用項目引領工業(yè)機器人實操與應用教學

伍倩蘭

工業(yè)機器人已經廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、食品工業(yè)、物流等諸多領域。佛山作為制造業(yè)重地，機器人需求將持續(xù)穩(wěn)步增長，目前，佛山市制造業(yè)就業(yè)人數為253.23 萬人，機器人行業(yè)人才需求緊迫，需求數量大。

近年來，國內企業(yè)和科研機構加大機器人技術研究與本體研制方向的人才引進與培養(yǎng)力度，在硬件基礎與技術水平上取得了顯著效果，但現場調試、維護操作與運行管理等應用型人才的培養(yǎng)力度依然有所欠缺。機器人應用與維護專業(yè)人才又是市場緊缺的，所以培養(yǎng)此類人才符合市場需求。

為適應社會及用人單位的人才需求，我校從2017年開始開設機器人應用與維護專業(yè)。在2019年佛山市和順德區(qū)中職學校機器人應用與維護專業(yè)人才培養(yǎng)質量第三方考核評價中，我校共有46名學生參加考核，其中25名學生參加佛山市第三方考核，21名學生參加順德區(qū)第三方考核。參加考核學生通過率100%，并取得佛山市第二、順德區(qū)第一的成績。本文結合筆者的教學實踐，以ABB工業(yè)機器人為例，通過五個項目探析如何用項目引領工業(yè)機器人實操與應用教學。

一、項目一：認識工業(yè)機器人

（一）齊齊參與，揭開機器人面紗

機器人品牌和種類很多，如果教師一味滔滔不絕地介紹，學生聽著就沒有興趣了。為了讓學生能主動參與到學習中，筆者引入了第一個項目——認識工業(yè)機器人。在這個項目里，知識點分成三個模塊，將學生分成三個小組，并指定三名學生為小組長，由小組長決定組員名單及選定一個模塊查找資料，做成海報或ppt，在上課時分享給其他人。三個模塊分別是：工業(yè)機器人定義及應用行業(yè);如何正確開、關機器人，有哪些安全注意事項;機器人由哪幾部分組成？各部分作用是什么？

通過這種方式，學生自己揭開機器人神秘的面紗;根據項目書的內容，教師引領學生一步步走進機器人的世界。課堂上，小組間相互展示，組員相互補充，課堂氣氛空前高漲，在愉快的學習中，學生掌握了機器人定義，了解了當前機器人四大家族的名稱和品牌，了解了國內機器人品牌及機器人發(fā)展史;并掌握機器人操作的安全要求，懂得如何正確開、關機器人;掌握機器人組成和各部分作用。

（二）現場展示，一睹機器人芳容

對機器人有基本認識后，學生帶著項目書進入機器人實訓室。我校機器人操作室用的是ABB120機器人，共有11個工位。將學生分成11個小組，在機器人不通電的情況下，由小組長帶著組員先按項目書要求找到機器人各部分所在位置，并再一次認識各部分名稱。然后筆者現場講解機器人實驗室安全操作要求，最后通電演示機器人的開機、關機、急停等操作。在講述工業(yè)機器人的組成時，筆者用類比法進行總結。通過講解，學生進一步掌握機器人的三大組成部分：①控制柜：是機器人的心臟，相當于電腦主機。電源總開關、急停開關、電動機通電/復位開關及機器人狀態(tài)選擇開關，電磁抱閘開關都在控制柜上;同時，后面學習的io板也是掛在控制柜。②示教器：相當于玩手游時的操縱器，機器人的各種運動都由示教器進行操控，機器人的程序編寫也是在示教器完成。③本體：是控制對象。一般機器人有六個軸，每個軸可以單獨進行運動，稱為單軸運動。也可以幾個軸同時運動，稱為線性運動或重定位運動。

（三）動手操作，解密機器人運動

在充分認識機器人的組成和結構后，學生根據項目一的操作步驟進行訓練。

1.開關機操作

要求學生正確進行開機并打到手機狀態(tài)，然后按關機順序正確關機。

2.示教器使用

（1）將示教器語言改為中文。

（2）設置系統(tǒng)時間為2020年6月16日15：22：30。

（3）事件日志查看，說出當前示教器顯示的信息。

（4）將手動操作速度調整為50%、30%。

（5）切換機器人動作模式為軸1-3和4-6軸，并熟練進行各軸正負方向控制。

（6）按下面給出的六個軸旋轉度數要求調出機器人姿態(tài)。姿態(tài)一：35，-45，20，0，0，0;姿態(tài)二：0，0，0，-50，70，20;姿態(tài)三：0，20，-35，45，63，0;姿態(tài)四：15，45，-45，25，30，-28。

項目一要求學生認識工業(yè)機器人，通過動手操作，正確進行機器人開關機、單軸運動，初步認識機器人六軸運動的正方向操作。為了訓練學生的耐心細致，同時也為了讓學生能更專注于機器人操作，筆者引入項目二的教學。

二、項目二：手動精準操作

用線性運動平穩(wěn)操控機器人，機器人運動速度和運動方向要求都非常高。對于剛接觸工業(yè)機器人的學生來說，機器人的運動方向常常分不清楚，特別是Z軸的正負方向，而方向錯誤常常造成撞壞工具筆。所以手動精準操作項目，旨在通過反復訓練，讓學生熟練操縱機器人，無論站在機器人正面、側面、后面，都能正確判斷出機器人X、Y、Z軸的正方向。訓練時，結合項目書的操作步驟，要求學生用筆芯3mm的畫筆，在線框寬5mm的紙塊上手動畫直線，不能出現斷線、方向錯誤和碰邊。

具體訓練要求如下：工具筆安裝，采用對角螺絲依次鎖緊，全部零件都要裝上;手動操作，不能出現斷線、碰到迷宮邊緣，操作方向正確，不損壞工具筆。

該內容需要反復不斷的練習，為了提高學生的興趣，筆者將每組學生的作品都進行展示和點評，共同找出問題所在：操作速度太快造成碰邊，方向不清造成反方向，增量使用造成彩筆出墨不均衡，機器人動作延時造成斷線……通過訓練，學生基本能做到不碰邊，方向正確。但由于工作臺不是絕對平整，對于操控能力相對薄弱的學生來說，會出現斷線現象。在學生能熟練手動走軌跡后，引入第三個項目。

三、項目三：建立機器人坐標

機器人工作首先要清楚機器人自己的位置，同時還要清楚操作對象（工件）的位置。因此，在進行正式編程之前，讓學生清楚理解機器人編程環(huán)境，掌握三個必須的程序數據（工具數據TOOLDATA、工件坐標WOBJDATA、負荷數據LOADDATA）。

（一）機器人坐標系設定

需要學生在給出的參數中，設定好機器人的坐標系。如PERS tooldata gripper：=[TRUE，[[97.4，0，223.1]，[0.924，0，0.383，0]]，[5，[23，0，75]，[1，0，0，0]，0，0，0]]。

此表達式定義如下內容：工具數據名稱：gripper;TRUE表示工業(yè)機器人法蘭盤上安裝工具;[97.4，0，223.1]表示tcp所在點沿工具坐標系X方向偏移97.4mm，沿工具坐標系Z方向偏移223.1mm;5表示工具質量為5kg;[23，0，75]表示工具重心所在點沿腕坐標X方向偏移23mm，沿腕坐標系Z方向偏移75mm。為加深學生的認識，分兩種情況進行訓練。

1.第一種情況

直接給出各數據。對于給出各數據的設定，只要在菜單-程序數據-tooldate（wobjdate）-顯示數據-新建，按項目書的步驟完成。

（1）工具數據tooldate的設定：名稱：TOOL_A1;robhold：TRUE;位置（x，y，z）：（0，0，150）;質量：0.2KG;重心（x，y，z）：（0，0，100）。

（2）工件數據wobjdate的設定：名稱：WOBJ_A1;robhold：FALSE;位置（x，y，z）：（300，200，5）。

2.第二種情況

根據給出工具特點設定工具數據或工件數據。例如：某涂膠筆，安裝在機器人第六軸的法蘭上，筆尖離法蘭中心正前方150mm。重心在離法蘭中心50mm處，質量0.2kg，可視為一個點質量。數據名稱為TOOL_A2。要求先寫出表達式，再在機器人中設定。

PerstooldateTOOL_A2：=[true，[[0，0，150]，[1，0，0，0]]，[0.2，[0，0，100]，[1，0，0，0]，[0，0，0]]。

（二）工具TCP標定

工具TCP標定可通過4點法、5點法和6點法標定ABB機器人工具坐標。以6點法標定機器人工具TCP為例，要求學生按下面的步驟操作：安裝尖點工具時正確使用銷釘;鎖緊尖點工具時，采用對角螺絲依次鎖緊;拆卸尖點工具時，規(guī)范使用工具正確操作;按照任務書要求以指定姿態(tài)完成標定操作;TCP精度平均誤差小于0.5m。

（三）工件坐標標定

初學者對于工件坐標系的理解是容易混淆的：工件坐標系對應工件，定義工件相對于大地坐標系（或其它坐標系）的位置。有兩個作用：一是方便用戶以工件平面方向為參考手動操縱調試;二是當工件位置更改后，通過重新定義該工件坐標系，機器人即可正常作業(yè)，不需要對機器人程序進行修改。

為了讓學生能深刻理解工件坐標，筆者直接給出圖1、圖2兩個長方形，讓學生先建立圖1和圖2的工件坐標系，項目四學習完后再來完成這兩個圖形的程序編寫。

四、項目四：軌跡編程

經過前面的學習，學生已經能熟練地手動操作機器人。接下來就學習如何讓機器人自己動起來，進行軌跡編程。

本次任務需要掌握機器人程序數據，如何創(chuàng)建模塊和例行程序，如何進行程序編寫、程序調用;同時，還需要掌握機器人運動指令：movej、movel、movec、moveasbj。

（一）項目訓練

在home點啟動程序;工藝過程的起始點、結束點為工作原點home;程序運行過程中不能出現軸超限或出現奇異點，或運行過程中止;寫字/劃線位置不符要求，偏離位置、少連接線條，點與點之間必須連接;設備運行時沒有明顯晃動;程序運行后，能正確地把單周運行時間顯示在示教器上;不能與周邊設備碰撞致設備損壞，或損壞工具筆。

（二）完成項目三的兩個長方形的軌跡

如果用一般方法，即分別編寫兩段程序，示教8個目標點，完成兩個圖形的軌跡。學習了工件坐標系，就可以分別建立圖1的工件坐標系WORDJ1和圖2的工件坐標系WORDJ2，然后只需要編寫圖1的例行程序，示教4個目標點;然后將圖1的例行程序復制到圖2的例行程序，并將工件坐標更改成圖2的工件坐標系就可以了。

五、項目五：搬運和碼垛

工業(yè)機器人點到點搬運是生產線中最常見的應用，本項目讓學生從簡單的搬運程序開始，慢慢通過自己的理解掌握多物料搬運，最后完成碼垛操作。

搬運和碼垛涉及配板和配置I/O，因此本項目拆分成配板、I/O設置、單物料搬運、多物料手搬運、碼垛。

Proc? f1（ ）

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj1

Movej? p1，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p2，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p3，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p4，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p1，v1000，fine，tool0/wordj1;

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj1;

Procend

Proc? f2（ ）

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj2

Movej? p1，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p2，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p3，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p4，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p1，v1000，fine，tool0/wordj2;

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj2;

procend

（一）I/O模塊通訊

I/O板在系統(tǒng)中的名字為：Board10，區(qū)分大小寫;I/O板的類型：D652;I/O板連接的總線：DeviceNet1;I/O板在總線中的地址為10。

（二）I/O設置

定義輸入信號，名字正確，名字與地址匹配;定義輸出信號，名字正確，名字與地址匹配。

（三）程序編寫

1.單物料搬運

工作要求：根據生產需要，將流水線上的工件搬運到放置臺。

此任務只搬運一次，程序相對簡單，只需要一個例行程序就可以。因涉及機器人與外部設置的通訊，需要進行硬件接線。故在項目書編寫時，先進行配板及IO配置，然后進行外部接線。最后才開始規(guī)劃路線編程。使用偏移指令，示教2個目標點就可以完成。還需要用到waitdi，set，reset 指令。

2.多物料搬運

在掌握單物料搬運后，讓學生搬運2個物料、8個物料。搬2個物料，寫兩次程序就好。搬8個物料呢？這時我們就要規(guī)劃例行程序：初始狀態(tài)，取式件，放工件，主程序。同時要掌握程序調用指令、while指令、賦值指令等的使用。

3.碼垛

搬運8個工件，如果不是放在同一個地方，而是有序排一起，如何編寫程序？如果4個放一排，另4個放第二排，又如何編寫程序？通過變換不同的碼垛方式，讓學生通過思考靈活進行編程，掌握機器人搬運碼垛的應用。

通過以上五個項目訓練，學生對工業(yè)機器的操作有了全面認識，并能進行典型應用，為后面開展機器人仿真教學、生產線教學等打下牢固基礎，同時也帶領學生進入機器人領域的大門。

責任編輯 陳春陽