高職《工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試》課程建設(shè)與探索

丁健 郭瓊 胡俊平

摘要：本文詳細(xì)介紹了《工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試》課程建設(shè)思路、課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。通過對該課程知識學(xué)習(xí)領(lǐng)域和職業(yè)能力目標(biāo)的探究，自主研制直角坐標(biāo)機(jī)器人、六軸機(jī)器人和AGV三種工業(yè)機(jī)器人教學(xué)設(shè)備，進(jìn)而按照工程教育理念凝練教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)四個實(shí)際工程教學(xué)項(xiàng)目以及典型工作任務(wù)。教學(xué)組織采用“任務(wù)分析、小組討論、任務(wù)實(shí)施、小組考評”的方式，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；安裝與調(diào)試；典型工作任務(wù)

中圖分類號：G714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）02-0262-03

一、引言

工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作機(jī)，可用于完成加工搬運(yùn)等作業(yè)任務(wù)，涉及計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程、控制論、仿生學(xué)、信息與傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域[1]。隨著《中國制造2025》的實(shí)施及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將會面臨重大的發(fā)展機(jī)遇，根據(jù)工信部的發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量將達(dá)到100萬臺，需要20萬左右的各類工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用型人才[2]。然而，當(dāng)前許多工業(yè)機(jī)器人的安裝與調(diào)試還只依靠企業(yè)產(chǎn)品手冊和培訓(xùn)材料，所以結(jié)合高職院校教學(xué)特色建設(shè)《工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試》課程顯得很有意義。

通過對工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)崗位進(jìn)行調(diào)研，目前人才需求主要集中在本體及零部件設(shè)計(jì)與加工制造、安裝與調(diào)試、操作與編程、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品銷售和技術(shù)支持等崗位[3]。因此，高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)目標(biāo)應(yīng)定位于培養(yǎng)從事工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)設(shè)備的安裝、編程、調(diào)試、系統(tǒng)集成、運(yùn)行維護(hù)等工作的應(yīng)用型技術(shù)技能型人才。但是，由于許多高職院校開設(shè)該專業(yè)時間較短，專業(yè)課程體系尚未健全，專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不高[4]。所以，本文根據(jù)高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，對照工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試職業(yè)功能和工作內(nèi)容，探索與建設(shè)《工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試》課程，通過前期工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試實(shí)訓(xùn)室建設(shè)，開發(fā)“教學(xué)做一體化項(xiàng)目”和“典型工作任務(wù)”課程，以提高學(xué)生的綜合職業(yè)能力、專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新意識。

二、課程建設(shè)思路

根據(jù)高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，基于“工學(xué)結(jié)合、項(xiàng)目引導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動”的建設(shè)思路，該課程依托直角坐標(biāo)機(jī)器人、六軸機(jī)器人和AGV（自動引導(dǎo)運(yùn)輸車）三種典型工業(yè)機(jī)器人，將工業(yè)機(jī)器人安裝調(diào)試知識與技能點(diǎn)融入典型教學(xué)項(xiàng)目任務(wù)中。學(xué)生將在工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)實(shí)訓(xùn)室完成三種典型工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試的全過程，同時堅(jiān)持知識傳授與操作訓(xùn)練為一體、多維考核與素質(zhì)拓展為一體，突出職業(yè)技術(shù)教育實(shí)踐能力培養(yǎng)，將高職院?！白鲋袑W(xué)、做中教”的教育理念貫徹于課程設(shè)計(jì)的全過程。課程教學(xué)項(xiàng)目由若干個工作任務(wù)組成，每個任務(wù)按照“知識學(xué)習(xí)、任務(wù)描述和任務(wù)實(shí)施”進(jìn)行，以完成相應(yīng)任務(wù)知識和技能要求為目標(biāo)，注重工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試職業(yè)能力培養(yǎng)，重點(diǎn)加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人常用傳動機(jī)構(gòu)安裝、電氣與伺服控制系統(tǒng)安裝調(diào)試、機(jī)電聯(lián)調(diào)和應(yīng)用編程等方面應(yīng)用能力培養(yǎng)，淡化機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)等理論教學(xué)內(nèi)容。

三、課程建設(shè)內(nèi)容

在企業(yè)充分調(diào)研和畢業(yè)生跟蹤調(diào)查的基礎(chǔ)上，本課程遵循可行性、覆蓋性、趣味性、典型性和實(shí)施方案多樣性原則，以三種典型工業(yè)機(jī)器人為載體，與企業(yè)合作設(shè)計(jì)開發(fā)若干教學(xué)做一體化的項(xiàng)目，如圖1和表1所示。

1.工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知。工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具來完成各種作業(yè)。該項(xiàng)目知識學(xué)習(xí)涉及工業(yè)機(jī)器人基本概念、組成與分類、現(xiàn)狀與發(fā)展以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，任務(wù)實(shí)施側(cè)重于工業(yè)機(jī)器人本體和控制柜認(rèn)知，以及工業(yè)機(jī)器人操作規(guī)范。例如，了解工業(yè)機(jī)器人常用鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、螺旋傳動等機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，認(rèn)識典型六軸工業(yè)機(jī)器人的基座、大臂、小臂、腕部和手部結(jié)構(gòu)，熟悉工業(yè)機(jī)器人控制柜常用電氣元件及其工作原理，掌握機(jī)器人安全操作以及維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范，使學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人安裝調(diào)試過程中需遵循的基本方法和技術(shù)。

2.直角坐標(biāo)機(jī)器人安裝與調(diào)試。該項(xiàng)目以直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人作為教學(xué)載體，三軸直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人安裝在鋁合金導(dǎo)軌式實(shí)訓(xùn)工作臺面上，X軸、Y軸和Z軸是相互垂直的滾珠絲桿直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)滑臺的平移運(yùn)動，三軸運(yùn)動都由相應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動，機(jī)器人在工作臺面上可以完成設(shè)定的寫字繪圖任務(wù)，其執(zhí)筆裝置必須按照一定的運(yùn)動軌跡行走。由于直角坐標(biāo)機(jī)器人基本涵蓋和表現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的典型技術(shù)，學(xué)生可進(jìn)行機(jī)器人單軸絲桿傳動機(jī)構(gòu)機(jī)械安裝、電氣控制安裝與調(diào)試、PLC編程與調(diào)試、伺服系統(tǒng)安裝與編程和軌跡運(yùn)動規(guī)劃等多種不同技能訓(xùn)練，其可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既有演示性與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也有設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動性，有利于學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人的工作原理和提升機(jī)器人的操作維護(hù)技能。

3.六軸機(jī)器人安裝與調(diào)試。六軸機(jī)器人是一種模擬人手臂、手腕和手功能的機(jī)電一體化裝置，可以精確控制物體運(yùn)動的位置、速度和加速度，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求。在前面兩個項(xiàng)目學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)六軸機(jī)器人的工作原理與安裝調(diào)試方法，重點(diǎn)掌握機(jī)器人軸關(guān)節(jié)和末端工具手安裝、電氣與控制系統(tǒng)安裝和機(jī)器人示教編程方法。例如，可以進(jìn)行指定軸關(guān)節(jié)伺服電機(jī)、行星減速機(jī)、交叉滾子軸承、軸承壓蓋和連接臂的安裝，機(jī)器人吸盤工具手和氣爪工具手氣路中氣管、電磁閥、氣缸、過濾器和分離器等部件的安裝與調(diào)試，亦可根據(jù)教學(xué)需求設(shè)置機(jī)器人工具手工件搬運(yùn)、碼垛和裝配示教編程任務(wù)。在接近實(shí)際工業(yè)項(xiàng)目任務(wù)操作中進(jìn)行探索、訓(xùn)練和總結(jié)，能夠確保學(xué)生掌握典型六軸工業(yè)機(jī)器人的安裝與調(diào)試技能。

4.AGV安裝與調(diào)試。AGV小車作為一種智能工廠的運(yùn)輸工具，裝配有電磁或光學(xué)自動導(dǎo)引系統(tǒng)，可以按規(guī)劃的導(dǎo)引路徑行走，在工業(yè)生產(chǎn)和物流管理中起著至關(guān)重要的作用。利用自主開發(fā)的磁引導(dǎo)AGV教學(xué)平臺，學(xué)生可以學(xué)習(xí)AGV充電系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)工作原理，主要掌握AGV小車上部運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和傳感控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試。例如，帶傳動中主動軸、從動軸、同步帶傳動機(jī)構(gòu)、皮帶和張緊輪等部件的安裝，信號采集控制系統(tǒng)中磁導(dǎo)傳感器、直流電機(jī)及其驅(qū)動器的安裝和調(diào)試。另外，可進(jìn)一步設(shè)置AGV循線前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、加減速等應(yīng)用編程任務(wù)，幫助學(xué)生認(rèn)識典型AGV機(jī)器人的基本概念和原理，并在此基礎(chǔ)上拓展一些無線通信、系統(tǒng)監(jiān)控和智能直流調(diào)速控制等較復(fù)雜的任務(wù)。

四、教學(xué)方法探索

通過前期《PLC應(yīng)用技術(shù)》、《電氣控制技術(shù)》和《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)，本課程依據(jù)CDIO（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作）工程教育模式[5]，以接近實(shí)際工程項(xiàng)目為載體，按照“知識學(xué)習(xí)—任務(wù)導(dǎo)入—任務(wù)實(shí)施”的方式展開，具體方法如下。

1.引入自制教學(xué)設(shè)備，凝練典型工作任務(wù)。為了有效提高教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課程團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)三種典型工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺，在教學(xué)過程中將工業(yè)機(jī)器人安裝調(diào)試知識和技能要點(diǎn)融入項(xiàng)目任務(wù)中，任務(wù)設(shè)置強(qiáng)調(diào)典型性、實(shí)用性、趣味性和啟發(fā)性。例如，將“寫字繪圖”的創(chuàng)意融入直角坐標(biāo)機(jī)器人教學(xué)設(shè)備，學(xué)生既能完成機(jī)器人基礎(chǔ)性絲桿傳動機(jī)構(gòu)和電氣安裝與調(diào)試，有助于學(xué)生理解一般工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成和工作原理，同時還能開展機(jī)器人末端軌跡繪制和軌跡復(fù)現(xiàn)等應(yīng)用編程任務(wù)，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，寓教于樂。

2.改進(jìn)課程組織方式，提升課程教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)組織是課程目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)和師生互動的主要方式，堅(jiān)持以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)理念，以教、學(xué)、訓(xùn)、做、評相融合的高職教育組織方式，將學(xué)生以5—6人為單位進(jìn)行分組，并讓各小組推薦一名小組長，學(xué)生以組為單位進(jìn)行“任務(wù)分析、小組討論、任務(wù)實(shí)施、小組考評”，在此過程中，一方面教師與學(xué)生一同進(jìn)行任務(wù)剖析、小組討論和交流意見，另一方面教師將項(xiàng)目任務(wù)中的知識和技能點(diǎn)融合于項(xiàng)目任務(wù)分析、小組討論和教師點(diǎn)評過程中，這種組織方式不僅可以充分發(fā)揮學(xué)生的能動性和創(chuàng)新性，還能提升教師自身業(yè)務(wù)能力。

五、結(jié)語

由于高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)發(fā)展時間較短，專業(yè)課程體系尚不完善，通過對工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)崗位需求充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，探索與建設(shè)《工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試》專業(yè)核心課程。該課程突出工程教育思想，通過引入自制教學(xué)設(shè)備來構(gòu)建教學(xué)做一體化項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容，按照學(xué)生為中心的理念來組織教學(xué)過程，從而保證該課程實(shí)施后能有效促進(jìn)學(xué)生工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試職業(yè)能力的全面提高，同時對高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)其他課程建設(shè)具有一定借鑒意義和推廣價值。

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Abstract：This paper introduces detailed construction ideas，teaching content and teaching methods of the "Industrial Robot Installation and Debugging" course.By studying the knowledge learning areas and professional competence goals for this course，three typical industrial robots that contain cartesian robots，six-axis robots and AGV are self-developed.And then according to engineering education concept，four practical engineering teaching project and typical tasks are designed.The teaching organization uses the methods of "task analysis，group discussion，task implementation，and group evaluation"，which aims to improve the subjective initiative and course teaching quality for the students.

Key words：industrial robot；installation and debugging；typical tasks