高職工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探究與實(shí)踐

鄧斌

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?在工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，依據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)及制造集成企業(yè)的充分調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)崗位能力需求，設(shè)立人才培養(yǎng)目標(biāo)，以現(xiàn)場(chǎng)工作過(guò)程為導(dǎo)向，安排設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，遵循學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)優(yōu)化了多樣化分層遞進(jìn)的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，明確了未來(lái)工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的改進(jìn)方向，形成一套貼近現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)際、符合專業(yè)人才需求、遵循實(shí)踐教學(xué)規(guī)律的工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?高職;工業(yè)機(jī)器人示教編程;實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

[中圖分類號(hào)] ?TP242.2 ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2018）27-0146-02

工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robots）是一種面向工業(yè)制造領(lǐng)域，模仿人的手臂運(yùn)動(dòng)功能，結(jié)合多種專用末端操作器，替代人工勞動(dòng)，具備自動(dòng)化、智能化特征，集成了密集的機(jī)電控制技術(shù)的機(jī)器設(shè)備。其現(xiàn)場(chǎng)典型應(yīng)用主要包括工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)、裝配、碼垛、點(diǎn)膠、焊接切割、激光打標(biāo)、打磨拋光去毛刺、噴涂噴釉噴砂、自動(dòng)化產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等。主要應(yīng)用機(jī)型為6軸垂直關(guān)節(jié)型和4軸平面關(guān)節(jié)型。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為智能制造技術(shù)浪潮崛起的關(guān)鍵，是世界制造大國(guó)爭(zhēng)先搶占的第四次工業(yè)革命的制高點(diǎn)?！吨袊?guó)制造2025》和《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》的出臺(tái)，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展做出了頂層規(guī)劃。推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展與裝備應(yīng)用，業(yè)已上升到國(guó)家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的層面。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的推進(jìn)發(fā)展與廣泛應(yīng)用，必將重塑整個(gè)現(xiàn)代工業(yè)，自然成為當(dāng)前高職院校自動(dòng)化類專業(yè)群優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的專業(yè)領(lǐng)域。

一、依據(jù)專業(yè)崗位能力需求，明確人才培養(yǎng)目標(biāo)

平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院于2009年開(kāi)始在機(jī)電一體化專業(yè)開(kāi)設(shè)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》專業(yè)課程，于2012年與富士康科技集團(tuán)校企共建工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)訓(xùn)室，并派遣教師赴合作企業(yè)一線掛職鍛煉，培育專業(yè)師資，設(shè)立工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)訂單班，于2015年申報(bào)設(shè)立工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)，并經(jīng)過(guò)充分考察與調(diào)研，引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人多功能快換系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人柔性自動(dòng)生產(chǎn)線，建成工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心。在此過(guò)程中，我們接觸走訪了多家工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)及工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)制造與系統(tǒng)集成企業(yè)（包括富士康新鄭廠區(qū)和深圳觀瀾廠區(qū)、武漢華中數(shù)控、許昌森源電氣、江蘇匯博機(jī)器人等企業(yè)），了解到各類型企業(yè)生產(chǎn)一線對(duì)工業(yè)機(jī)器人高素質(zhì)技術(shù)技能人才的真實(shí)客觀需求。其中，廣大機(jī)器人制造廠商（制造方）及其集成商（銷售方）主要需求大量生產(chǎn)制造、設(shè)計(jì)集成、安裝調(diào)試、銷售及技術(shù)服務(wù)等專業(yè)領(lǐng)域工程師和技術(shù)員。同時(shí)，廣大制造類企業(yè)作為使用工業(yè)機(jī)器人的客戶（購(gòu)買方），則需要大量操作與維護(hù)、編程與調(diào)試、維修與保養(yǎng)等應(yīng)用工程師。

專業(yè)人才培養(yǎng)應(yīng)符合行業(yè)對(duì)所需人才的培養(yǎng)要求和需求規(guī)模，依據(jù)上述調(diào)研結(jié)果，我們把高職階段工業(yè)機(jī)器專業(yè)人才培養(yǎng)主要定位在以下三種培養(yǎng)難度適度但需求規(guī)模大的崗位：（1）工業(yè)機(jī)器人的操作與應(yīng)用;（2）工業(yè)機(jī)器人工作站的安裝與調(diào)試;（3）工業(yè)機(jī)器人的維修與保養(yǎng)。主要面向應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人及其周邊自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)的制造類企業(yè)，培養(yǎng)專門技術(shù)人才，從事機(jī)器人及其相關(guān)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)、安裝編程調(diào)試和日常管理。因此，我們將工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)訓(xùn)作為人才培養(yǎng)中的基礎(chǔ)核心實(shí)踐課程。

二、以工作過(guò)程為導(dǎo)向，確定實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)本人在不同應(yīng)用企業(yè)參加設(shè)備操作培訓(xùn)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)頂崗實(shí)踐所得經(jīng)驗(yàn)，綜合校內(nèi)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)理論課程的講授內(nèi)容與開(kāi)設(shè)進(jìn)度，對(duì)照實(shí)際工作過(guò)程，將工業(yè)機(jī)器人示教編程實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)安排如下：

（一）工業(yè)機(jī)器人型號(hào)分類

工業(yè)機(jī)器人主要分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩大類別。其中，串聯(lián)型又可分為6軸垂直關(guān)節(jié)型和4軸平面關(guān)節(jié)型，此外還有利用連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的專用碼垛機(jī)器人。并聯(lián)型機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)較狹窄，主要是一種懸掛安裝的高速分揀型機(jī)器人。

（二）工業(yè)機(jī)器人設(shè)備組成

主要包括電控箱、示教器和機(jī)器人本體。電控箱和示教器作為控制部分，包含控制硬件和控制軟件兩方面，控制硬件主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)器組成，控制軟件則主要包含了路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、程式轉(zhuǎn)譯、VB/VC編程等技術(shù)。機(jī)器人本體作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分，主要包括本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、伺服電機(jī)、減速器、軸承、高耐久性配線等核心組成部分。

（三）安全操作規(guī)程與注意事項(xiàng)

（1）工業(yè)機(jī)器人設(shè)備搬運(yùn)安裝注意事項(xiàng)及基座安裝固定要求;（2）現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)裝置;（3）用電安全及工作現(xiàn)場(chǎng)的防水防塵防爆要求;（4）開(kāi)機(jī)前檢查事項(xiàng)及規(guī)范操作流程;（5）示教操作避障與危險(xiǎn)狀態(tài)下的緊急處置;（6）關(guān)機(jī)前注意事項(xiàng)及規(guī)范操作流程;（7）定期維護(hù)內(nèi)容（主要包括關(guān)節(jié)機(jī)械零點(diǎn)校正、伺服系統(tǒng)編碼器蓄電池更換、定期暖機(jī)潤(rùn)滑等）。

（四）工業(yè)機(jī)器人示教操作

（1）軸坐標(biāo)示教;（2）直角坐標(biāo)示教;（3）利用三點(diǎn)示教法自定義坐標(biāo)參考系。

（五）工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)編程

1.編程基礎(chǔ)

（1）直角坐標(biāo)與軸坐標(biāo)。（2）工作坐標(biāo)參考系與工具坐標(biāo)參考系。（3）插補(bǔ)控制：包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、圓弧運(yùn)動(dòng)等三種基本運(yùn)動(dòng)形式，三者共同遵守最短路徑原則，即求出插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的最優(yōu)解，使得機(jī)器人本體各關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中整體運(yùn)動(dòng)幅度最小。（4）目的點(diǎn)位到達(dá)確認(rèn)方式（到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的精度選擇）：包括順滑運(yùn)動(dòng)、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、編碼器數(shù)值確認(rèn)運(yùn)動(dòng)三種精度等級(jí)，其順序?yàn)榫冗f增順序。（5）速度設(shè)定：分為外部速度設(shè)定和內(nèi)部速度設(shè)定，其中內(nèi)部速度又可分為全域速度（未設(shè)定時(shí)，默認(rèn)為100%）和區(qū)域速度，均以百分比形式給出，將三項(xiàng)速度百分比連乘的結(jié)果作為速度設(shè)定的總百分比，再乘以最大速度，得出的便是實(shí)際運(yùn)行速度。

2.基本運(yùn)動(dòng)指令

以FoxBot工業(yè)機(jī)器人為例，主要包括Move、Draw、Drive、DriveA等四條運(yùn)動(dòng)指令。

（六）工業(yè)機(jī)器人輔助功能指令與程序結(jié)構(gòu)

主要包括有限次循環(huán)、帶條件判斷的循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、條件控制、變量的聲明定義、IO通訊、計(jì)時(shí)、延時(shí)、顯示、循環(huán)嵌套、分支嵌套、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等。

三、遵循學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)多樣化分層遞進(jìn)的實(shí)訓(xùn)任務(wù)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)，我們一直以來(lái)堅(jiān)持理實(shí)一體化的教學(xué)理念，發(fā)揮學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中的主觀能動(dòng)性，教中做，做中學(xué)，學(xué)中做，采用五步教學(xué)法，即明確任務(wù)、示范講解、學(xué)生實(shí)施、學(xué)生自檢、教師總結(jié)，充分體現(xiàn)學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，也收到了較好的教學(xué)效果，基本達(dá)到了實(shí)踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)。但具體到工業(yè)機(jī)器人示教編程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施，因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)綜合性與復(fù)雜性，以及本身工業(yè)機(jī)器人設(shè)備操作中伴隨極高的危險(xiǎn)性，操作中稍有疏忽就可能造成機(jī)器人本體碰撞損傷，甚至造成人身體傷害事故，所以造成很多學(xué)生在實(shí)訓(xùn)操作練習(xí)中，主觀畏難情緒濃重，急于應(yīng)付完成任務(wù)了事，造成基礎(chǔ)操作練習(xí)不扎實(shí)，為后續(xù)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的開(kāi)展埋下隱患，或另一種情況下，學(xué)生主觀學(xué)習(xí)興趣濃厚，急于上手操作，卻未充分認(rèn)識(shí)到操作風(fēng)險(xiǎn)，更未全面掌握操作技巧便急于操作，帶來(lái)較大的操作風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上出現(xiàn)的不良情況，我們重新分析梳理了工業(yè)機(jī)器人示教編程的全部實(shí)訓(xùn)操作項(xiàng)目，明確了工業(yè)機(jī)器人示教訓(xùn)練環(huán)節(jié)是獲得操作技巧、降低操作風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵，并針對(duì)示教操作學(xué)習(xí)內(nèi)容，重新設(shè)計(jì)了由易到難、分層遞進(jìn)的既簡(jiǎn)單又靈活多樣的機(jī)器人示教操作任務(wù)。

工業(yè)機(jī)器人示教操作環(huán)節(jié)實(shí)訓(xùn)任務(wù)設(shè)計(jì)如下：

（一）軸坐標(biāo)系下示教的基礎(chǔ)自由練習(xí)

主要熟悉機(jī)器人本體各軸的分布位置、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)范圍，明確工業(yè)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)中可能出現(xiàn)的幾種危險(xiǎn)姿態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用設(shè)備示教操作時(shí)，避免運(yùn)行到危險(xiǎn)姿態(tài)附近，選擇安全合理的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)路徑，從而避免碰撞風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

（二）直角坐標(biāo)下示教的規(guī)定圖形練習(xí)

1.沿本體坐標(biāo)系x軸、y軸，在x-y平面內(nèi)，完成邊長(zhǎng)為100mm的正方形軌跡示教，主要訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)方向的判別，坐標(biāo)變化的計(jì)算與監(jiān)視執(zhí)行，以及使用“固定距離”的運(yùn)動(dòng)模式簡(jiǎn)便快捷完成規(guī)定尺寸圖形的示教。

2.沿本體坐標(biāo)系x軸、y軸，在x-y平面內(nèi)，完成邊長(zhǎng)為100mm的等邊三角形軌跡示教，主要訓(xùn)練利用幾何方法，依據(jù)運(yùn)動(dòng)分解的思路，將任意方向運(yùn)動(dòng)分解設(shè)計(jì)為沿坐標(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)的示教操作步驟，明確示教操作僅為確定關(guān)鍵點(diǎn)位的核心目的，區(qū)別于規(guī)定圖形的編程運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.沿本體坐標(biāo)系的x軸、y軸、z軸，在x-y-z三維空間內(nèi)，完成棱長(zhǎng)為100mm的正方體軌跡示教。本任務(wù)主要是把剛才的二維示教訓(xùn)練成果及經(jīng)驗(yàn)推廣到更貼近真實(shí)應(yīng)用問(wèn)題的三維空間應(yīng)用，著力強(qiáng)化空間想象能力和復(fù)雜路徑的規(guī)劃設(shè)計(jì)與示教執(zhí)行能力，為在實(shí)際工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)合理安全、簡(jiǎn)便易行、平穩(wěn)流暢的運(yùn)動(dòng)軌跡提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累。另外，本任務(wù)的正方體運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有唯一性，學(xué)生可設(shè)計(jì)出多種示教執(zhí)行方案，具有較強(qiáng)的開(kāi)發(fā)性與靈活性，大家執(zhí)行展示過(guò)自己的示教運(yùn)動(dòng)方案后，可以展開(kāi)分析與討論，比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，依據(jù)安全合理、簡(jiǎn)便易行、平穩(wěn)流程的軌跡設(shè)計(jì)原則，不斷淘汰有問(wèn)題的方案，優(yōu)中選優(yōu)，優(yōu)化示教運(yùn)動(dòng)方案。

（三）自定義坐標(biāo)系

通過(guò)三點(diǎn)示教法，可完成任意運(yùn)動(dòng)方向和任意工作平面上的直角坐標(biāo)系示教，主要包括工作坐標(biāo)參考系（Work Frame，簡(jiǎn)記為WF）和工具坐標(biāo)參考系（Tool Frame，簡(jiǎn)記為TF）兩種基本類型，其中，工具坐標(biāo)參考系是建立在機(jī)器人本體末端中心點(diǎn)或工具中心點(diǎn)（TCP）的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系。自定義坐標(biāo)系方法的引入，為現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的安裝調(diào)試維護(hù)提供很大便利，比如工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，設(shè)備實(shí)際安裝位置與設(shè)計(jì)的理論值難免存在較大偏差，此時(shí)只用對(duì)自定義坐標(biāo)系重新做三點(diǎn)示教即可，避免了對(duì)大規(guī)模運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位重新示教。

四、教學(xué)模式改進(jìn)方向

雖然目前我們的實(shí)訓(xùn)課程的開(kāi)展在依據(jù)專業(yè)崗位能力需求、明確人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，以工作過(guò)程為導(dǎo)向，確定了實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，并進(jìn)一步遵循學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)優(yōu)化了多樣化分層遞進(jìn)的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，但工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為一門新興的專業(yè)綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推廣迅速，新的應(yīng)用方式和工藝方法不斷涌現(xiàn)，需要我們不斷走進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一線，產(chǎn)教融合，校企合作，把現(xiàn)場(chǎng)對(duì)專業(yè)人才的新要求和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝帶回我們的課堂，指引實(shí)訓(xùn)教學(xué)不斷改進(jìn)。

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