基于ABB工業機器人回原位程序設計的教學實踐研究

鄭 直

（上海信息技術學校，上海 200331）

0 引言

隨著20世紀中期計算機、自動化技術的發展，第一代機器人誕生，開始成為人類生活中的現實。隨后科技飛速發展，機器人的功能和性能不斷改善和提高，目前正廣泛應用于工業、農業、交通運輸業和醫療行業等事業中[2]。

在工業機器人的應用中，在任何一個車間里面，都有可能因為供電的問題，網絡的問題，環境的問題，甚至是誤操作的問題，出現計劃外停機的情況。當工業機器人出現突然停機的時候，它的原點位置作為待機的安全點位，需要工業機器人能夠回到原位。

本文以廣東三向教學儀器制造有限公司生產的ABB工業機器人典型應用工作站為載體，對手機裝配產線中的工業機器人回原位程序設計應用課題[1]從教學分析、教學策略、教學過程等方面進行了設計。

1 教學分析

1.1 課程說明

《工業機器人典型工作站安裝與調試》是工業機器人技術應用專業的一門專業核心課程，課程設置主要目的是培養學生具備工業機器人工作站安裝、調試、運行與維護等應用能力。課程教學目標根據《工業機器人技術應用專業人才培養方案》設定。本次課針對工業機器人在手機裝配生產線的典型應用，主要講解回原位程序的編寫與調試，這是工業機器人調試員（或工程師助手）崗位的必備技能。

1.2 學情分析

授課對象是四年制中職工業機器人技術應用專業三年級的學生。學生實踐操作能力較強，但知識技能總結能力較弱，愿意對新的知識技能進行學習和探索。通過前期基礎課程的學習，已掌握了工業機器人的基本操作，具備了一定的編程調試能力，包括本次課所用到一些程序指令和調試技能。但學生缺乏機器人實際應用崗位的工作經驗，沒有建立真實的崗位專業認知。

1.3 教學目標及重難點

根據教學內容和學生特點及職業能力的要求，確定以下教學目標：

（1）知識目標：知道工業機器人回原位程序的使用意義；能說出工業機器人回原位設計的關鍵步驟；熟知工業機器人安全操作規范。

（2）技能目標：能正確讀取工業機器人位置數據；會編寫與調試手機裝配生產線工作站工業機器人回原位程序

（3）態度目標：根據ABB公司崗位要求，培養做事遵循規范的職業態度；養成不斷完善，精益求精的職業素養；樹立團隊合作意識，協同親和，共同進步。

根據崗位要求和學生基本情況，為了更好地實現教學目標，將“工業機器人回原位程序設計步驟”作為本次課的教學重點，將“工業機器人回原位程序中的分區判定”作為教學難點。

2 教學策略

采用任務驅動教學方法[3]，由淺入深，層層遞進，通過課前預習、課上學習、課后復習三個階段完成知識技能的學習。

圖1 教學策略

3 教學過程

3.1 教學活動

本次課程主要分為“問題提出”“基礎任務”“進階任務”“總結評價”和“拓展應用”五個活動過程。

3.1.1 活動一：問題提出

問題提出環節，創設學習情境，模擬手機裝配產線突然停電導致工業機器人停機的狀況，如圖2所示，引出機器人回原位意義，使學生明確本堂課的學習目的和內容。

圖2 模擬停機情境

3.1.2 活動二：基礎任務—工業機器人從特定點位回到原點位置

基礎任務環節，先讓學生自主觀察與討論當前停機位置的特點，部分同學根據觀察得出的回原位基本思路，與其他同學交流借鑒。然后各組同學根據任務書提供的參考程序，進一步規范機器人動作流程，制定初始方案。填寫表1所示表格。

表1 初始方案制定

學生設計好初始方案之后，教師逐一確認可行性，確認無誤后方可進入工位，完成編程調試。

根據基礎任務完成情況，請同學上臺分享設計思路。通過在電子白板上進行涂色劃分，標記出本組程序的適用區域，引導學生進行思考：當機器人停機位置不確定時，如何解決回原點程序的通用性問題：分區處理的改進策略是什么？

3.1.3 活動三：進階任務——工業機器人從任意點位回到原點位置

根據基礎任務中引發的問題，啟發學生對如何判定區域這一問題產生思考，現場邀請兩位同學進行游戲互動，拿出坐標系教具進行空間坐標參照。通過游戲代入和教具輔助，逐步幫助學生建立區域判定的概念，再結合機器人位置數據讀取指令，引導學生提取Y軸方向數值，從而判斷機器人停機位置所在區域。如圖3所示。

圖3 進階任務實施

在充分理解機器人位置判定的基礎上，各小組進行第二輪實操，在基礎任務上通過增加條件判斷，補全程序。在機器人操作過程中，再次強調學生安全規范的意識。

完成程序調試的小組，通過運行程序使得機器人可以從任意點位回到原點，從而驗證程序的通用性。

3.1.4 活動四：總結評價

在整堂課的實施過程中，通過學生任務書反饋、操作過程巡視記錄等方法進行過程考核，最終生成如圖4所示柱狀圖表直觀表現，對學生掌握情況進行統計，最后通過總結歸納，對學生仍然存在的問題進行解答，對學生的學習情況進行鞏固。

圖4 學生完成情況統計

3.1.5 活動五：拓展應用

工業機器人的分區判定是本次教學的難點問題，通過本次課程的講解大部分同學得以掌握，但實際生產崗位的復雜程度遠遠超出教學設備。因此，再結合出工況更為復雜的電子芯片分揀裝配任務工作站，讓學生進行區域劃分，闡述實施步驟，擴展學生對于回原點程序編寫的思路。

3.2 重、難點突破

通過學習情境創設，首先讓學生深刻體會手機裝配線工業機器人回原位程序的實際意義，采用任務驅動的教學方法貫穿整個教學過程，設置基礎任務使得學生有回原位程序的概念，再通過游戲活動和輔助教具讓學生更進一步了解回原位通用性問題，啟發學生思考機器人回原位程序中的分區如何判定。通過兩個任務的練習讓學生逐步理解并掌握應用位置數據讀取指令，完成機器人任意位置回原位程序的編寫，突破了本節課的難點，實現教學目標。

3.3 教學過程中出現的主要問題及解決策略

基礎任務實操編程中，有一組同學在完成編程運行之后，機器人最終回到的工作原點位置稍出現偏差，在檢查程序過程中發現存在運動指令參數設置不當的問題，同學忽略了轉彎數據的設定。該小組旁邊的小組同學也出現同樣問題，在聽到對前面小組的指導之后，自己進行了及時改進。發現這一共性問題，我調出參考程序，集中講解轉彎數據對運動路徑的影響，提醒大家將轉彎數據減小到z0或者fine，從而保障回原位程序軌跡的運動點位精度。

進階任務編程調試時，有些同學雖然知道了區域判定的關鍵是要提取當前位置數據的Y軸方向數值，但是不清楚Y值具體為多少是區域劃分的界線。于是在小組工位上，借助設備實物，引導同學找到對應的關鍵分界線，并通過機器人的位置反饋功能得出具體數值，從而幫助學生完成程序編寫。

4 教學效果

引入企業場景，讓學生處理生產中可能出現的突發事件，培養學生的靈活應變能力。通過分組角色扮演，學生共同完成任務，在培養學生團隊合作能力的同時，增加學生體驗機器人調試工程師的職業氛圍，加深對工作的感性認識。

通過兩個工作任務的設定，逐步引導學生完成工業機器人回原位程序的編寫和調試，學習內容通過任務進行拆分，從簡到難，從淺到深，階梯方式引導學生進行探索和實踐，幫助學生解決實際問題，學會了從工程領域的應用角度來全面地考慮問題，學生所編寫的程序更加貼近實際生產要求，符合工學結合、做學一體的職業教育理念。

5 教學反思

由于實訓設備數量的限制，教學過程中，學習任務是以小組的形式完成的，每個同學雖然各有分工，但操作的有效時間仍然有限。因此，在后續教學過程中，會進一步加強工業機器人離線編程仿真軟件的應用，在軟件中創建真實的操作環境，讓每位學生都有足夠充分的訓練時間，虛擬操作與設備實操同時進行，提高學習的有效性。