探究式學習在弧焊機器人實踐教學中的應用

喬 佳，高黨尋，姚啟明，王龍兵

（清華大學基礎工業訓練中心，北京100084）

0 前言

近年來，隨著我國勞動力成本的逐漸提升，以廉價勞動力為支撐的“中國制造”經濟模式難以為繼，越來越多的加工制造企業關注以焊接機器人為代表的焊接自動化技術[1]。根據國際機器人聯合會（IFR）2015年的統計數據，截止2020年，工業機器人將達到26.8萬臺，約30%的工業機器人會被應用到焊接領域[2]。焊接作為工業中的“鋼鐵裁縫”，是工業生產中非常重要的加工手段，焊接質量好壞對產品質量起決定性作用，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接工作環境非常惡劣。隨著先進制造技術的發展，實現焊接產品的自動化、柔性化與智能化成為必然趨勢，采用機器人焊接成為焊接技術自動化的主要標志[3]。

機器人焊接技術經過十幾年的應用實踐，已具有一定規模，但與我國焊接生產總體需求相差甚遠。對于清華大學基礎工業訓練中心材料成型實驗室KUKA弧焊機器人實踐教學而言，僅僅讓學生掌握弧焊機器人基本操作與編程遠遠不夠，探究式學習尤為重要。因此，在此基礎上加入基本焊接工藝參數調節環節，不僅使學生了解KUKA弧焊機器人的組成和功能，以及基本操作與編程，還可以讓學生通過調節焊接工藝參數來了解其對焊縫成形質量的影響，進而更全面、更深刻地認識機器人弧焊。

1 教學方案與實踐內容

1.1 KUKA弧焊機器人實踐資源與設備

弧焊機器人實訓室自2015年開建，目前占地面積近百平方米，設備資產300余萬元，實訓室場地規劃如圖1所示。該弧焊機器人實驗室有3個弧焊機器人工作站，如圖2所示，并設有大噸位單、雙軸變位機，柔性工作平臺等輔助機器人完成復雜焊接工藝。弧焊方法涉及CO2焊、MIG/MAG焊。

圖1 弧焊機器人實訓室場地規劃

1.1.1 工作站組成及系統功能[4]

（1）單機器人弧焊工作站配備1臺KUKA-KR5 ARC機器人；1臺KEMPPI-KP 350惰性氣體保護焊電源（帶送絲機、防撞焊槍），可以焊接鋁合金；1個工作臺（配平焊對接焊接卡具）；1臺KUKA DKP-400雙軸焊接變位機。

圖2 弧焊機器人工作站

（2）雙機器人弧焊工作站配備2臺KUKA-KR5 ARC機器人；2臺KEMPPI-KS 300二氧化碳氣體保護焊電源（帶送絲機、防撞焊槍）；2個工作臺（分別配裝平焊和角焊焊接卡具）；1臺KUKA單軸焊接變位機。

（3）多機器人弧焊工作站配備3臺KUKA-KR5 ARC機器人；2臺KEMPPI-KS 300二氧化碳氣體保護焊電源（帶送絲機、防撞焊槍）；1個工作臺（配裝平焊和角焊焊接卡具）；其中1臺機器人配備氣抓并且帶地軌，可實現移動抓取。3臺機器人通過PLC控制，協作完成管板焊接。

1.1.2 弧焊機器人實訓室設備配套

（1）平臺可實現焊接過程的實時監控，有效分析焊接過程中的熔池形狀。較為先進的激光焊縫跟蹤技術可實現高品質焊接，具有智能焊接過程的重要特征。

（2）對機器人控制系統同時開發了弧焊功能軟件，實現在激光視覺傳感焊縫跟蹤下的中厚板多層多道焊接。保證教學安全，建設多種安全防護系統、機器人防碰撞裝置。

1.2 KUKA弧焊機器人實踐具體內容

1.2.1 實踐教學內容與目的

實踐環節分為4個階段。第一階段為基本理論講解，主要目的是使學生了解KUKA弧焊機器人基本概念、發展現狀、特點及應用；第二階段為基礎編程操作講述，目的是使學生掌握KUKA弧焊機器人示教在線編程，具備完成機器人焊接任務的技能，以及安全意識的培養；第三階段為分組進行信息收集、工藝探索、實驗操作，以“任務驅動”模式完成焊接，最終得出不同材料、不同板厚、不同接頭形式的較為合理的焊接工藝參數，是實踐環節的最重要階段，主要目的是使學生在操作過程中體會焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響；第四階段為總結討論，針對實踐過程進行成績評定，目的是使不具備熟練焊接實操能力的本科生通過弧焊機器人更深刻地認識焊接工藝參數，加強學生探索精神、團隊協作能力、工程意識的培養。

1.2.2 教學模塊及時間占比

探究式學習課程模塊分為：KUKA弧焊機器人基本概念、示教在線編程學習、基本操作技能訓練、焊接工藝參數探索、團隊協作能力及工程意識鍛煉。課程時間占比如圖3所示，課程內容流程如圖4所示[3]。

圖3 時間占比

圖4 課程內容流程

1.2.3 分組操作環節具體實施

實踐中最為重要的環節是模塊三——分組操作，目的是使學生更直觀地了解焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響，具體實施如下。

（1）布置任務。

將學生分為4組，低碳鋼變焊接電流組、變電弧電壓組、變焊接速度組以及鋁合金變板厚組，分別完成不同板厚、不同接頭形式的焊接。

（2）分組討論、資料收集。

提供相關焊接工藝參數表，學生篩選、收集資料，并根據資料討論焊接工藝參數范圍。

（3）實驗操作、工藝探索。

各組根據得到的參數范圍進行實驗探索，找到較為合理的焊接工藝參數，如電流、電壓、焊接速度等。

（4）填寫實習任務書。

將得到的參數填入表內，進行不同接頭形式、厚度、材料之間的對比。任務書如圖5所示。

圖5 任務書

2 探究式學習過程

在探究式學習中，學生自主探究過程也是其積累知識、掌握科學研究方法和提高能力的過程。為此，在弧焊機器人實習過程中應特別重視探究過程各個實施細節的設計，更有效地提高課程的學習質量[5]。

（1）提出探究問題。

在弧焊機器人實習過程中提出“焊縫成形質量與焊接工藝參數有怎么樣的關系”這一問題，原因在于學生在手工焊接實習過程中由于缺乏熟練的焊接操作技術并且實習時間較短，無法深刻地認識到焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響，在此利用弧焊機器人對這一問題進行探究。先使同學們認識焊縫成形（熔寬、熔深、余高），以及MIG/MAG焊焊接工藝參數（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、送絲速度、焊接位置、熱輸入等）。然后讓學生們進行假設和猜想，據此形成具體的實驗方案。對于非焊接專業的本科生，只進行焊接電流、電弧電壓、焊接速度對焊縫成形質量影響的探究。

（2）培養基本實驗技能。

為保證后續探究活動的順利進行，指導老師在探究活動開展前集中講解弧焊機器人的一些基本知識以及焊接指令的示教在線編程。為了培養學生的基本實驗技能，將學生分成小組進行操作練習，在短時間內掌握基本示教在線編程。

（3）生成實驗方案。

為生成實驗方案展開各抒己見、集思廣益的討論，不僅有益于順利生成具有可行性的實驗方案，而且有助于學生在相互啟迪中形成正確認識[5]。在討論“焊縫成形質量與焊接工藝參數有怎么樣的關系”問題時，學生們提出采用“定多變一”的方法進行分組實驗。將學生分為4組，分別為4 mm低碳鋼變焊接電流組、變電弧電壓組、變焊接速度組以及鋁合金變板厚組（都為平焊對接），然后進行編程焊接，最后記錄匯總數據。

（4）實驗結果討論。

根據記錄匯總進行討論與總結，最終得出：電流越大、熔深越大，電弧電壓越大、熔寬越寬，焊接速度越快、余高越高，這些變化都發生在一定范圍內。在實際生產焊接時應綜合這些變量，通過一系列合理的焊接工藝參數設置才能得到符合要求的焊縫。為使學生深刻地認識到這一點，有了下一步的實驗結果優化環節。

（5）優化實驗結果。

在實習過程中不僅要通過“定多變一”的方法完成“焊縫成形質量與焊接工藝參數有怎么樣的關系”這一問題的探究，還要使學生對不同材料、不同焊接接頭形式有一定的認識。因此，讓學生利用上一環節的探究結果繼續探索3 mm、5 mm低碳鋼平焊對接，以及4 mm低碳鋼、4 mm鋁合金角接形式的較為合理的焊接工藝參數，較為全面地認識焊接。

（6）指導老師積極引導、適時點撥。

在整個探究過程中，學生是知識建構的主人。因此，指導老師要特別注重學生主體作用的發揮，尤其注意留給學生足夠的思考和討論時間，不要過早、過多地加以干預。對于探究過程中的關鍵點以及出現的一些問題，指導老師要善于與學生一起交流和探討，并在必要時畫龍點睛地進行一些點撥引導、概念提升和知識深化，以促進實驗探究的順利進行和深入開展[5]。

3 探究式學習的意義與效果

隨著對焊接質量、效率要求的提高，焊接機器人系統由于能夠提高焊接生產效率、降低人力成本、獲得更優的焊縫質量，逐步開始代替傳統的人工焊接技術，應用于工業生產中。

將科學探究引入到實踐教學中，其目的是希望學生能獨立地通過探究活動來獲得知識，同時培養其科學態度，而不是由教師安排好一切，讓學生順著一定的途徑“走”下去或將學生徑直引向答案。換言之，探究的出發點在于學生方面，教只是為了服務，而不是學服從教。教學中的探究強調的是在學習過程中學生提出問題、收集資料和解決問題[6]。

在焊接實踐環節中，沒有焊接實操技能的本科學生要真正理解焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響具有一定難度，而借助弧焊機器人能夠很好地避免人為客觀因素對焊接過程的影響，再利用探究式學習可以更深刻地認識焊接工藝參數。

引入探究式學習的效果顯著，具體如下：

（1）培養科學探究能力。

學生從信息收集、工藝探索到實驗操作，完成各組任務，再到最終得出不同材料、板厚、接頭形式的較為合理的焊接工藝參數。在這些環節中，會帶著問題去思考、真正地理解，類似科學工作者解決問題的思路，從而培養了學生的科學探究能力。

（2）激發實踐學習興趣。

通過任務驅動教學模式，學生分工合作，每個人都主動參與其中，經過不斷探索完成任務，體會成功的喜悅，激發不斷探索實踐的興趣。

（3）增加課程挑戰度。

每個小組的任務不同，都需進行信息收集、工藝探索，不斷反復的實驗操作，尋找適合各組工件的相關焊接工藝參數。從而增加課程挑戰度，同時培養學生敢于挑戰的探索精神。

（4）提高綜合素質。

采用探究式學習，學生在做中學，在思考中學，注重學生之間的協作、討論、反思，建立民主、寬松的教學環境。提高學生實習效果，激發實踐興趣，培養科學探究能力、團隊協作能力以及工程素質。

4 結論

隨著先進制造技術的發展，實現焊接產品制造的自動化、柔性化與智能化成為必然趨勢，采用弧焊機器人成為焊接技術自動化的主要標志。弧焊機器人實驗室是清華大學基礎工業訓練中心重點建設實訓室，在此基礎上將繼續建設更科學、更智能、更數字的弧焊機器人實訓室，開發更有效、更有吸引力的弧焊機器人實踐課程，不斷探索其在人才培養、科研服務上的思路，為建設一流大學添磚加瓦。