高職院校理實一體的“機器人焊接工藝技術”課程探索與實踐

劉雙耀 程文鋒 王偉春 魯亞楠

浙江機電職業技術學院 浙江杭州 310000

理實一體教學主要是以學生為中心，以教師為主導，將理論教學與實踐教學融為一體的教學模式[1]。“機器人焊接工藝技術”課程是工業機器人專業的焊接機器人分方向的專業核心課程，其理論和實踐在教學中相互依托。

在之前的教學中，“機器人焊接工藝技術”課程主要是以理論課程為主。目前，基于新的實訓室條件，打破傳統的授課模式，實現“理實一體化”引入課堂教學，提高學生的理論與實踐動手能力，結合機器人焊接技術，使學生在第一時間學習到新技術、新方法、新工藝、新標準，同時注重學生創新能力的培養，也進一步提升了學生學習的主動性與積極性[2]。

理實一體教學通過項目式教學，開拓了學生和教師的思路，突出學生的個性發展，增強學生的競爭意識，也可以鍛煉學生在團隊合作中與他人交流的能力以及團隊協作能力[3]。

1 課程分析與學校實訓教學條件

1.1 課程分析

“機器人焊接工藝技術”是工業機器人技術專業焊接機器人方向的一門必修的技術專業課。本課程根據工業機器人技術專業(焊接機器人應用技術方向)需要而設，目的是提高學生職業能力。其總體設計思路是以“理論教學+能力訓練”為主要特征的專業課程教學模式，教學內容反映職業崗位能力要求；教學中注重理論與實踐的結合，注重從理論與實踐結合的角度闡明基本理論及應用。教學中注意反映知識的先進性，結合機器人焊接技術，使學生在第一時間學習到新技術、新方法、新工藝、新標準，同時注意學生創新能力的培養。本課程開設在大二下學期，主要內容包括：熔化極氣體保護焊焊接工藝、焊接設備、機器人操作基礎知識、焊接機器人編程指令及參數、焊接機器人編程案例、機器人點焊基礎知識及編程、機器人焊接缺陷及優化，任務是培養學生掌握機器人焊接工藝、焊接缺陷及機器人編程應用及其優化，具備應用機器人焊接工藝知識完成焊件的編程工作，并提升學生的機器人焊接工藝水平，為今后從事實際工作和打下堅實的基礎[4]。

1.2 學校實訓教學條件

學校實訓室的ABB工業機器人焊接工作站，主要由ABB機器人(型號為IRB1520ID)、機器人控制柜、福尼斯焊機、焊槍(TBI)(含防碰撞傳感器)、清槍剪絲裝置、焊接工作臺、抽排煙設備等組成。

2 課堂教學實施過程(仿真模擬教學實施)

本課程目前是以實訓室現有的設備ABB、KUKA機器人和福尼斯焊機工作站，通過講解工作站焊接工藝知識、機器人焊接工作站主要設備、機器人與焊機通信、機器人焊接指令及機器人案例編程，完成由易到難的焊接編程案例，使學生掌握整個工作站集成所需要的焊接工藝知識、機器人及其周邊附屬設備基本知識、機器人與焊機主流通信方式及配置方法、焊接機器人編程知識，包括離線編程和再現編程的方法，使學生具備行業應用中未來崗位所需要的職業技能，得到以機器人基礎知識和焊接工藝基礎知識的基本能力以及以機器人再現編程與離線編程的應用能力充分融合的綜合能力。

下面以工業機器人技術專業“機器人焊接工藝技術”課程的“虛實結合的機器人焊接應用”項目教學設計為例，簡述仿真模擬教學設計的思路和實施過程。

2.1 任務分析

在機器人實際使用過程中，經常會遇到機器人堆焊需求，比如在產品表面堆焊logo或者是在工件表面測試焊接工藝參數。如果機器人焊接軌跡為復雜曲線，通過示教再現的方式很難完成焊接軌跡的規劃任務，或者是能完成但需要大量的編程量，耗時且費力。

本課堂任務基于此背景，利用ABB機器人仿真軟件和學校實訓室ABB機器人與福尼斯焊機MAG焊接完成一個復雜字體的堆焊任務。機器人班級共分9組，學生可以在以下三個案例(浙江機電、ZIME、校徽)中選擇其中任意一個或學生可以發揮自己的想象焊接一個其他圖案也可以，完成本次焊接任務。

2.2 任務一：仿真模型導入并創建焊接軌跡

基于Robotstudio軟件，導入機器人模型IRB 1520ID，創建機器人底座，并將機器人放置在底座上，導入三維軟件里創建好的焊接工作臺模型，并調整好工作臺位置，導入需要堆焊的焊接工件模型，添加焊槍并創建工具坐標系與工件坐標系。選擇焊槍工具和已經創建的工件坐標，利用Robotstudio的自動生成路徑的功能，生成四個漢字的軌跡程序，同時增加焊接開始點和過渡點。

2.3 任務二：將程序同步到RAPID

任務一中通過自動生成路徑功能創建的程序，機器人并沒有記住，接下來需要做的是，將其存儲到機器人的大腦，即讓機器人記住，也就是同步到RAPID。

2.4 任務三：批量修改焊接指令

在虛擬示教器上將程序模塊另存在本地計算機上，以記事本的格式打開后，將非焊接指令批量修改為焊接指令和參數。

3 課堂教學實施過程(實際焊接教學實施)

實際焊接按照分小組的形式進行，教學模式也進行了一些探索，發揮學生的自主能動性，激發學生的興趣，提前培養學生的安全意識和質量意識[5]。下面簡述實際焊接教學設計的思路和實施過程。

3.1 機器人安全講授

安全是實際操作機器人最重要的一塊內容。在前面軟件操作中學生最容易忽視的就是安全意識，容易麻痹大意，還很容易忽視工業機器人的安全操作規程。

本教學實踐結合課堂的知識內容完成安全教育小游戲。教師給出機器人錯誤操作的圖片，引導學生找錯。學生隨機選擇圖片，找出圖中安全隱患，指出操作錯誤之處。

最后，教師總結安全操作口訣，提醒同學們注意培養認真仔細、精益求精的工匠精神。

3.2 教師操作示范

教師通過現場操作示范法，講解機器人示教器基本操作，教師講解機器人手動操作及坐標系創建方法，教師示范操作，用案例操作示范給同學們看。從開保護氣、核對焊機參數、增加弧焊指令、確認起弧收弧的起點終點，打開焊接工藝鍵，實際起弧焊接演示。

3.3 焊接程序測試

本任務主要是完成在仿真軟件生成的焊接程序的導入及測試。

加載焊接程序前需要對實際實訓室現場機器人的全數據進行備份，這也是為學生以后養成良好的職業素養打好堅實的基礎。

另外，在實際工作站中定義的工具坐標系和工件坐標系與模擬仿真中一致。

驗證離線軌跡前，需要禁止啟動焊接功能，即鎖定焊接功能。離線程序導入真實機器人時先慢速手動單步走軌跡，確認無誤后，再慢速手動連續走軌跡，軌跡驗證好后啟動焊接功能實施焊接。

3.4 焊接參數設置

本任務以分小組探索的方式進行焊接參數試驗，學生分組，通過簡單的堆焊直線焊接實驗，學生自主探索出較為理想的焊接參數。同時鍛煉了學生的團隊協作能力以及自主探索的精神，為后續的工業機器人焊接更深入的學習內容打下了堅實的基礎。

通過試驗測試出的較為合理的工藝參數見下表，焊接工藝參數主要包含焊接電流、機器人速度、送絲速度、預吹起時間和后吹氣時間。

MAG焊接參數表

3.5 實際焊接效果與實驗總結

實際焊接效果如圖4所示，實際焊接與仿真模型之間存在一定的差異，需要后期進行工藝的優化改進。

結語

本課程采用了焊接機器人工作理實一體的教學法，以實訓室現有的設備ABB機器人和福尼斯焊機工作站集成思路，理實一體，有虛有實，融入了焊接工藝知識、機器人焊接工作站主要設備、機器人焊接指令及機器人案例編程，以學生為主體，項目式教學，使學生掌握焊接機器人編程知識與機器人在線編程與離線編程的應用能力。同時也提升了學生的安全意識和質量意識，小組團結協作能力及創新意識。焊接存在一定的危險性，盡管安全措施已經考慮較為周全，但難免有疏漏之處，還需嚴格加強教學活動中的安全教育和安全管理。

今后的課程還需要充實課程資源，完善評價體系。利用企業典型機器人焊接工藝，著重培養學生分析問題和解決實際問題的能力。有條件組織學生參觀相關企業，參觀典型機器人焊接產品的制造工藝流程，增加感性認識，有利于學生對于機器人焊接工藝理解的提升，同時學生也能真實感受制造業的生產現場，激發內心尊崇工匠精神的社會風尚。