焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程教學(xué)改革與實踐

郎紹程，方 舟，徐 建

（1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興314031；2.嘉興禾東船業(yè)有限責(zé)任公司，浙江嘉興314021）

焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程教學(xué)改革與實踐

郎紹程1，方 舟1，徐 建2

（1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興314031；2.嘉興禾東船業(yè)有限責(zé)任公司，浙江嘉興314021）

根據(jù)高職院校培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才的目標(biāo)，依托嘉興禾東船業(yè)有限責(zé)任公司，深化產(chǎn)學(xué)研人才培養(yǎng)方案，對船舶工程專業(yè)的焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程進(jìn)行改革與實踐，采取任務(wù)驅(qū)動法推進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新、將“現(xiàn)代學(xué)徒制”應(yīng)用到教學(xué)實踐、完善教學(xué)評價體系等途徑，達(dá)到促進(jìn)職業(yè)教育改革與智能制造技術(shù)相融合的目標(biāo)，最終實現(xiàn)學(xué)生熟練掌握焊接機(jī)器人技術(shù)，全面提高其綜合應(yīng)用能力。

焊接機(jī)器人；船舶工程專業(yè)；現(xiàn)代學(xué)徒制；任務(wù)驅(qū)動法

在過去幾十年里，由于政府的支持、廉價勞動力的供給以及穩(wěn)定的匯率使中國的船舶制造業(yè)得到了快速發(fā)展。但是，近幾年隨著全球化經(jīng)濟(jì)的巨大變化、國內(nèi)勞動力的成本不斷提高，使得我國船舶制造行業(yè)面臨著巨大產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和優(yōu)化問題。而工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)意義上的工人作業(yè)活動，它可替代工人完成臟、累、危險或重復(fù)性的工作，具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度好等特點，并能有效減小人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。對于船舶行業(yè)來說，由于船舶構(gòu)件龐大且一般為封閉結(jié)構(gòu)，在船體焊接過程中所產(chǎn)生的煙、有毒氣體和高溫等問題對工人造成嚴(yán)重的身體傷害。為此，“機(jī)器換人”將成為眾多企業(yè)，包括船舶行業(yè)的必然選擇。

對于高職院校來說，為了適應(yīng)社會發(fā)展的需求，實現(xiàn)與傳統(tǒng)本科院校的錯位競爭，將學(xué)校定位于培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才，有必要開設(shè)工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)課程，開發(fā)機(jī)器人的教育功能并發(fā)掘其教育價值。嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院在2015年成功申報了嘉興欣禾職教集團(tuán)“嘉禾船舶2015現(xiàn)代學(xué)徒制試點班”項目，以嘉興禾東船業(yè)有限責(zé)任公司為依托，深化產(chǎn)學(xué)研人才培養(yǎng)改革，不斷推進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新，促進(jìn)職業(yè)教育改革與智能制造技術(shù)相融合，對內(nèi)河造船企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型起到示范作用。

1 船舶焊接機(jī)器人的國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

自上世紀(jì)60年代，國外船舶制造行業(yè)對產(chǎn)品加工精度逐漸提高。目前，日本船廠的焊接機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平。日本石川島播磨重工成功研制“平面分段和開口處理”造船系統(tǒng)，用于造船自動化；日立有明、廣島、千鶴等船廠在船體建造和管子加工中應(yīng)用弧焊機(jī)器人；日本鋼管津船廠采用自動高速旋轉(zhuǎn)電弧焊，能很好地控制焊接精度并提高焊接速度。

韓國造船企業(yè)在20世紀(jì)90年代大量引進(jìn)先進(jìn)造船技術(shù)，利用機(jī)器人技術(shù)對現(xiàn)有的造船設(shè)備逐步加以改造。其中，韓國三星重工已廣泛地在裝配車間應(yīng)用智能自動焊接系統(tǒng)的機(jī)器人裝配船舶鋼結(jié)構(gòu)；韓國大宇重工玉浦船廠在1995年就建成焊接機(jī)器人平面分段生產(chǎn)線。

美國為了爭奪在國際船舶制造市場份額，上世紀(jì)80年代其軍船研究辦公室聯(lián)合紐波特紐斯船廠的造船專家、船級社和技術(shù)研發(fā)單位等提出了一種先進(jìn)的雙殼船建造技術(shù)概念，即遙控升降焊機(jī)，通過激光傳感器將工作進(jìn)程反饋給控制人員，從而在控制人員的操控下精確地完成焊接工作。

從國外船舶行業(yè)使用焊接機(jī)器人情況可見，其發(fā)展方向是將原有的造船機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步完善來提高焊接過程中的控制能力和精度。同時，對于一些還未使用焊接機(jī)器人的船廠具有一定的示范作用，提高了企業(yè)競爭力。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

對于我國船舶行業(yè)來說，“機(jī)器人”的應(yīng)用必將給船舶建造帶來革命性的變化。隨著勞動力成本不斷攀升，船舶企業(yè)采用自動化焊接設(shè)備來降低人工和管理成本以提高造船效率和產(chǎn)品質(zhì)量，贏得市場競爭力。目前，南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司采用焊接機(jī)器人焊接船體結(jié)構(gòu)以及分段；廣船國際股份有限公司、廣州文沖船廠有限公司和中船澄西船舶修造有限公司主要采用焊接機(jī)器人焊接船舶管系以及法蘭；大連船舶重工集團(tuán)有限公司聯(lián)合唐山開元機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，采用焊接機(jī)器人對船舶結(jié)構(gòu)模擬工件實行平焊、橫焊、立焊3項內(nèi)容。

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢下，部分高校也針對焊接機(jī)器人做了很多的研究和教學(xué)改革。江蘇科技大學(xué)和昆山華恒焊接設(shè)備技術(shù)有限公司合作，研究焊接機(jī)器人在船舶管系和法蘭焊接等構(gòu)件中的應(yīng)用，并將其在上海外高橋造船有限公司進(jìn)行實踐。同時，寧波工程學(xué)院、大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院和長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校等對焊接機(jī)器人技術(shù)也做了課程教學(xué)改革與實踐，取得了良好的教學(xué)效果。

2 焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容

焊接機(jī)器人所涉及的學(xué)科主要有機(jī)械制圖、力學(xué)、材料、機(jī)械原理、現(xiàn)代控制理論等相關(guān)科目。對于高職院校的學(xué)生來說，從理論知識上學(xué)習(xí)焊接機(jī)器人技術(shù)，無疑增加了難度，容易造成學(xué)生由于不理解而導(dǎo)致厭學(xué)情況的發(fā)生。因此，引入“實訓(xùn)教學(xué)改革方法”，即任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法，此教學(xué)法不僅僅能夠全面系統(tǒng)地向?qū)W生傳授焊接機(jī)器人的使用方法，而且更注重指導(dǎo)學(xué)生正確操作焊接機(jī)器人及其相關(guān)設(shè)備，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生的實踐能力，最終讓學(xué)生在實際操作時具有處理和解決各種問題及故障的能力，并通過教學(xué)—實踐—應(yīng)用，檢驗教學(xué)效果。課程教學(xué)內(nèi)容主要包括以下部分：

2.1 課程教學(xué)

由于船體大部分結(jié)構(gòu)都采用鋼板焊接而成，因此，學(xué)院以船舶工程專業(yè)學(xué)生為試點，大力開展與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的教學(xué)課程，結(jié)合機(jī)械、電子、計算機(jī)等相關(guān)學(xué)科，把涉及到的知識融入到焊接機(jī)器人教學(xué)中。充分利用各種教育資源，采取多種教學(xué)手段，如多媒體教學(xué)、模擬仿真訓(xùn)練等，從中穿插機(jī)器人認(rèn)知等內(nèi)容。

2.2 實驗教學(xué)

以理論和實踐相結(jié)合的形式，在實驗課中設(shè)置綜合性或開放性的問題，鼓勵學(xué)生敢于實踐，要求焊接過程全部由個人獨(dú)立完成，并且操作機(jī)械設(shè)備盡可能熟練。最終，使學(xué)生掌握焊接機(jī)器人技術(shù)以及相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容。

2.3 認(rèn)識與生產(chǎn)實習(xí)

學(xué)院船舶工程技術(shù)專業(yè)，以“嘉禾船舶2015現(xiàn)代學(xué)徒制試點班”項目為契機(jī)，以嘉興禾東船業(yè)有限責(zé)任公司為依托，組織學(xué)生多次到禾東船業(yè)公司參觀、實習(xí)，保證課程改革的順利進(jìn)行。

3 焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程教學(xué)研究

3.1 教學(xué)準(zhǔn)備階段

隨著國家大力推動高技能人才培養(yǎng)新模式和提升高?？蒲心芰?，學(xué)院啟動了科研發(fā)展規(guī)劃，即在嘉興市政府和船舶企業(yè)的支持下，成立科研建設(shè)小組，加強(qiáng)科研團(tuán)隊的建設(shè)，為科研與教學(xué)創(chuàng)造良好的環(huán)境。

學(xué)院為焊接機(jī)器人技術(shù)實訓(xùn)室提供了專門的教學(xué)場地，并在嘉興欣禾職教集團(tuán)“嘉禾船舶工程學(xué)院”產(chǎn)學(xué)研共同體項目的資金支持下，為實訓(xùn)室購置了日本川崎焊接機(jī)器人，保障了實訓(xùn)教學(xué)的順利實施。同時，依托“嘉禾船舶2015學(xué)徒制試點班”項目，在教學(xué)方法改革和項目化課程開發(fā)方面提供了理論支撐。在購買焊接機(jī)器人設(shè)備的同時，設(shè)備廠商附帶了相關(guān)的技術(shù)和培訓(xùn)文件，主要包括焊接機(jī)器人《操作手冊》 《電弧焊操作》 《故障檢查和排除手冊》 《安全手冊》等，以及配套設(shè)備的使用說明書。同時，通過網(wǎng)絡(luò)查找相關(guān)焊接視頻并借鑒其他高校的培養(yǎng)方案，學(xué)院提出一套適合本校學(xué)生的教學(xué)體系。

3.2 教學(xué)模式確定

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，采用設(shè)備廠商所提供的材料重新編排教學(xué)進(jìn)度表、教學(xué)大綱以及教學(xué)內(nèi)容，并開發(fā)焊接機(jī)器任務(wù)書、收集典型焊接機(jī)器人應(yīng)用視頻、增加焊接機(jī)器人應(yīng)用案例教學(xué)等。在課程教學(xué)改革過程中，通過布置任務(wù)，利用焊接機(jī)器人學(xué)習(xí)工作頁和典型焊接機(jī)器人應(yīng)用視頻，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)造性和積極性，最終完成任務(wù)。通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生在完成任務(wù)過程中理解焊接機(jī)器人的基礎(chǔ)知識，如自由度、驅(qū)動和控制系統(tǒng)；掌握利用焊接機(jī)器人示教器進(jìn)行編程，使學(xué)生從軟件、硬件兩方面均掌握焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。同時，不斷完善教學(xué)內(nèi)容，增加焊接機(jī)器人應(yīng)用案例，促進(jìn)焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程的教學(xué)改革。

3.3 課程學(xué)習(xí)任務(wù)書制訂

由于傳統(tǒng)教學(xué)方法與實際焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)、能力培養(yǎng)模式相脫節(jié)，學(xué)生可以根據(jù)焊接機(jī)器人學(xué)習(xí)任務(wù)書了解焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程學(xué)習(xí)目標(biāo)、內(nèi)容和要求；同時，學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)書中的引導(dǎo)性問題，發(fā)散思維、自主學(xué)習(xí)，針對給定的任務(wù)，提出解決方案、編寫焊接機(jī)器人示教程序并在工作站進(jìn)行實操驗證。通過學(xué)習(xí)，不僅有利于學(xué)生對焊接機(jī)器人更深層的認(rèn)識，也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、提高課程學(xué)習(xí)質(zhì)量。

焊接機(jī)器人學(xué)習(xí)任務(wù)書的基本組成包括焊接機(jī)器人本體、控制器、示教器、焊接電源，送絲機(jī)構(gòu)及焊槍、氣瓶和焊機(jī)；主要技術(shù)參數(shù)有自由度、工作精度、工作范圍、最大工作速度以及工作電流電壓；示教器的使用方法包括學(xué)習(xí)示教器控制面板功能和焊接機(jī)器人示教器編程；電弧焊接操作包括對焊接機(jī)器人設(shè)備開啟與關(guān)閉、電流與電壓控制、示教器編程、輔助功能，以及焊接機(jī)器人日常維護(hù)與安全和一些引導(dǎo)性問題的學(xué)習(xí)。

3.4 課程案例教學(xué)設(shè)計

3.4.1 任務(wù)描述

第一，熟悉焊接機(jī)器人示教器的使用方法；

第二，掌握焊接機(jī)器人各手臂在各軸、基礎(chǔ)和工具三種不同坐標(biāo)系下的運(yùn)動形式；

第三，通過給定任務(wù)，使用示教器編寫焊接程序，通過調(diào)試和運(yùn)行完成焊接任務(wù)。

3.4.2 任務(wù)實施

首先，讓學(xué)生回顧焊接機(jī)器人的主要組成、相關(guān)設(shè)備功能以及操作方法，并簡要講解焊接機(jī)器人工作原理及工作過程。

其次，授課教師利用示教器演示焊接機(jī)器人在不同坐標(biāo)系下各個軸的運(yùn)動情況，幫助學(xué)生了解焊接機(jī)器人的運(yùn)動方式、作業(yè)空間和相關(guān)問題。

第三，熟悉焊接機(jī)器人示教器上的按鍵功能。示教器是焊接機(jī)器人進(jìn)行示教和編程的主要通信工具，在學(xué)習(xí)過程中，要求學(xué)生通過閱讀示教器的使用說明了解其各種功能鍵，并要求學(xué)生利用示教器設(shè)定一個安全的速度去分別驅(qū)動焊接機(jī)器人軸上的每個電機(jī)，進(jìn)一步加深理解焊接機(jī)器人的自由度和運(yùn)動范圍，為下一步的焊接任務(wù)做好準(zhǔn)備。

第四，根據(jù)焊接任務(wù)提出一些發(fā)散性問題，如焊接過程中如何修改設(shè)置參數(shù)、三個坐標(biāo)系下的機(jī)器人運(yùn)行優(yōu)缺點等，讓學(xué)生分組討論進(jìn)行學(xué)習(xí)、記錄并提出問題的解決方案。

第五，以嘉興禾東船業(yè)有限責(zé)任公司為依托，安排參與焊接機(jī)器人培訓(xùn)的學(xué)生定期到船廠進(jìn)行學(xué)習(xí)和實習(xí)。通過企業(yè)以師帶徒的形式進(jìn)一步完善學(xué)生操作技能，解決在焊接過程中遇到的問題，最終校企雙方以及學(xué)生共同對教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行考核和評定。

3.5 課程考核評價體系建立

考核評價是檢驗教學(xué)方法在教學(xué)體系中是否可行、能否作為以后考核標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)一步優(yōu)化的一種方式，若考核評價在該課程中不適用，則由其他考核方式來取代，但其常常成為被忽略的一個重要環(huán)節(jié)。從教師角度來看，運(yùn)用合理的考核評價對學(xué)生的努力給予肯定，有助于學(xué)生建立起自信，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，同時也對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果做出準(zhǔn)確反饋，使其能夠從中發(fā)現(xiàn)不足之處，解決問題，形成從理論到實踐再到理論的學(xué)習(xí)方法，具有良好的學(xué)習(xí)效果。

考核評價的根本目的在于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升教學(xué)質(zhì)量。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，考核評價通常是以考試為主、平時成績?yōu)檩o，兩者加權(quán)平均。這種考核評價方式存在以下問題：抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性下降；以最后考核為準(zhǔn)，忽視操作過程，無法對學(xué)生的思考和操作過程做出正確評定；以老師為主導(dǎo)的教學(xué)方式，不利于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，評價結(jié)果較差。為此，在引入任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)的同時，應(yīng)該重新建立與其相符合的更高效、更合理評價體系。

3.5.1 改變考核評價理念

以任務(wù)驅(qū)動法為核心的評價體系，將原有以“結(jié)果”為標(biāo)準(zhǔn)的評價方法改變?yōu)檎麄€任務(wù)完成的“過程”。在完成過程中，以所涉及到的知識點作為評價準(zhǔn)則，形成將靜態(tài)化為動態(tài)的考核方式，進(jìn)一步了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。通過各個環(huán)節(jié)的指標(biāo)加權(quán)對學(xué)生做出科學(xué)評定。

3.5.2 增加學(xué)生自評、互評

將以往以單一教師評價為主的評價方式，擴(kuò)展到教師評價、學(xué)生小組互評、學(xué)生自評相結(jié)合的評價模式。其中，教師評價保證了評價的客觀性、專業(yè)性和準(zhǔn)確性；小組互評激發(fā)了各小組之間的競爭意識，進(jìn)一步鞏固和完善了課程知識。

3.5.3 增加企業(yè)師傅評價

根據(jù)企業(yè)師傅對學(xué)生在企業(yè)中實習(xí)情況進(jìn)行評價，能夠真實反映出學(xué)生對焊接機(jī)器人技術(shù)的掌握情況，以及企業(yè)對人才的需求。同時，基于評價情況修訂原有的教學(xué)內(nèi)容，形成良性循環(huán)，最終增強(qiáng)教師教學(xué)主體意識、提高學(xué)生的自身操作能力。

本文結(jié)合焊接機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀以及高職院校的人才培養(yǎng)方案，探索出適宜嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院的焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程教學(xué)模式，提出了課程教學(xué)改革方法，即在焊接機(jī)器人操作與應(yīng)用課程教學(xué)過程中，基于現(xiàn)代學(xué)徒制的“校企合作、工學(xué)結(jié)合、頂崗實習(xí)”的人才培養(yǎng)模式，以社會需求為導(dǎo)向，堅持以“學(xué)生為主體”的教學(xué)新觀念進(jìn)行教學(xué)改革。課程的教學(xué)改革，調(diào)動了教師和學(xué)生的積極性，豐富了教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在掌握焊接機(jī)器人相關(guān)知識的同時，提高了學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力、增強(qiáng)了個人就業(yè)優(yōu)勢。

[1]高飛,嚴(yán)鏗,鄒家生.焊接機(jī)器人在船舶工業(yè)中的應(yīng)用[J].江蘇船舶,2009(3)：41-44.

[2]李沁溢.國外先進(jìn)船體建造技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨向[J].造船技術(shù),2007(5)：9-12+15.

[3]孫志強(qiáng).機(jī)器人焊接技術(shù)在我國造船行業(yè)中的應(yīng)用與前景[J].廣東造船,2014(4)：41-45.

[4]趙伯楗,曹凌源,鄭惠錦,等.船舶高效焊接工藝及裝備[J].國防制造技術(shù),2010(3)：5-11+4.

[5]陶海斌,彭永桂.“機(jī)器人”助船舶企業(yè)贏得市場[N].中國船舶報,2013-10-09(06).

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[7]鄒家生,金玉嵌,嚴(yán)鏗.船用管-法蘭機(jī)器人焊接工藝技術(shù)研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(1)：23-26.

［責(zé)任編輯：劉 月］

Teaching Reform and Practice on the Course of Operation and Application of Welding Robot

LANG Shaocheng1,FANG Zhou1,XU Jian2
(1.Jiaxing Nanyang Polytechnic Institute,Jiaxing 314031,China;2.Jiaxing City Hedong Ship CO.,LTD,Jiaxing 314021,China)

According to the goal of cultivating high-skilled and application-oriented talents in higher vocational colleges and based on Jiaxing City Hedong Ship CO.,LTD,talent training of industry-college-research cooperation has deepened and the reform and practice on the course of operation and application of welding robot in Ship Engineering has carried out.For the goals ofcombining vocational education reform with intelligent manufacturing technology,and finally making students master welding robot technology and enhancing students'comprehensive practical abilities,the author adopts task-driven method to promote teaching innovation ,applies modern apprenticeship system into teaching practice and makes teaching evaluation system perfect.

welding robot;Ship Engineering;modern apprenticeship system;task-driven method

G710

A

2095-5928（2017）02-31-05

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2017.02.009

2017-01-10

嘉興市欣禾職業(yè)教育集團(tuán)2015年度集團(tuán)現(xiàn)代學(xué)徒制試點項目（嘉欣職 [2016]1號）；嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年度校級課題（XL1603）

郎紹程（1987-），男，遼寧撫順人，助教，碩士，研究方向：船舶焊接技術(shù)及船舶尾氣排放與控制。

方舟（1983-），男，浙江樂清人，講師，碩士，研究方向：船舶總體性能。

徐建（1991-），男，江蘇揚(yáng)州人，助理工程師，學(xué)士，研究方向：船體結(jié)構(gòu)。