新型《焊接機器人》本科教材的編制

黎文航++朱杰++陳書錦++周方明

注：①江蘇省高等教育教改研究立項課題（2015JSJG150），江蘇省高等學校重點教材（20152019），江蘇省現(xiàn)代教育技術研究課題（2015R40948），江蘇科技大學高等教育科學研究課題（GJKTY201422）資助。1背景

隨著我國機器人戰(zhàn)略的實施，焊接機器人在許多企業(yè)迅速得到應用，對焊接機器人人才的需求也尤為迫切[1]。但目前，本科高校對焊接機器人人才的培養(yǎng)相對滯后。這是因為上世紀90年代中期，受寬口徑教育思想的影響，很多學校焊接專業(yè)被并入材料成型及控制工程專業(yè)，焊接專業(yè)課時大為縮減[2]。后來，受焊接行業(yè)強烈需求影響，很多學校又恢復了焊接專業(yè)或焊接模塊，但仍受專業(yè)課程總學時限制，《焊接機器人》課程往往僅作為選修課開設。

此外，缺乏適合焊接本科專業(yè)的《焊接機器人》教材也嚴重影響了教學效果。焊接機器人中的經(jīng)典教材是林尚揚院士、陳善本教授于2000年編著的《焊接機器人及其應用》[3]，該教材目前已停止出版，且因出版時間較早沒有反映當前焊接機器人的最新技術。而目前市面上較新的《焊接機器人編程及應用》[4]、《焊接機器人基本操作及應用》[5]等教材主要是面向高職高專，側(cè)重應用，缺乏系統(tǒng)講解?！镀嚈C器人焊接工程》[6]、《中厚板焊接機器人系統(tǒng)及傳感技術應用》[7]等更偏向為專業(yè)技術書籍。而《智能化焊接機器人技術》[8]則是學術論著。

《焊接機器人》是一門涉及數(shù)學建模、電工、通訊、機械、軟件編程等綜合知識的課程，學生需要豐富的實踐、解決機器人應用中遇到的各種問題，才能積累經(jīng)驗，提高水平。所以，單純的教師講授，學生聽課難以達到好的教學效果。受本科高校環(huán)境影響，學生一般沒有足夠的機器人進行操作，難以通過直接操作使用機器人來學習。而隨著機器人仿真技術或離線編程技術的發(fā)展，在一般PC機上已可以順利運行各種焊接機器人仿真操作[9]，由此可以通過機器人仿真提高教學效果、增加學生“操作”機器人的機會。這同樣需要編制新的焊接教材以適應這種新型教學模式。

總之，目前迫切需要出版適合焊接本科專業(yè)的焊接機器人教材，以適應目前行業(yè)需求和教學需要，提高焊接機器人人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2教材編制

本教材的編制流程如圖1所示。首先是確定教材內(nèi)容，然后引入機器人仿真軟件，編制適合教學的項目，并將其合理嵌入教材中，最后通過審核、試用后交付出版社出版。下面對其中的關鍵步驟進行說明。

圖1教材編制流程

2.1教材內(nèi)容的確定

在教材編制過程中，首先需要考慮焊接機器人行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求、授課學生對象特點、最新發(fā)展技術等確定合適的教材內(nèi)容。

焊接機器人從本質(zhì)上說是工業(yè)機器人，后者屬于機械或電氣學科。工業(yè)機器人相關課程可分為兩大類，一類側(cè)重于工業(yè)機器人的設計，以機器人學為主，重點講述機器人運動學、動力學等知識；另一類側(cè)重于工業(yè)機器人的應用，以機器人的硬件構成、軟件編程和系統(tǒng)集成學習為主。此外，作者通過與ABB等機器人生產(chǎn)制造商、北人機器人公司等機器人系統(tǒng)集成商、以及大眾汽車、外高橋造船等機器人用戶交流，確定企業(yè)需求。

對焊接機器人來說，其作用是將機器人應用于焊接領域，使焊槍、焊接參數(shù)能按照期望的方式運作。對焊接專業(yè)學生來說，更重要的是需要掌握機器人的基本原理，熟悉機器人的特點，用機器人的方式去解決焊接問題，實現(xiàn)高效、快速的焊接。焊接機器人領域側(cè)重工業(yè)機器人和焊接系統(tǒng)的集成，而不是設計、制造機器人。若將《工業(yè)機器人》尤其是“機器人學”的相關教材生搬硬套，則難以達到好的教學效果，與社會需求也偏離。

《焊接機器人》課程作為焊接專業(yè)課一般在大四開設。對于焊接專業(yè)或材料成型及控制工程專業(yè)學生來說，其前期學習中已經(jīng)具備了機械、材料、電氣中的基礎知識。如機械部分學生一般都已學習過《機械原理》；焊接工藝與設備方面已學習過《焊接方法與設備》、《弧焊電源》等課程；在電氣方面也初步了解電工電子、PLC原理、繼電器控制、單片機系統(tǒng)、傳感器原理等知識；在軟件編程方面，一般也學習過Visual Basic或Visual C++等課程。故在教材編制過程中，涉及到上述知識部分時不再系統(tǒng)介紹相關基礎知識，重點介紹焊接機器人領域相關的重要知識，如接觸傳感器、電弧傳感器等知識。

此外，焊接機器人的內(nèi)容應反映近年來的重要新技術，如機器人前臂中空送絲改善了電纜布線和焊槍的可達性，而七自由度機器人的使用提高了機器人的避障能力和可達性。

2.2機器人仿真項目的引入

目前，高校中《焊接機器人》教學模式還是以板書、PPT教學為主，配以焊接機器人實驗。近年來，教學技術也在不斷創(chuàng)新發(fā)展，很多高校在開展項目式教學、網(wǎng)絡化教學、微課、慕課等教學研究。在新《焊接機器人》課程教材編制中，也要結(jié)合課程特點，便于應用新的教學技術。由于受本科高校發(fā)展定位、人才引進的影響，一般難以配備大量的機器人供教師、學生操作，這影響了學生對機器人的認識和經(jīng)驗積累。機器人仿真技術的發(fā)展為解決上述問題提供了一條途徑。仿真技術可以應用于課堂中、上機實習、甚至實驗中。而在教材編制中，仿真技術也可以作為實例講解，拉近機器人理論與機器人應用之間的距離。

機器人仿真軟件的出現(xiàn)已經(jīng)有30年，基本上可分為兩類：一類是通用的仿真軟件（如IGRIP），功能強大，適合所有機器人，但是價格很高；一類是由機器人廠商開發(fā)的軟件，一般只適合廠商的機器人，但是價格更便宜，有的具有一定的免費試用期。ABB公司開發(fā)的Robot Studio離線編程仿真軟件功能強大，故本教材選用其作為仿真軟件[10]。圖2所示為采用仿真技術進行機器人示教編程的實例。學生可以按照教材所示步驟，在PC機上完成相關機器人配置、變位機構建、夾具構建、示教點確定、焊接路徑規(guī)劃與調(diào)整等內(nèi)容。

圖2機器人仿真實例

《焊接機器人》作為一門工程實踐性較強的課程，采用項目式任務驅(qū)動教學方法容易取得較好的教學效果。但是若教材中完全采用項目方式進行編寫，則難以闡述清楚原理。同時，教材應具有一定的獨立性。故在本教材的編著中，采用折衷的方法，即按照知識層次，循序漸進講述焊接機器人原理，同時，在適當章節(jié)采用實例對知識點進行應用和總結(jié)。

2.3教材內(nèi)容安排

在上述思想指導下，各章內(nèi)容安排如下：

第一章，緒論；先介紹焊接自動化與焊接機器人的關系，然后介紹工業(yè)機器人的發(fā)展歷程和趨勢、工業(yè)機器人的組成和各部分作用、工業(yè)機器人的特點、參數(shù)和分類，使學生對工業(yè)機器人有一個宏觀的認識。

第二章，焊接機器人系統(tǒng)的概述；在第一章緒論對工業(yè)機器人進行介紹的基礎上，介紹焊接機器人系統(tǒng)的組成，重點介紹焊接機器人系統(tǒng)的特殊性；然后介紹了常用的點焊機器人、弧焊機器人的系統(tǒng)組成和要求，最后介紹焊接離線編程軟件或仿真軟件的發(fā)展，引入ABB的Robot Studio作為教材的仿真軟件。

第三章，介紹機器人學的基本原理；介紹機器人運動學的基本原理，即機器人中的坐標系，以及如何用矩陣表示運動和運動變換，重點介紹D-H法對關節(jié)機器人建模，最后以ABB Robot Studio軟件為例介紹機器人系統(tǒng)中常用坐標系的構建。

第四章，機器人驅(qū)動器；在引入驅(qū)動器評價指標基礎上，介紹不同驅(qū)動器的原理和特點，以及相關的運動傳輸裝置。

第五章，焊接機器人軌跡規(guī)劃與編程；主要介紹關節(jié)空間插補和直角坐標空間插補的原理，并介紹焊接機器人規(guī)劃技術。最后以ABB機器人為例，詳細介紹機器人在線編程（示教編程）和離線編程。

第六章，焊接機器人傳感技術。主要介紹與焊接機器人相關的傳感器，重點介紹電弧傳感器、接觸傳感器、接近覺傳感器和視覺傳感器等。

第七章，焊接機器人系統(tǒng)的通訊和系統(tǒng)集成。以Fronius焊接設備和ABB為例，介紹機器人系統(tǒng)的集成。

第八章，焊接機器人的配置；介紹了如何提高機器人焊接效率和適度自動化的思想，并對構成焊接機器人系統(tǒng)的各部分配置進行詳細介紹。

第九章，焊接機器人工作站；介紹焊接機器人工作站的類型，并以ABB仿真軟件為例，仿真構建不同類型的機器人工作站。

第十章，其它機器人；介紹其他它焊接機器人，如曲面焊接機器人，遙控焊接機器人和水下焊接機器人。

3教材使用情況與總結(jié)

作為專業(yè)課程教材，該教材在作者所在學校2010級焊接專業(yè)作為學生講義開始使用；根據(jù)使用情況經(jīng)過修訂，在2013～2015級學生中使用；2015年，該教材被評為江蘇省高等學校重點教材立項建設。作者將通過不斷總結(jié)和反饋，提高該教材的效果。

總之，本文根據(jù)焊接機器人教材編制的需要，進行了面向焊接專業(yè)本科的新教材編制，并得到如下結(jié)論：

（1）焊接專業(yè)學生學習焊接機器人重點應放在用機器人的思維去解決焊接問題，應掌握機器人的基本原理，而不必苛求設計、制造機器人。

（2）焊接機器人教材的編制應注意引入最新的教學技術；引入機器人仿真技術，并在教材編制過程中引入項目驅(qū)動教學思想，對于將機器人理論與實踐緊密結(jié)合具有重要的促進作用。參考文獻[1]王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 機械工程學報， 2014， 50（9）： 15-19

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[5]劉偉，周廣濤，王玉松. 焊接機器人基本操作及應用[M]. 電子工業(yè)出版社， 2012

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[10]譚定，李亮玉，王天琪. 基于Robot Studio的雙機器人協(xié)調(diào)仿真[J]. 焊接技術， 2011， 40（6）： 45-48