工業機器人工裝設計課程教學模式改革與初探

朱 國，陳敢新，馬小林，肖白軍，袁越陽

(湖南城市學院 機械與電氣工程學院，湖南 益陽 413000)

2015 年，國務院發布《中國制造2025》國家戰略，提出“推進信息化與工業化深度融合”以提高我國制造業的智能化水平，以應對全球新一輪科技革命與產業變革。2020 年，黨的第十九屆五中全會進一步指出“堅持把經濟發展的著力點放在實體經濟上，堅定不移地建設制造強國、質量強國、網絡強國、數字中國”，將“制造強國”放在首位。智能制造“十四五”發展規劃指出“同步實施數字化制造普及、智能化制造示范引領，以構建新型制造體系為目標”。工業機器人作為高端制造、智能制造的重要組成部分，必將成為構建新型制造體系的關鍵一環[1]。因此，本文將以智能制造為背景，探索如何以企業需求為導向對《工業機器人工裝設計》課程進行改革。

一、《工業機器人工裝設計》課程的教學現狀

《工業機器人工裝設計》作為一門面向工業機器人應用的機、電、氣系統設計類課程，其課程內容涵蓋機械設計、工程材料、互換性技術、氣壓傳動以及電氣控制等專業知識。作為一門綜合性強、面向就業的應用型專業課程，高校一般將其安排在大三下學期進行講授。目前，在《工業機器人工裝設計》課程的教學方面存在著不足。首先，工業機器人專業教材的編寫還處于探索階段[2]，工業機器人工裝設計方面的教材偏少[3]，且現有教材質量參差不齊[4]。其次，目前應用型本科院校教師的學術能力強、理論知識深厚，但實踐應用能力相對較弱[5]，因此課堂教學與企業對應用型人才的實際需求結合不夠緊密。上述不足制約了高校對面向工業機器人應用的工裝夾具系統設計人才的培養。

二、課程教學改革目標

本課程以專業知識、工業機器人典型應用案例、課堂實踐以及工業機器人智能制造生產線實訓為支撐，著力培養學生在工業機器人工裝夾具設計方面的五大能力，著力構建“項目體驗式、課堂實習式、理實一體化”的課程教學模式。本課程的總體建設目標如圖1 所示。總體課程教學目標分解為以下三個方面：

圖1 《工業機器人工裝設計》課程總體建設目標

（一）教學內容與時俱進，以應用為導向，聚焦工業機器人典型應用案例

隨著網絡技術的不斷發展，當今主流氣動元件生產商、機械標準件生產商以及傳感器生產商均在其官方網站提供元器件的電子選型手冊以及元器件的三維模型免費下載服務。這些服務可有效提高工程師進行元器件選型和工裝夾具三維建模的效率。課堂上引導學生學習相關內容，使學生具備利用供應商所提供的線上資源高效設計工裝夾具的能力。另外，課堂教學內容囊括當今工業機器人典型應用中的工裝夾具設計案例，充分利用案例的示范引領作用培養學生根據工業機器人的應用場景設計工裝夾具的能力。

（二）促進專業知識有機融合，注重五大能力培養，貼近企業人才需求

《工業機器人工裝設計》課程作為一門面向機器人運用的設計類課程，主要涉及機械設計、工程材料、機械制造、計算機三維繪圖、氣壓傳動、傳感器技術以及PLC 控制技術等相關知識。課程內容建設以專業知識精煉化、綜合化、體系化，實現各專業知識之間的有機融合為主要目標。通過本課程的學習，使學生初步具備五大能力：根據工業機器人的應用場景確定工裝夾具方案的能力、機械零部件三維建模能力、機械標準件選型能力、氣動元件選型與氣路設計能力以及常用傳感器的選型能力，以適應當今企業對工業機器人專業的人才需求。

（三）構建“項目體驗式、課堂實踐式、理實一體化”的教學模式

在課程教學過程中，以剖析工業機器人典型應用中的工裝夾具設計案例為主要教學內容，通過項目學習引導學生掌握工業機器人工件夾緊方式的選擇原則和工裝夾具的設計步驟；增加課堂實踐，以調動學生學習的主動性，讓學生從工程師的視角充分體驗工業機器人夾具設計的基本流程；以我校采購的工業機器人智能制造生產線為實訓平臺，讓學生在觀摩機器人工作站實際工作流程的同時進一步加深對課堂上所學知識的理解。總體構建“項目體驗式、課堂實踐式、理實一體化”的教學模式，實現課程教學與企業人才需求緊密銜接。

三、課程教學改革模探索

（一）以應用為導向的項目體驗式教學

課堂教學內容以工業機器人在智能建造、自動化上下料、搬運、焊接、裝配、打磨等自動化生產領域的典型應用案例為載體。在課堂上，首先以工業機器人相關應用視頻為課堂導入，讓學生對工業機器人在相關領域的應用有總體的認識。然后，對相關應用領域典型的工業機器人工作站設計案例進行深入剖析：①首先講解案例中工業機器人工作站的設計需求；②以需求為導向系統分析案例中工業機器人工作站的系統組成與機器人的選型原則；③重點講解工件夾緊方式的選擇原則和工裝夾具的設計要點。使學生真正從項目應用的角度和設計工程師的視角去系統理解不同應用場景下工業機器人工作站及其工裝夾具的設計內涵，幫助學生準確把握各個特定應用場景下工業機器人工作站的系統組成與夾具設計的異同點，從而使學生初步具備針對特定運用場景設計工業機器人工裝夾具的能力。

（二）以項目體驗式教學促進本課程所涉及的專業知識的有效融合

工業機器人的應用領域非常廣泛，不同應用場景下的工業機器人工作站具有不同的工裝夾緊形式，例如機械夾緊、電動夾緊、氣動夾緊、真空吸附、永磁體吸附以及電磁吸附等等。另外，工業機器人工作站屬智能制造裝備，機器人工裝中需要安裝相應傳感器以提供控制信號，從而通過可編程邏輯控制器（PLC）對機器人工作站的工作流程進行邏輯控制。因此，工業機器人工裝夾具的設計需要機械設計、機械制造、工程材料、氣壓傳動、電氣控制等多門課程知識作為支撐。把握本課程的這一特點，在對每個工業機器人典型應用案例的剖析過程中，將相關機、電、氣相關知識系統地融入到夾具方案設計、零件設計（零件選材、零件加工工藝性分析以及零件表面處理）、工業機器人氣動元件選型與氣路設計、傳感器選型、工作站的邏輯控制流程等方面的講解當中，既可讓學生系統把握所學專業知識之間的有機聯系，促進學生對專業知識的融會貫通，亦可讓學生感受到運用知識的樂趣，從而提高學生學習的積極性，有效提升課堂教學效果。

（三）以提升實踐能力為導向的課堂實習式教學

《工業機器人工裝設計》作為一門面向設計的應用型專業課程，讓學生參與工業機器人工裝夾具的整個設計過程非常必要。在課堂上，對典型的工業機器人應用案例進行深入剖析之后，讓學生利用三維繪圖軟件對工裝夾具中的零件進行三維建模。同時，引導學生利用氣動元件供應商（如SMC、Festo、氣立可等）、機械標準件供應商（MISUMI、盤起等）以及傳感器供應商（SIEMENS、OMRON 等）所提供的電子選型手冊進行元器件選型，并利用線上選型軟件獲取相關元器件的3D 模型。在三維繪圖軟件中將機械零件3D 模型與相關機械標準件、氣動元件以及傳感器的3D 模型組裝成完整的工裝夾具。最后，采用三維繪圖軟件將機械零件的3D 圖轉換成2D 工程圖。學生高度參與的課堂實習式教學既有利于調動學生學習的主動性，又能讓學生充分體驗設計工程師如何高效設計機電系統產品。通過課堂實踐讓學生提前體驗現代企業中機電系統的實際設計過程，有助于學生將來就業之后盡快完成由學生向工程師的角色轉變，以切合“新工科”培養面向企業需求的高素質應用型人才的目標。

（四）理論學習和現場實訓一體化教學

為配合智能制造專業的工業機器人相關課程的教學工作，我校采購了整套工業機器人智能制造實訓平臺，如圖2 所示。工業機器人智能制造實訓平臺由立體倉庫機器人取料工作站、數控機床自動化上下料機器人工作站，印章激光標刻與裝配機器人工作站組成。讓學生在觀摩機器人工作站實際工作過程的同時進一步加深對工業機器人工作站的系統組成、工作流程以及夾具設計原則等知識的理解。另外，通過在機器人工作站現場為學生現場講解機器人工作站中所涉及的氣動技術、傳感器技術、PLC 控制技術，使學生能夠更深刻地理解氣動夾具的氣路設計準則、傳感器工作原理以及PLC 控制技術對機器人工作站各部分的調度作用。實現將工業機器人工作站現場實訓和課堂理論教學相結合，從而有效解決以往課程教學中理論與實踐嚴重脫節的問題。

圖2 工業機器人智能制造實訓平臺

四、總結

今年是我國“十四五”規劃的開局之年，未來五年，我國將著力聚焦高端制造和智能制造。預計到2025 年，工業機器人領域的人才缺口將擴大至450 萬人[6]。在機器人專業人才缺口不斷增長的同時，企業對該專業人才的能力亦提出了更高要求。如何培養符合企業需求的應用型工程技術人才成為應用型高校機器人專業教學改革的重點。本文以《工業機器人工裝設計》課程為例，討論了該課程目前存在的不足，在此基礎上從課程內容、知識體系融合、教學模式三個方面對該課程的教學改革提出一些建議，其目的在于以企業實際項目案例為載體，以工業機器人工裝夾具設計的五大核心能力培養為目標，以專業知識體系融合為導向，以課堂實踐和工業機器人智能制造平臺實訓為手段，啟發學生全面構建面向工業機器人工裝設計的知識體系，從工程師的視角體驗并掌握不同應用場景下工業機器人工裝夾具的設計原則和設計要點。總體構建“項目體驗式、課堂實習式、理實一體化”的課程教學模式，以切合“新工科”培養面向企業需求的高素質應用型人才的目標。