工業(yè)機器人編程與操作實訓(xùn)教學探索

黃桂琴 姚永玉 李素芳

摘? 要 論述工業(yè)機器人編程與操作實訓(xùn)課程的教學現(xiàn)狀、實訓(xùn)內(nèi)容的選定、實訓(xùn)教學的組織與實施，在實施過程中采用項目式教學和“學做教”一體化教學相將結(jié)合的教學方法，使學生在項目中熟悉在線編程的步驟與指令系統(tǒng)，掌握示教盒的各功能鍵、機器人與其他設(shè)備的協(xié)同工作等相關(guān)操作，以培養(yǎng)學生的動手能力，使其盡快融入相關(guān)企業(yè)。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機器人;實踐教學;編程;實訓(xùn)設(shè)備;教材

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）10-0127-03

Abstract Discussing the current teaching status of training of Indus-trial Robot Programming and Operation， and the selection of the xtraining content， the passage states the organization and implemen-tation of the course. Project-based teaching mode and “l(fā)earn to teach”，a combined teaching method would be applied in the teaching prac-tice， which makes students more familiar with the steps of online programming and instruction system in the project， getting the point of the function keys of the teaching box， the collaborative operation between robots and other devices， and operations like that. The pur-pose is to cultivate students practical ability so that they can be integrated into related enterprises as soon as possible.

Key words industrial robot; practical teaching; programming; experiment equipments; textbook

1 前言

我國已經(jīng)成為世界的制造業(yè)中心，國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉(zhuǎn)型時期，用機器人技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是提高企業(yè)市場競爭力的有效方法之一[1]。對于應(yīng)用型高校，為國家培養(yǎng)工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)型人才的任務(wù)十分緊迫。近年來，很多應(yīng)用型高校已開設(shè)機器人相關(guān)專業(yè)，或者開設(shè)相關(guān)課程，并購買了不同類型的機器人實驗設(shè)備。但作為新開課程，部分教師還缺少相關(guān)的教學經(jīng)驗，不能形成符合應(yīng)用型高校培養(yǎng)特點的教學方法。因此，對這門課程進行教學內(nèi)容和教學方法的探索是十分必要的。

2 課程教學現(xiàn)狀及存在的主要問題

教學現(xiàn)狀? 作為應(yīng)用型本科，學生的培養(yǎng)目標是既要有一定的理論知識，還要有較強的動手能力。機器人應(yīng)用技術(shù)和機器人編程與操作訓(xùn)練是機械電子工程專業(yè)的專業(yè)方向特色課程，也是工程實踐性很強的課程，在強化學生專業(yè)知識、培養(yǎng)學生動手能力、提高綜合運用所學知識和技能去對接工作實際需求等方面，發(fā)揮著重要作用。洛陽理工學院機械學院機器人應(yīng)用技術(shù)課程開在第七學期，通過理論學習，學生需要了解工業(yè)機器人運動學、動力學的基本概念，掌握機器人本體基本結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的構(gòu)成，了解機器人軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)插補的基本概念與機器人編程語言，了解工業(yè)機器人工作站及生產(chǎn)線的基本組成和特點等理論知識[2]。

理論課結(jié)束后，開始工業(yè)機器人編程與操作訓(xùn)練，為期一周，針對學院設(shè)備開展實際操作訓(xùn)練。

存在的主要問題

1）缺乏適合的教材。應(yīng)用型本科院校以本科教育為主，面向區(qū)域經(jīng)濟社會，以學科為依托，以應(yīng)用型專業(yè)教育為基礎(chǔ)，以社會人才需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才，要求學生掌握本專業(yè)相關(guān)技術(shù)，具有較強的實踐能力。現(xiàn)有的工業(yè)機器人相關(guān)教材，有的偏重理論講解，有的流于產(chǎn)品說明或用戶指南[3]，而真正合適的教材應(yīng)是內(nèi)容與設(shè)備類型匹配。目前市面上還沒有和學院的實驗設(shè)備類型完全匹配的教材，選用的教材在實際使用過程中需要對部分內(nèi)容進行刪減和相應(yīng)補充，給教學帶來諸多不便。

2）實訓(xùn)設(shè)備偏少。目前的工業(yè)機器人產(chǎn)品缺乏規(guī)范性，品牌繁雜且互不兼容，開放程度較低。因此，如何選擇具體的工業(yè)機器人進行實踐教學，也是應(yīng)用型高校面臨的一個難題。而且機器人造價不菲，受資金和場地等條件的制約，構(gòu)建專門的機器人實驗室成本過高，造成目前這門課程的實踐條件缺乏[3]。洛陽理工學院機械學院雖有幾種工業(yè)機器人，但臺套數(shù)偏少，實踐環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)人人熟練掌握。

3）教師缺乏工業(yè)機器人應(yīng)用技能的實踐經(jīng)驗，教學方法單一。實際操作的教師應(yīng)該具有一定的實際操作工藝應(yīng)用經(jīng)驗，而目前國內(nèi)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)仍處在發(fā)展初期，專業(yè)教學教師嚴重缺乏。只能是學校現(xiàn)有的教師通過短期培訓(xùn)，再加上自己利用空余時間不斷地去操作訓(xùn)練，上課時才可以邊講解邊演示，處理突發(fā)問題的能力有限，讓學生自由探索的機會偏少。

3 實訓(xùn)內(nèi)容的選擇與項目設(shè)計

實訓(xùn)內(nèi)容的選擇? 將培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力作為培養(yǎng)核心，在加強學生對基礎(chǔ)理論知識理解的同時，更注重培養(yǎng)學生的實際動手能力和創(chuàng)新能力[3]。洛陽理工學院機械學院在專業(yè)建設(shè)初期，對不同企業(yè)工業(yè)機器人的應(yīng)用類型進行了調(diào)研，在經(jīng)費與場地有限的情況下，購買了兩臺固高的GRB3014A四自由度直角坐標機械手，兩臺新松的SRT10C 6自由度機器人，一套由兩臺6自由度碼垛機器人、一臺傳送裝置和一個儲物架組成的小型工作站，一臺深圳優(yōu)旺特自動搬運車（AGV），再加上其他部門的可供參觀的設(shè)備，基本可以滿足學生對工業(yè)機器人多品種應(yīng)用方面的練習和了解。

同時，根據(jù)機器人編程與操作訓(xùn)練的教學大綱要求，進行教學設(shè)計。實訓(xùn)一共設(shè)計五個大項目的教學環(huán)節(jié)：四自由度直角坐標機械手，6自由度機器人編程與操作，碼垛編程與操作及機器人協(xié)同工作，自動搬運車（AGV）編程與操作，認識不同用途的工業(yè)機器人。每個項目下又分為若干個任務(wù)，任務(wù)難度逐漸增加，將學生需要掌握的知識與技能融入其中，并與生產(chǎn)實際相結(jié)合，保證教學知識與技能的針對性和實用性。為保證教學的順利進行，針對這些設(shè)備，根據(jù)設(shè)計好的項目編寫《工業(yè)機器人編程與操作實訓(xùn)教程》作為內(nèi)部教材，學生練起來有了指導(dǎo)依據(jù)，也解決了缺乏合適教材的問題。

實訓(xùn)項目任務(wù)設(shè)計? 根據(jù)現(xiàn)有實驗設(shè)備，設(shè)計小項目及任務(wù)。

1）四自由度直角坐標機械手。其中小項目有單軸點位運動控制、單軸PT運動控制、單軸PVT運動控制和多軸插補運動控制，分別從點位控制、連續(xù)軌跡控制和同步控制這三種運動控制著手，從易到難實現(xiàn)應(yīng)用，讓學生理解點位運動等相關(guān)概念，掌握運動控制實現(xiàn)方法和各個參數(shù)的含義及設(shè)置。

2）6自由度機器人編程與操作。其中小項目有機器人系統(tǒng)基本介紹、直線運動軌跡的編程與執(zhí)行、圓弧運動軌跡的編程與執(zhí)行、不同軌跡間連接方法的編程與執(zhí)行。在這些項目中熟悉在線編程的步驟、方法與指令系統(tǒng)，掌握示教盒的各功能鍵和利用報警信息發(fā)現(xiàn)解決現(xiàn)場問題。

3）碼垛編程與操作及機器人協(xié)同工作。其中小項目有碼垛機器人操作、機器人及傳輸線I/O口的分配分析、1號機器人作業(yè)編程、1號后臺作業(yè)即傳輸線作業(yè)編程、2號機器人作業(yè)編程。通過這些項目學習碼垛子程序的應(yīng)用，各設(shè)備間輸入輸出信號的匹配，機器人與其他設(shè)備協(xié)同工作的相關(guān)操作與編程，如何防止各機器人間及機器人與其他設(shè)備間發(fā)生干涉而產(chǎn)生重大事故。

4）自動搬運車（AGV）編程與操作。在地上鋪設(shè)軌道，軌道上設(shè)置五個節(jié)點，每位學生在節(jié)點設(shè)置不同的動作，編寫程序并執(zhí)行。通過此項目學習AGV的動作、相關(guān)操作、編程方法與應(yīng)用，為AGV小車與其他設(shè)備協(xié)同工作做好準備。

5）參觀學習機器人學院不同類型工業(yè)機器人工作站及流水線。應(yīng)用六自由度機器人的工作站有沖床上下料工作站、數(shù)控機床上下料工作站、打磨工作站夾持工件、焊接機器人工作站及大型碼垛機器人。流水線是光機電一體化機器人彩色小球分裝流水線，該線中有SCARA機器人和直角坐標機器人傳遞工件，有視覺機器人檢測工件、Delta機器人分揀工件，多種機器人的結(jié)構(gòu)原理不同，在生產(chǎn)線中作用不同。通過此項目認識到生產(chǎn)中的哪些問題可以用工業(yè)機器人解決，如何選擇不同類型的工業(yè)機器人，使理論學習與生產(chǎn)實際結(jié)合更緊密。

這樣設(shè)計教學項目，把所有設(shè)備都充分利用起來，能夠盡可能地擴大學生視野。

4 教學組織與實施

組織形式? 在“學做教”一體化教學過程中，以項目（任務(wù)）化實訓(xùn)法[4]中的項目任務(wù)為驅(qū)動，以工作過程導(dǎo)向為主要教學方法[5]，以協(xié)作團隊的形式，把學生分成若干小組，每個小組選一個組長，可以一人操作時，其余人在旁邊觀摩并互相學習。為防止安全隱患和便于學生觀摩學習，每組人數(shù)不宜太多。教師在教大家時重點把組長教會，組長在練習時，組員再次觀摩學習，再由組長指導(dǎo)組員、組員指導(dǎo)組員，本組指導(dǎo)好的可以指導(dǎo)下一組，每人有一次學、做與教的機會。每人在操作時會出現(xiàn)不同的狀況，小組成員共同協(xié)商，找出解決辦法;解決不了找教師，教師也解決不了的咨詢廠家。這樣不僅可以鍛煉學生通過自主學習、協(xié)作學習和指導(dǎo)學習的方式掌握課程必備的理論知識和技能，也能提高學生學習積極性和團隊協(xié)作能力，以及分析、解決問題的能力，從而進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。對于教師教學相長，提高也更快。

實施方案

第一步，先對學生進行分組，每五人一組，選一組長，然后給每個小組分配項目任務(wù)。根據(jù)任務(wù)引導(dǎo)學生思考在已有知識的基礎(chǔ)上如何往下一步開展，自主提出解決方案，教師和學生一起討論方案的可行性，指出存在的問題。

第二步，教師編寫示教程序并運行，發(fā)現(xiàn)問題后，結(jié)合報警提示，分析問題出現(xiàn)的原因，并找出解決問題的辦法。

第三步，在保證安全的前提下，鼓勵學生動手嘗試，最后展開討論，總結(jié)問題與收獲。

通過這個過程，學生的自我學習、探索和動手能力可以得到有效培養(yǎng)[3]。

同時，為克服設(shè)備偏少的問題，在方案實施過程中有兩個教師分別講解演示。前四個項目講完后，所有組均可開始自己的項目。每組完成一個項目后，可以輪流到下一項目。這樣設(shè)備同時開啟，學生可以有更多的練習機會，但教師的指導(dǎo)難度加大，教師要在此之前熟悉所有設(shè)備并充分準備，以應(yīng)對出現(xiàn)不同的問題。

5 結(jié)語

洛陽理工學院機械學院機器人項目式教學和“學做教”一體化教學相結(jié)合的教學方法，已應(yīng)用于16級的四個班，教學效果良好。學院準備將此經(jīng)驗用于后續(xù)更多班級的教學中，進一步驗證其優(yōu)越性。同時需要根據(jù)教學過程中存在的一些問題，如工位不足、項目較少、任務(wù)單一等，進行逐一改進，并不斷提升教師的實際應(yīng)用水平，以更好地服務(wù)于教學。

教學改革是一個與時俱進的過程。隨著學院新機房西門子UG軟件的安裝和智能制造生產(chǎn)線的建成，逐步把工業(yè)機器人的離線編程，機器人在智能制造生產(chǎn)線中與立體倉庫、數(shù)控機床、3D打印等設(shè)備協(xié)同工作等內(nèi)容加入實訓(xùn)中，堅持在以后的教學過程中不斷改進和完善，更好地培養(yǎng)出符合社會發(fā)展特點、適合生產(chǎn)實際需求的人才。

參考文獻

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