工業(yè)機器人實訓(xùn)基地的構(gòu)建與探索

張建國

【摘 要】工業(yè)機器人將成為中國制造2025重點戰(zhàn)略任務(wù)之一，要使這一重點任務(wù)的落地，關(guān)鍵在于人才。培養(yǎng)造就當(dāng)今企業(yè)急需的工業(yè)機器人應(yīng)用與維護技術(shù)人才，學(xué)校建設(shè)工業(yè)機器人實訓(xùn)基地是保障。文章從對工業(yè)機器人的認知過程出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了工業(yè)機器人實訓(xùn)基地的建設(shè)思路。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機器人實訓(xùn)基地 建設(shè)架構(gòu) 背景 必要性 特殊性

2014年6月，國家主席習(xí)近平在兩院大會上指出：“機器人革命有望成為第三次工業(yè)革命的一個切入點和重要增長點，將影響全球的制造業(yè)格局。機器人是制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新與高端制造業(yè)水平的重要標志?！彪S著中國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)機器人在制造業(yè)領(lǐng)域中的重要作用越來越凸顯。中高等職業(yè)教育是培養(yǎng)新技術(shù)人才的搖籃，因此工業(yè)機器人實訓(xùn)基地的建設(shè)在人才培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用。

一、實訓(xùn)基地建設(shè)的背景與現(xiàn)狀

（一）實訓(xùn)基地建設(shè)的背景

據(jù)國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，2012年外資企業(yè)在華銷售工業(yè)機器人總量超過2.7萬臺，較上年增長20%。2014年中國市場共銷售工業(yè)機器人近5.6萬臺，占全球銷量的四分之一，成為全球第一大工業(yè)機器人市場。國際機器人聯(lián)合會預(yù)測，不超過2016年，中國全球機器人保有量有望超過13萬臺，同時也是全球需求最大的市場。伴隨著我國大量工業(yè)機器人投入使用，另一個隱憂隨之浮出水面，那就是工業(yè)機器人應(yīng)用的高技能人才出現(xiàn)青黃不接的荒地。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所所長、教育部長江學(xué)者孫立寧教授指出：“按照目前中國機器人安裝量增長速度，人才需求早處于干渴狀態(tài)了?！笔卒撃新镜臈顚毶浇?jīng)理表示：“不僅其客戶需要工業(yè)機器人現(xiàn)場編程、應(yīng)用操作及機器人自動化線維護等方面的人才，公司本身也需要大量從事工業(yè)機器人安裝調(diào)試和售后服務(wù)等工作的專門人才?！辫b于國際、國內(nèi)工業(yè)機器人市場的現(xiàn)狀，筆者認為，要解決工業(yè)機器人的高技術(shù)人才匱乏，必須首抓人才的培養(yǎng)，而人才培養(yǎng)的主要途徑靠學(xué)校，因此學(xué)校建設(shè)好相應(yīng)的專業(yè)實訓(xùn)基地是當(dāng)務(wù)之急。

（二）實訓(xùn)基地建設(shè)的現(xiàn)狀

工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。由于工業(yè)機器人擁有著靈活的多關(guān)節(jié)機械手，其自由度相當(dāng)大，因此人們可以直接使用預(yù)設(shè)流程的程序進行運行操控。隨著工業(yè)機器人的不斷進步，人工智能技術(shù)的成熟，工業(yè)機器人還可以自由判斷其最有利的工作路徑和方式，來提高工作效率和性能質(zhì)量。為了使學(xué)生掌握工業(yè)機器人的應(yīng)用與維護技能，目前多數(shù)學(xué)校利用原有的機械拆裝實訓(xùn)室、電工電子裝接實訓(xùn)室、PLC控制編程實訓(xùn)室、液壓氣動實訓(xùn)室及網(wǎng)絡(luò)通信實訓(xùn)室作為基礎(chǔ)實訓(xùn)室，再添加幾臺工業(yè)機器人工作站組建成工業(yè)機器人實訓(xùn)室或?qū)嵱?xùn)中心。這種實訓(xùn)室往往由于受到資金的限制，同一方案的機器人臺數(shù)較少甚至只有一臺，因此，實施技能教學(xué)想要學(xué)生人人動手，難度較大，教學(xué)效果不夠理想。當(dāng)然也有些學(xué)校為了降低設(shè)備的投入成本，選用了教學(xué)用的機器人。由于這種串聯(lián)型機器人的控制系統(tǒng)采用步進電機等，與目前企業(yè)大多用的六關(guān)節(jié)機器人差距較大，缺少核心，顯然很難做到實訓(xùn)教學(xué)與崗位工作無縫對接。

二、實訓(xùn)基地建設(shè)的必要性和特殊性

（一）實訓(xùn)基地的建設(shè)是培養(yǎng)高技術(shù)人才的重要基礎(chǔ)

實訓(xùn)教學(xué)不僅是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H工作的基本能力、基本技能和職業(yè)素質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力、開發(fā)能力、獨立分析和解決問題能力的有效手段，是職業(yè)教育實現(xiàn)以就業(yè)為導(dǎo)向，學(xué)生優(yōu)質(zhì)就業(yè)的根本途徑。要使專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)正常開展，學(xué)校必須提供與其專業(yè)相適應(yīng)的具有一定職業(yè)環(huán)境的實訓(xùn)條件。

（二）實訓(xùn)基地的設(shè)備是制約人才培養(yǎng)的重要因素之一

筆者從對江蘇、浙江、上海、廣東等省市已開設(shè)工業(yè)機器人應(yīng)用專業(yè)的學(xué)校調(diào)研情況看，與工業(yè)機器人相關(guān)的實訓(xùn)設(shè)備配套不足或?qū)υO(shè)備的選型不當(dāng)，是制約工業(yè)機器人專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量重要因素之一。根據(jù)人力資源和社會保障部的專業(yè)培養(yǎng)目標，工業(yè)機器人應(yīng)用與維護要培養(yǎng)具有在生產(chǎn)一線從事工業(yè)機器人設(shè)備的安裝、操作、編程、調(diào)試與維護的應(yīng)用型技術(shù)人才。要達到上述目標，除了對學(xué)生進行理論教學(xué)外，必須進行充分的基礎(chǔ)技能訓(xùn)練與專業(yè)技能訓(xùn)練，而要達成實際操作訓(xùn)練要求，足量及適型的實訓(xùn)設(shè)備是保障。

（三）實訓(xùn)基地的建設(shè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程

工業(yè)機器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不是買來就能用的，需要對其進行編程，把機器人本體與控制軟件、應(yīng)用軟件、周邊設(shè)備等結(jié)合起來，組成一個完整的工作站，才能進行生產(chǎn)。而這個生產(chǎn)又不同于原有的生產(chǎn)，它常常是在一個閉環(huán)系統(tǒng)中進行，一旦設(shè)置調(diào)試完畢，它便周而復(fù)始地循環(huán)生產(chǎn)。即使學(xué)生通過仿真軟件或示教器學(xué)會了編寫機器人程序，但也不等于學(xué)生掌握了機器人的應(yīng)用。因為機器人通常是生產(chǎn)系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)的工具，不是終端，因此它的調(diào)試與應(yīng)用都必須是在整個生產(chǎn)系統(tǒng)中進行。

三、實訓(xùn)基地的建設(shè)架構(gòu)

在當(dāng)前工業(yè)機器人急需操作與應(yīng)用人才，而職業(yè)教育又面臨滯后的情況下，要加快推動機器人專業(yè)人才的培養(yǎng)，單純依靠學(xué)校的力量，已經(jīng)顯得較為薄弱。因此實訓(xùn)基地的建設(shè)采取校企聯(lián)合、合作共建的模式，將企業(yè)的機器人實際應(yīng)用方案、項目及案例與學(xué)校的教學(xué)模式相結(jié)合，共同推進工業(yè)機器人專業(yè)高技能人才培養(yǎng)。在建設(shè)校內(nèi)實訓(xùn)室時應(yīng)注意掌握以下原則：方便實訓(xùn)教學(xué)原則、循序漸進原則、模塊化設(shè)計利于集成原則、項目源于工程原則、支持仿真教學(xué)原則。校內(nèi)實訓(xùn)室建設(shè)以基礎(chǔ)技能及工作站為主，綜合應(yīng)用為輔，統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施。

為使學(xué)生成為從事工業(yè)機器人設(shè)備安裝、編程、調(diào)試的高級技能人才，筆者通過對嘉興技師學(xué)院工業(yè)機器人實訓(xùn)基地建設(shè)的策劃、探索與實踐，采用了以下建設(shè)架構(gòu)：

（一）通用技能實訓(xùn)室是基礎(chǔ)

工業(yè)機器人是機電合一的高技術(shù)含量的產(chǎn)品，要駕馭其設(shè)備必須以機、電等基礎(chǔ)技能為抓手。按照高技能人才培養(yǎng)的要求，本著“實際、實踐、實用”為原則，設(shè)置通用技能實訓(xùn)室，如：電氣控制實訓(xùn)室、電子裝接室、傳感器實訓(xùn)室、單片機室、PLC室、調(diào)速室、網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)室、液壓與氣動室、CAD/CAM實訓(xùn)室、機械拆裝室等。通過實訓(xùn)，使學(xué)生完成通用工作的基礎(chǔ)技能操作并達到其要求，為工業(yè)機器人的基本技能實訓(xùn)打下良好的基礎(chǔ)。

（二）微型機器人實訓(xùn)室是興奮劑

為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機器人的興趣，提高學(xué)生的探究能力，創(chuàng)設(shè)微型機器人實訓(xùn)室。以微型機器人為實訓(xùn)對象，創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容、方法和手段，全面引進先進教學(xué)實訓(xùn)模式，使學(xué)生能在“玩中學(xué)、學(xué)中玩”，提高學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力和動手能力，提升整個教學(xué)實訓(xùn)水平，并不斷地擴展和延伸，使之能夠廣泛適用于各個專業(yè)教學(xué)實踐和創(chuàng)新要求。讓學(xué)生在認識和學(xué)習(xí)機器人基礎(chǔ)知識的過程中形成系統(tǒng)化的認識，并將所學(xué)到的機械、電路、信號、檢測、控制、軟件與系統(tǒng)等課程的內(nèi)容融會貫通，理論聯(lián)系實踐。學(xué)生通過搭建各種自動機構(gòu)與機械手等建立工程自動化機器和自動化系統(tǒng)，提升學(xué)生對零件、機構(gòu)、機器、電氣、編程及信息的理解與聯(lián)系，為真正進入工業(yè)機器人的學(xué)習(xí)奠定扎實的基礎(chǔ)。

（三）數(shù)字仿真實訓(xùn)室是潤滑劑

工業(yè)機器人虛擬仿真實訓(xùn)室的建立，有利于提高學(xué)生的參與性，同時對經(jīng)濟的有效性及設(shè)備安全性均有較大的提高。通過建虛擬仿真實訓(xùn)室，可以緩解大量設(shè)備的投入所帶來的經(jīng)濟壓力，縮短上機時間，還可以避免因新學(xué)專業(yè)而對設(shè)備的撞擊與破壞，也可以避免學(xué)生初次操作心理的恐慌與擔(dān)憂。虛擬仿真又分兩種方式，一種全虛擬的，另一種是半虛擬的。全虛擬即機器人本體、控制器及示教器全部是虛擬的；而半虛擬，除機器人本體虛擬外，其余部分是實體的，可以實施一機多臺，這樣學(xué)生操作時有手感并且將來適應(yīng)面廣。通過虛擬實訓(xùn)室的實訓(xùn)學(xué)生可以掌握機器人的運動模型創(chuàng)建、點到點與運動精度的控制，還可對末端夾具、節(jié)拍時間、工作范圍等實施驗證，從而不斷優(yōu)化解決方案，實現(xiàn)人機交互。

（四）工業(yè)機器人基本技能實訓(xùn)室是紐帶

工業(yè)機器人的基本技能實訓(xùn)室是將原來單一專業(yè)方向的實習(xí)向復(fù)合方向?qū)嵙?xí)過渡與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過簡易單體的機器人操作，加強學(xué)生安全意識與規(guī)范意識的培養(yǎng)，讓學(xué)生初步掌握如何與工業(yè)機器人“打交道”，知道如何使機器人動起來。在工業(yè)機器人基本實訓(xùn)中心，學(xué)生通過這個環(huán)節(jié)的實訓(xùn)，掌握工業(yè)機器人示教器的安全與規(guī)范操作，以及點位示教、基本運動指令編寫、常用參數(shù)的設(shè)置、IO控制應(yīng)用及多種場合下線面程序的編輯等操作本領(lǐng)。

（五）工業(yè)機器人應(yīng)用實訓(xùn)中心是核心

工業(yè)機器人一般是工業(yè)生產(chǎn)中的中間環(huán)節(jié)，目前主要起到的作用大多是搬運功能，要想在生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用，就必須配合機器人的各種末端組成應(yīng)用工作站，為此在規(guī)劃工業(yè)機器人實訓(xùn)中心時有必要設(shè)置應(yīng)用實訓(xùn)中心。通過中心的實訓(xùn)，學(xué)生從工業(yè)機器人的基本技能的初學(xué)者成長為具備一定知識與操作技能并能解決簡單問題的“熟練工”。在這個實訓(xùn)環(huán)境中，主要通過工業(yè)機器人多種典型的工作任務(wù)，如分揀、碼垛、上下料、焊接、裝配和噴涂等基礎(chǔ)應(yīng)用單元的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生加強工業(yè)機器人硬件系統(tǒng)和配套軟件的銜接，熟悉包含機器人本體以外的外設(shè)機電系統(tǒng)的應(yīng)用與維護。在工作站中，要求學(xué)生掌握工業(yè)機器人本體與控制器的安裝接線、工業(yè)機器人初始化與參數(shù)恢復(fù)、工業(yè)機器人與PLC的IO通訊、工業(yè)機器人的IO接線、工業(yè)機器人常見應(yīng)用程序的編寫與調(diào)試及工業(yè)機器人控制末端的選擇等的操作與基本應(yīng)用技術(shù)。

（六）工業(yè)機器人綜合應(yīng)用實訓(xùn)中心是翅膀

機器人工作站多數(shù)用在產(chǎn)品生產(chǎn)工藝簡單的場合，對于產(chǎn)品工藝復(fù)雜的生產(chǎn)，常用綜合應(yīng)用中心或自動生產(chǎn)線，它可以實施多臺機器人間的協(xié)作作業(yè)從而實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。學(xué)生在工業(yè)機器人綜合應(yīng)用實訓(xùn)中心或生產(chǎn)線現(xiàn)場，可以通過大量的案例操作，學(xué)習(xí)到工業(yè)機器人在多領(lǐng)域應(yīng)用的系統(tǒng)，其中包括機器人本體的裝調(diào)、外設(shè)自動化機電設(shè)備的裝調(diào)、單元程序的設(shè)計、控制電氣單元的設(shè)計及末端控制器的選擇、設(shè)計與調(diào)試等任務(wù)的學(xué)習(xí)。這時需要與真實加工生產(chǎn)線一致的多數(shù)量、多種類的工業(yè)機器人綜合系統(tǒng)來進行“實戰(zhàn)訓(xùn)練”，通過對真實的自動化生產(chǎn)線的操作、保養(yǎng)、維護及維修推動專業(yè)綜合知識與技能的學(xué)習(xí)與提升。實現(xiàn)這個目標是一個漸進的過程，需要通過大量的實訓(xùn)、實習(xí)來獲取技能，從而促進學(xué)生的綜合分析能力與解決問題能力的全面提高。

機器人是集機械、電氣、信息、傳感器及氣動于一體的集成產(chǎn)品，技術(shù)含量高，理論跨度大。要掌握應(yīng)用與維護機器人必須從基礎(chǔ)抓起，從理論認知規(guī)律出發(fā)，夯實實訓(xùn)基地的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，優(yōu)化一體化教學(xué)的實訓(xùn)環(huán)境，系統(tǒng)規(guī)劃，高端引領(lǐng)，分步實施。

在“機器人革命有望成為第三次工業(yè)革命的一個切入點和重要增長點，將影響全球的制造業(yè)格局”的今天，工業(yè)機器人的實訓(xùn)基地建設(shè)尤為重要。筆者認為：如果實訓(xùn)基地的建設(shè)采用科學(xué)規(guī)劃、合理造型、校企合作、產(chǎn)學(xué)研用一體，就能為快速培養(yǎng)出合格的企業(yè)急需的專業(yè)人才奠定基礎(chǔ)，就能讓職業(yè)教育更好地服務(wù)于工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級！

【參考文獻】

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