高職《工業機器人安裝與調試》課程建設與探索

丁健 郭瓊 胡俊平

摘要：本文詳細介紹了《工業機器人安裝與調試》課程建設思路、課程教學內容和教學方法。通過對該課程知識學習領域和職業能力目標的探究，自主研制直角坐標機器人、六軸機器人和AGV三種工業機器人教學設備，進而按照工程教育理念凝練教學內容，設計四個實際工程教學項目以及典型工作任務。教學組織采用“任務分析、小組討論、任務實施、小組考評”的方式，以此提高學生學習的主觀能動性和課程教學質量。

關鍵詞：工業機器人；安裝與調試；典型工作任務

中圖分類號：G714 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）02-0262-03

一、引言

工業機器人是一種可重復編程的多功能操作機，可用于完成加工搬運等作業任務，涉及計算機、機械工程、控制論、仿生學、信息與傳感技術、人工智能等多學科領域[1]。隨著《中國制造2025》的實施及產業轉型升級的需求，我國工業機器人產業將會面臨重大的發展機遇，根據工信部的發展規劃，到2020年，我國工業機器人裝機量將達到100萬臺，需要20萬左右的各類工業機器人技術應用型人才[2]。然而，當前許多工業機器人的安裝與調試還只依靠企業產品手冊和培訓材料，所以結合高職院校教學特色建設《工業機器人安裝與調試》課程顯得很有意義。

通過對工業機器人產業崗位進行調研，目前人才需求主要集中在本體及零部件設計與加工制造、安裝與調試、操作與編程、系統集成、產品銷售和技術支持等崗位[3]。因此，高職院校工業機器人技術專業目標應定位于培養從事工業機器人及其相關設備的安裝、編程、調試、系統集成、運行維護等工作的應用型技術技能型人才。但是，由于許多高職院校開設該專業時間較短，專業課程體系尚未健全，專業人才培養質量不高[4]。所以，本文根據高職工業機器人專業培養目標，對照工業機器人安裝與調試職業功能和工作內容，探索與建設《工業機器人安裝與調試》課程，通過前期工業機器人安裝與調試實訓室建設，開發“教學做一體化項目”和“典型工作任務”課程，以提高學生的綜合職業能力、專業素質和創新意識。

二、課程建設思路

根據高職工業機器人技術專業的培養目標，基于“工學結合、項目引導和任務驅動”的建設思路，該課程依托直角坐標機器人、六軸機器人和AGV（自動引導運輸車）三種典型工業機器人，將工業機器人安裝調試知識與技能點融入典型教學項目任務中。學生將在工業機器人裝調實訓室完成三種典型工業機器人安裝與調試的全過程，同時堅持知識傳授與操作訓練為一體、多維考核與素質拓展為一體，突出職業技術教育實踐能力培養，將高職院校“做中學、做中教”的教育理念貫徹于課程設計的全過程。課程教學項目由若干個工作任務組成，每個任務按照“知識學習、任務描述和任務實施”進行，以完成相應任務知識和技能要求為目標，注重工業機器人安裝與調試職業能力培養，重點加強工業機器人常用傳動機構安裝、電氣與伺服控制系統安裝調試、機電聯調和應用編程等方面應用能力培養，淡化機器人機構學、運動學以及動力學等理論教學內容。

三、課程建設內容

在企業充分調研和畢業生跟蹤調查的基礎上，本課程遵循可行性、覆蓋性、趣味性、典型性和實施方案多樣性原則，以三種典型工業機器人為載體，與企業合作設計開發若干教學做一體化的項目，如圖1和表1所示。

1.工業機器人認知。工業機器人是一種可重復編程的多功能操作機，能搬運材料、工件或操持工具來完成各種作業。該項目知識學習涉及工業機器人基本概念、組成與分類、現狀與發展以及相關應用領域，任務實施側重于工業機器人本體和控制柜認知，以及工業機器人操作規范。例如，了解工業機器人常用鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、螺旋傳動等機械傳動結構，認識典型六軸工業機器人的基座、大臂、小臂、腕部和手部結構，熟悉工業機器人控制柜常用電氣元件及其工作原理，掌握機器人安全操作以及維護保養規范，使學生掌握工業機器人安裝調試過程中需遵循的基本方法和技術。

2.直角坐標機器人安裝與調試。該項目以直角坐標工業機器人作為教學載體，三軸直角坐標工業機器人安裝在鋁合金導軌式實訓工作臺面上，X軸、Y軸和Z軸是相互垂直的滾珠絲桿直線運動機構，可以實現滑臺的平移運動，三軸運動都由相應的伺服電機驅動，機器人在工作臺面上可以完成設定的寫字繪圖任務，其執筆裝置必須按照一定的運動軌跡行走。由于直角坐標機器人基本涵蓋和表現工業機器人的典型技術，學生可進行機器人單軸絲桿傳動機構機械安裝、電氣控制安裝與調試、PLC編程與調試、伺服系統安裝與編程和軌跡運動規劃等多種不同技能訓練，其可開設的實驗項目既有演示性與驗證性實驗，也有設計性和綜合性實驗，能激發學生的學習熱情和主觀能動性，有利于學生掌握工業機器人的工作原理和提升機器人的操作維護技能。

3.六軸機器人安裝與調試。六軸機器人是一種模擬人手臂、手腕和手功能的機電一體化裝置，可以精確控制物體運動的位置、速度和加速度，從而完成某一工業生產的作業要求。在前面兩個項目學習基礎上，進一步學習六軸機器人的工作原理與安裝調試方法，重點掌握機器人軸關節和末端工具手安裝、電氣與控制系統安裝和機器人示教編程方法。例如，可以進行指定軸關節伺服電機、行星減速機、交叉滾子軸承、軸承壓蓋和連接臂的安裝，機器人吸盤工具手和氣爪工具手氣路中氣管、電磁閥、氣缸、過濾器和分離器等部件的安裝與調試，亦可根據教學需求設置機器人工具手工件搬運、碼垛和裝配示教編程任務。在接近實際工業項目任務操作中進行探索、訓練和總結，能夠確保學生掌握典型六軸工業機器人的安裝與調試技能。

4.AGV安裝與調試。AGV小車作為一種智能工廠的運輸工具，裝配有電磁或光學自動導引系統，可以按規劃的導引路徑行走，在工業生產和物流管理中起著至關重要的作用。利用自主開發的磁引導AGV教學平臺，學生可以學習AGV充電系統、導航系統、信號采集系統和控制系統工作原理，主要掌握AGV小車上部運輸機構和傳感控制系統安裝與調試。例如，帶傳動中主動軸、從動軸、同步帶傳動機構、皮帶和張緊輪等部件的安裝，信號采集控制系統中磁導傳感器、直流電機及其驅動器的安裝和調試。另外，可進一步設置AGV循線前進、后退、轉彎、加減速等應用編程任務，幫助學生認識典型AGV機器人的基本概念和原理，并在此基礎上拓展一些無線通信、系統監控和智能直流調速控制等較復雜的任務。

四、教學方法探索

通過前期《PLC應用技術》、《電氣控制技術》和《工業機器人技術基礎》相關專業課程學習，本課程依據CDIO（構思、設計、實施和運作）工程教育模式[5]，以接近實際工程項目為載體，按照“知識學習—任務導入—任務實施”的方式展開，具體方法如下。

1.引入自制教學設備，凝練典型工作任務。為了有效提高教學效果和學生學習興趣，課程團隊自主開發三種典型工業機器人實訓平臺，在教學過程中將工業機器人安裝調試知識和技能要點融入項目任務中，任務設置強調典型性、實用性、趣味性和啟發性。例如，將“寫字繪圖”的創意融入直角坐標機器人教學設備，學生既能完成機器人基礎性絲桿傳動機構和電氣安裝與調試，有助于學生理解一般工業機器人系統的基本組成和工作原理，同時還能開展機器人末端軌跡繪制和軌跡復現等應用編程任務，從而增強學生學習的趣味性，寓教于樂。

2.改進課程組織方式，提升課程教學質量。教學組織是課程目標得以實現的重要環節和師生互動的主要方式，堅持以學習者為中心的教學理念，以教、學、訓、做、評相融合的高職教育組織方式，將學生以5—6人為單位進行分組，并讓各小組推薦一名小組長，學生以組為單位進行“任務分析、小組討論、任務實施、小組考評”，在此過程中，一方面教師與學生一同進行任務剖析、小組討論和交流意見，另一方面教師將項目任務中的知識和技能點融合于項目任務分析、小組討論和教師點評過程中，這種組織方式不僅可以充分發揮學生的能動性和創新性，還能提升教師自身業務能力。

五、結語

由于高職工業機器人技術專業發展時間較短，專業課程體系尚不完善，通過對工業機器人產業崗位需求充分調研的基礎上，探索與建設《工業機器人安裝與調試》專業核心課程。該課程突出工程教育思想，通過引入自制教學設備來構建教學做一體化項目式教學內容，按照學生為中心的理念來組織教學過程，從而保證該課程實施后能有效促進學生工業機器人安裝與調試職業能力的全面提高，同時對高職工業機器人專業其他課程建設具有一定借鑒意義和推廣價值。

參考文獻：

[1]張建國.工業機器人實訓基地的構建與探索[J].機械職業教育，2016，（6）：40-42.

[2]李福運，林燕文，魏志麗.工業機器人安裝與調試教程[M].北京航空航天出版社，2016.

[3]曾欣，朱濤，陳琪，王賽.高職院校工業機器人技術專業的專業課程構建探討——以宜賓職業技術學院為例[J].教育教學論壇，2017，（17）：254-255.

[4]馮海杰，余正泓.德國雙元制職業教育模式對工業機器人技術專業人才培養的啟示[J].機械職業教育，2017，（9）：28-31.

[5]曾志斌.基于CDIO模式的工業機器人技術專業工程能力提升研究[J].中國職業技術教育，2017，（33）：117-120.

Abstract：This paper introduces detailed construction ideas，teaching content and teaching methods of the "Industrial Robot Installation and Debugging" course.By studying the knowledge learning areas and professional competence goals for this course，three typical industrial robots that contain cartesian robots，six-axis robots and AGV are self-developed.And then according to engineering education concept，four practical engineering teaching project and typical tasks are designed.The teaching organization uses the methods of "task analysis，group discussion，task implementation，and group evaluation"，which aims to improve the subjective initiative and course teaching quality for the students.

Key words：industrial robot；installation and debugging；typical tasks