴等船廠在船體建造和管子加工中應用弧焊機器人；日本鋼管津船廠采用自動高速旋轉電弧焊，能很好地控制焊接精度并提高焊接速度。

韓國造船企業在20世紀90年代大量引進先進造船技術，利用機器人技術對現有的造船設備逐步加以改造。其中，韓國三星重工已廣泛地在裝配車間應用智能自動焊接系統的機器人裝配船舶鋼結構；韓國大宇重工玉浦船廠在1995年就建成焊接機器人平面分段生產線。

美國為了爭奪在國際船舶制造市場份額，上世紀80年代其軍船研究辦公室聯合紐波特紐斯船廠的造船專家、船級社和技術研發單位等提出了一種先進的雙殼船建造技術概念，即遙控升降焊機，通過激光傳感器將工作進程反饋給控制人員，從而在控制人員的操控下精確地完成焊接工作。

從國外船舶行業使用焊接機器人情況可見，其發展方向是將原有的造船機器人技術進一步完善來提高焊接過程中的控制能力和精度。同時，對于一些還未使用焊接機器人的船廠具有一定的示范作用，提高了企業競爭力。

1.2 國內發展現狀

對于我國船舶行業來說，“機器人”的應用必將給船舶建造帶來革命性的變化。隨著勞動力成本不斷攀升，船舶企業采用自動化焊接設備來降低人工和管理成本以提高造船效率和產品質量，贏得市場競爭力。目前，南通中遠川崎船舶工程有限公司采用焊接機器人焊接船體結構以及分段；廣船國際股份有限公司、廣州文沖船廠有限公司和中船澄西船舶修造有限公司主要采用焊接機器人焊接船舶管系以及法蘭；大連船舶重工集團有限公司聯合唐山開元機器人系統有限公司，采用焊接機器人對船舶結構模擬工件實行平焊、橫焊、立焊3項內容。

在當前經濟形勢下，部分高校也針對焊接機器人做了很多的研究和教學改革。江蘇科技大學和昆山華恒焊接設備技術有限公司合作，研究焊接機器人在船舶管系和法蘭焊接等構件中的應用，并將其在上海外高橋造船有限公司進行實踐。同時，寧波工程學院、大連職業技術學院和長春汽車工業高等專科學校等對焊接機器人技術也做了課程教學改革與實踐，取得了良好的教學效果。

2 焊接機器人操作與應用課程教學內容

焊接機器人所涉及的學科主要有機械制圖、力學、材料、機械原理、現代控制理論等相關科目。對于高職院校的學生來說，從理論知識上學習焊接機器人技術，無疑增加了難度，容易造成學生由于不理解而導致厭學情況的發生。因此，引入“實訓教學改革方法”，即任務驅動教學方法，此教學法不僅僅能夠全面系統地向學生傳授焊接機器人的使用方法，而且更注重指導學生正確操作焊接機器人及其相關設備，從而激發學生的學習興趣、鍛煉學生的實踐能力，最終讓學生在實際操作時具有處理和解決各種問題及故障的能力，并通過教學—實踐—應用，檢驗教學效果。課程教學內容主要包括以下部分：

2.1 課程教學

由于船體大部分結構都采用鋼板焊接而成，因此，學院以船舶工程專業學生為試點，大力開展與機器人技術相關的教學課程，結合機械、電子、計算機等相關學科，把涉及到的知識融入到焊接機器人教學中。充分利用各種教育資源，采取多種教學手段，如多媒體教學、模擬仿真訓練等，從中穿插機器人認知等內容。

2.2 實驗教學

以理論和實踐相結合的形式，在實驗課中設置綜合性或開放性的問題，鼓勵學生敢于實踐，要求焊接過程全部由個人獨立完成，并且操作機械設備盡可能熟練。最終，使學生掌握焊接機器人技術以及相關學科的內容。

2.3 認識與生產實習

學院船舶工程技術專業，以“嘉禾船舶2015現代學徒制試點班”項目為契機，以嘉興禾東船業有限責任公司為依托，組織學生多次到禾東船業公司參觀、實習，保證課程改革的順利進行。

3 焊接機器人操作與應用課程教學研究

3.1 教學準備階段

隨著國家大力推動高技能人才培養新模式和提升高校科研能力，學院啟動了科研發展規劃，即在嘉興市政府和船舶企業的支持下，成立科研建設小組，加強科研團隊的建設，為科研與教學創造良好的環境。

學院為焊接機器人技術實訓室提供了專門的教學場地，并在嘉興欣禾職教集團“嘉禾船舶工程學院”產學研共同體項目的資金支持下，為實訓室購置了日本川崎焊接機器人，保障了實訓教學的順利實施。同時，依托“嘉禾船舶2015學徒制試點班”項目，在教學方法改革和項目化課程開發方面提供了理論支撐。在購買焊接機器人設備的同時，設備廠商附帶了相關的技術和培訓文件，主要包括焊接機器人《操作手冊》 《電弧焊操作》 《故障檢查和排除手冊》 《安全手冊》等，以及配套設備的使用說明書。同時，通過網絡查找相關焊接視頻并借鑒其他高校的培養方案，學院提出一套適合本校學生的教學體系。

3.2 教學模式確定

在傳統教學模式中引入任務驅動教學法，采用設備廠商所提供的材料重新編排教學進度表、教學大綱以及教學內容，并開發焊接機器任務書、收集典型焊接機器人應用視頻、增加焊接機器人應用案例教學等。在課程教學改革過程中，通過布置任務，利用焊接機器人學習工作頁和典型焊接機器人應用視頻，調動學生學習的主動性、創造性和積極性，最終完成任務。通過課程學習，使學生在完成任務過程中理解焊接機器人的基礎知識，如自由度、驅動和控制系統；掌握利用焊接機器人示教器進行編程，使學生從軟件、硬件兩方面均掌握焊接機器人應用技術。同時，不斷完善教學內容，增加焊接機器人應用案例，促進焊接機器人操作與應用課程的教學改革。

3.3 課程學習任務書制訂

由于傳統教學方法與實際焊接機器人應用技術、能力培養模式相脫節，學生可以根據焊接機器人學習任務書了解焊接機器人操作與應用課程學習目標、內容和要求；同時，學生可以根據任務書中的引導性問題，發散思維、自主學習，針對給定的任務，提出解決方案、編寫焊接機器人示教程序并在工作站進行實操驗證。通過學習，不僅有利于學生對焊接機器人更深層的認識，也能激發學生學習興趣、促進學生創新能力的培養、提高課程學習質量。

焊接機器人學習任務書的基本組成包括焊接機器人本體、控制器、示教器、焊接電源，送絲機構及焊槍、氣瓶和焊機；主要技術參數有自由度、工作精度、工作范圍、最大工作速度以及工作電流電壓；示教器的使用方法包括學習示教器控制面板功能和焊接機器人示教器編程；電弧焊接操作包括對焊接機器人設備開啟與關閉、電流與電壓控制、示教器編程、輔助功能，以及焊接機器人日常維護與安全和一些引導性問題的學習。

3.4 課程案例教學設計

3.4.1 任務描述

第一，熟悉焊接機器人示教器的使用方法；

第二，掌握焊接機器人各手臂在各軸、基礎和工具三種不同坐標系下的運動形式；

第三，通過給定任務，使用示教器編寫焊接程序，通過調試和運行完成焊接任務。

3.4.2 任務實施

首先，讓學生回顧焊接機器人的主要組成、相關設備功能以及操作方法，并簡要講解焊接機器人工作原理及工作過程。

其次，授課教師利用示教器演示焊接機器人在不同坐標系下各個軸的運動情況，幫助學生了解焊接機器人的運動方式、作業空間和相關問題。

第三，熟悉焊接機器人示教器上的按鍵功能。示教器是焊接機器人進行示教和編程的主要通信工具，在學習過程中，要求學生通過閱讀示教器的使用說明了解其各種功能鍵，并要求學生利用示教器設定一個安全的速度去分別驅動焊接機器人軸上的每個電機，進一步加深理解焊接機器人的自由度和運動范圍，為下一步的焊接任務做好準備。

第四，根據焊接任務提出一些發散性問題，如焊接過程中如何修改設置參數、三個坐標系下的機器人運行優缺點等，讓學生分組討論進行學習、記錄并提出問題的解決方案。

第五，以嘉興禾東船業有限責任公司為依托，安排參與焊接機器人培訓的學生定期到船廠進行學習和實習。通過企業以師帶徒的形式進一步完善學生操作技能，解決在焊接過程中遇到的問題，最終校企雙方以及學生共同對教學質量進行考核和評定。

3.5 課程考核評價體系建立

考核評價是檢驗教學方法在教學體系中是否可行、能否作為以后考核標準來進一步優化的一種方式，若考核評價在該課程中不適用，則由其他考核方式來取代，但其常常成為被忽略的一個重要環節。從教師角度來看，運用合理的考核評價對學生的努力給予肯定，有助于學生建立起自信，激發其學習興趣，同時也對學生的學習效果做出準確反饋，使其能夠從中發現不足之處，解決問題，形成從理論到實踐再到理論的學習方法，具有良好的學習效果。

考核評價的根本目的在于提高學生學習的積極性，提升教學質量。而傳統的教學模式中，考核評價通常是以考試為主、平時成績為輔，兩者加權平均。這種考核評價方式存在以下問題：抄襲現象嚴重，導致學生的學習積極性下降；以最后考核為準，忽視操作過程，無法對學生的思考和操作過程做出正確評定；以老師為主導的教學方式，不利于引導學生自主學習，評價結果較差。為此，在引入任務驅動法教學的同時，應該重新建立與其相符合的更高效、更合理評價體系。

3.5.1 改變考核評價理念

以任務驅動法為核心的評價體系，將原有以“結果”為標準的評價方法改變為整個任務完成的“過程”。在完成過程中，以所涉及到的知識點作為評價準則，形成將靜態化為動態的考核方式，進一步了解學生的學習情況。通過各個環節的指標加權對學生做出科學評定。

3.5.2 增加學生自評、互評

將以往以單一教師評價為主的評價方式，擴展到教師評價、學生小組互評、學生自評相結合的評價模式。其中，教師評價保證了評價的客觀性、專業性和準確性；小組互評激發了各小組之間的競爭意識，進一步鞏固和完善了課程知識。

3.5.3 增加企業師傅評價

根據企業師傅對學生在企業中實習情況進行評價，能夠真實反映出學生對焊接機器人技術的掌握情況，以及企業對人才的需求。同時，基于評價情況修訂原有的教學內容，形成良性循環，最終增強教師教學主體意識、提高學生的自身操作能力。

本文結合焊接機器人發展現狀以及高職院校的人才培養方案，探索出適宜嘉興南洋職業技術學院的焊接機器人操作與應用課程教學模式，提出了課程教學改革方法，即在焊接機器人操作與應用課程教學過程中，基于現代學徒制的“校企合作、工學結合、頂崗實習”的人才培養模式，以社會需求為導向，堅持以“學生為主體”的教學新觀念進行教學改革。課程的教學改革，調動了教師和學生的積極性，豐富了教學內容，使學生在掌握焊接機器人相關知識的同時，提高了學生綜合應用知識的能力、增強了個人就業優勢。

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［責任編輯：劉 月］

Teaching Reform and Practice on the Course of Operation and Application of Welding Robot

LANG Shaocheng1,FANG Zhou1,XU Jian2
(1.Jiaxing Nanyang Polytechnic Institute,Jiaxing 314031,China;2.Jiaxing City Hedong Ship CO.,LTD,Jiaxing 314021,China)

According to the goal of cultivating high-skilled and application-oriented talents in higher vocational colleges and based on Jiaxing City Hedong Ship CO.,LTD,talent training of industry-college-research cooperation has deepened and the reform and practice on the course of operation and application of welding robot in Ship Engineering has carried out.For the goals ofcombining vocational education reform with intelligent manufacturing technology,and finally making students master welding robot technology and enhancing students'comprehensive practical abilities,the author adopts task-driven method to promote teaching innovation ,applies modern apprenticeship system into teaching practice and makes teaching evaluation system perfect.

welding robot;Ship Engineering;modern apprenticeship system;task-driven method

G710

A

2095-5928（2017）02-31-05

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2017.02.009

2017-01-10

嘉興市欣禾職業教育集團2015年度集團現代學徒制試點項目（嘉欣職 [2016]1號）；嘉興南洋職業技術學院2016年度校級課題（XL1603）

郎紹程（1987-），男，遼寧撫順人，助教，碩士，研究方向：船舶焊接技術及船舶尾氣排放與控制。

方舟（1983-），男，浙江樂清人，講師，碩士，研究方向：船舶總體性能。

徐建（1991-），男，江蘇揚州人，助理工程師，學士，研究方向：船體結構。