工業(yè)機(jī)器人在本科工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)中的探討

陳小勤 周丹 王淑偉 謝敏

摘? 要 由于工業(yè)機(jī)器人在當(dāng)前時(shí)代十分重要及其相關(guān)人才的急需，分析學(xué)校工程訓(xùn)練中心工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室的現(xiàn)狀及實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室建設(shè)、課程建設(shè)與改革進(jìn)行探討，并提出幾點(diǎn)規(guī)劃與建議，以求取得較好的實(shí)訓(xùn)效果并與產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人;工程訓(xùn)練;實(shí)踐教學(xué);實(shí)訓(xùn)室

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）12-0132-03

Abstract Due to the importance of industrial robots in the current era?and the urgent need for related talents， this paper analyzes the current?situation of industrial robot training rooms in college engineering training centers and problems in practical teaching. It discusses the construction of industrial robot training room， curriculum construc-tion and reform， and puts forward several plans and suggestions in order to obtain better training results and keep pace with industrial development.

Key words industrial robot; engineering training; practical teaching; training rooms

1 引言

工業(yè)機(jī)器人是智能制造業(yè)最具代表性的裝備。近年來，全球?qū)I(yè)機(jī)器人的需求明顯加快。從市場(chǎng)規(guī)模來看，2013—2018全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模一直處于穩(wěn)步上升趨勢(shì)。我國在2014年就已經(jīng)成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)國[1-2]，預(yù)計(jì)未來幾年甚至十年，我國機(jī)器人市場(chǎng)會(huì)需求越來越大。面對(duì)工業(yè)機(jī)器如此大規(guī)模的被需求，迫切需要培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人方向的應(yīng)用技術(shù)人才[1，3]，以應(yīng)對(duì)中國制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來的應(yīng)用技術(shù)人才的大量需求。

工業(yè)機(jī)器人作為一門課程或一個(gè)專業(yè)，在很多高職院校已經(jīng)開設(shè)和創(chuàng)辦[4-7]，而普通高校的工程訓(xùn)練正是理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合，為培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)人才提供了保障。因此，高校工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)開設(shè)工業(yè)機(jī)器人課程具有十分重要的意義。本文針對(duì)目前西南交通大學(xué)工程訓(xùn)練中工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中存在的問題、實(shí)訓(xùn)室建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)課程開設(shè)等，進(jìn)行較為深入的探討。

2 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)狀及實(shí)踐教學(xué)存在的問題

目前，西南交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室有兩臺(tái)ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人、一臺(tái)ABB IRB1410焊接機(jī)器人及相關(guān)工作平臺(tái)、示教器、控制柜、焊接槍等三套完整教學(xué)系統(tǒng)，均由四川紐賽特工業(yè)機(jī)器人制造有限公司提供，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布局如圖1所示。

IRB120是一款小型工業(yè)機(jī)器人，其重量減至僅25 kg，

具有敏捷、緊湊、輕量的特點(diǎn)，控制精度與路徑精度俱優(yōu)，主要用于裝配、碼垛、上下料、物料搬運(yùn)、包裝/擠膠。IRB1410是一款專用的焊接機(jī)器人，采用超高速六軸運(yùn)行機(jī)構(gòu)，1.44 m的到達(dá)距離，加上5 kg的有效載荷，成為各種物料的理想焊接工具。IRB1410機(jī)器人較上一代產(chǎn)品優(yōu)化了電機(jī)功率和運(yùn)動(dòng)性能，使其運(yùn)動(dòng)周期明顯短于同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)器。兩款機(jī)器人都可采用電腦離線編程，也可在線編程，可手動(dòng)也可自動(dòng)運(yùn)行。

目前，實(shí)訓(xùn)過程中上述兩款工業(yè)機(jī)器人主要用于工程訓(xùn)練課程中的演示教學(xué)，采用教師操作、學(xué)生觀摩的教學(xué)方式，分別作為工程訓(xùn)練中模塊化機(jī)器人與焊接兩個(gè)工種知識(shí)的擴(kuò)展與補(bǔ)充。經(jīng)過實(shí)踐，總結(jié)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在如下問題：

1）由于機(jī)器人價(jià)格昂貴，工作臺(tái)數(shù)量有限，學(xué)生僅限于觀摩，缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);

2）實(shí)訓(xùn)時(shí)間有限，對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)不夠深入;

3）實(shí)訓(xùn)室機(jī)器人利用率不高，造成一定程度的浪費(fèi);

4）師資力量缺乏，對(duì)現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人研究不夠深入且操作不夠熟練。

3 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案與探討

工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室建設(shè)包括實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的投入（已有）、師資人員的配備、企業(yè)項(xiàng)目的申請(qǐng)、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行模式和各項(xiàng)制度的制訂等。西南交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量較少的不足，擬采取如下方案進(jìn)行改進(jìn)與建設(shè)。

1）申報(bào)教育部高等教育司關(guān)于有關(guān)企業(yè)支持的產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，項(xiàng)目類型為實(shí)踐條件和實(shí)踐基地建設(shè)，爭(zhēng)取由項(xiàng)目支持增加上述相同型號(hào)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的投入。

2）在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，更多地讓學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的離線編程，將自己所編程序上傳到機(jī)器人控制箱，以驗(yàn)證編程結(jié)果，從而掌握機(jī)器人的運(yùn)行;配合校內(nèi)科研單位或是由中心教師自主申報(bào)，參與關(guān)于機(jī)器人的各類科研項(xiàng)目;結(jié)合全國大學(xué)的工程訓(xùn)練大賽及其他各類競(jìng)賽，如關(guān)于機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與操作比賽，為學(xué)生提供設(shè)計(jì)思路或練手平臺(tái)。

師資方面，工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有實(shí)踐環(huán)節(jié)已開設(shè)模塊化機(jī)器人的工種，實(shí)踐證明，該課程很受學(xué)生歡迎，教師業(yè)務(wù)水平較高，深受學(xué)生認(rèn)可，且有兩位教師在全校范圍內(nèi)也開設(shè)了有關(guān)機(jī)器人的選修課程。由此可見，工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室具備一定的師資力量，但專業(yè)的工業(yè)機(jī)器人教師缺乏。針對(duì)這一特點(diǎn)，仍可采取申報(bào)教育部高等教育司關(guān)于有關(guān)企業(yè)支持的產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，項(xiàng)目類型為師資培訓(xùn)，努力培育一批具有良好業(yè)務(wù)水平的師資隊(duì)伍。同時(shí)，可以從企業(yè)中尋找一批精通機(jī)器人編程與操作，能夠解決機(jī)器人疑難故障的企業(yè)工程師，協(xié)助完成工業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐教學(xué)。以此形成校企混編師資隊(duì)伍，切實(shí)保證教學(xué)質(zhì)量，也讓教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展保持同步[1]。

運(yùn)行模式方面，實(shí)驗(yàn)室可為工程訓(xùn)練基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)開放，也可為科研項(xiàng)目[8-9]或競(jìng)賽等開放。后者由相關(guān)負(fù)責(zé)人主動(dòng)申請(qǐng)，一周可提供一天的開放時(shí)間。另外，實(shí)驗(yàn)室已制定了各項(xiàng)管理規(guī)章制度，如《工業(yè)機(jī)器人安全操作規(guī)范及注意事項(xiàng)》，已經(jīng)編在《工程訓(xùn)練中心安全管理制度》中。該制度也可結(jié)合后續(xù)的實(shí)訓(xùn)情況而改進(jìn)。

綜上，前兩方面關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和師資的建設(shè)都涉及校企協(xié)同育人項(xiàng)目的申報(bào)，這為企業(yè)項(xiàng)目的申請(qǐng)?zhí)峁┝似鯔C(jī)，也為培養(yǎng)出工業(yè)機(jī)器人方向的應(yīng)用技術(shù)人才提供了有力的支持。上述提出的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行模式有望在很大程度上解決資源浪費(fèi)的問題。

4 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)方案與探討

目前，西南交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程僅作為模塊化機(jī)器人和焊接兩個(gè)工種的知識(shí)擴(kuò)充，經(jīng)前面對(duì)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展形式與地位進(jìn)行分析，單獨(dú)開設(shè)一門工業(yè)機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)課程十分必要。工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)主要包括課程資源開發(fā)建設(shè)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)、考核方式等[10]。

課程資源來自四川紐賽特工業(yè)機(jī)器人制造有限公司提供的各種文檔，包括系統(tǒng)配置、編程手冊(cè)、培訓(xùn)視頻等。另外，可充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)和虛擬技術(shù)，通過手機(jī)來構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，讓虛擬技術(shù)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)課堂，以提高課堂效率[4，10]。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目內(nèi)容初步設(shè)計(jì)如圖2所示。工程訓(xùn)練基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)每一個(gè)工種總共八學(xué)時(shí)（自然學(xué)時(shí)數(shù)六小時(shí)，含一小時(shí)預(yù)習(xí)），由于學(xué)時(shí)有限，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)內(nèi)容有限。因此，所有專業(yè)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容擬選取模塊一，基于IRB120小型工業(yè)機(jī)器人，通過示教在線編程或PC機(jī)離線編程來按要求對(duì)小木塊進(jìn)行碼垛。以此使學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人編程，熟悉工業(yè)機(jī)器人的手動(dòng)操作與自動(dòng)運(yùn)行，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃有初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)工業(yè)機(jī)器操作時(shí)的安全注意事項(xiàng)有深刻的體會(huì)。這也為畢業(yè)以后從事工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的部分學(xué)生奠定了堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)。

針對(duì)工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)，課程建設(shè)過程中擬采用教學(xué)過程化考核的方式對(duì)學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，該考核方式有利于掌握并分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況[1]。過程化考核內(nèi)容包括：是否能夠獨(dú)立編程并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的基本動(dòng)作和要求（60%）;是否能夠完善項(xiàng)目設(shè)計(jì)并有創(chuàng)新點(diǎn)（20%）;是否能夠自主排查解決工業(yè)機(jī)器人故障（5%）;實(shí)訓(xùn)報(bào)告完成情況（15%）。并要求無預(yù)習(xí)報(bào)告或預(yù)習(xí)檢查不合格者不得參加本次實(shí)訓(xùn)，這樣有利于督促學(xué)生課下認(rèn)真預(yù)習(xí)，也為安全實(shí)訓(xùn)操作提供了保障。

5 結(jié)語

西南交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)與改革迫在眉睫。本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)建設(shè)與課程建設(shè)方案進(jìn)行了探討，不僅有助于高質(zhì)高效地完成大學(xué)本科生在工程訓(xùn)練中的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)，更為培養(yǎng)有關(guān)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)人才提供了有力支持。

參考文獻(xiàn)

[1]盧亞平，劉和劍.應(yīng)用型本科工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究和管理理念探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（11）：270-273.

[2]王會(huì)永，邢力，李向男，等.工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].機(jī)電技術(shù)，2018（6）：115-117.

[3]陳荔，程靈，陳美榮.應(yīng)用型本科院?！叭S”實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建[J].新余學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，24（5）：152-156.

[4]張艾良.高職院?！豆I(yè)機(jī)器人技術(shù)》專業(yè)課程教學(xué)研究[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2018（11）：83-84.

[5]方偉中.高職院校工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)探討[J].工程技術(shù)研究，2018（13）：176-177.

[6]陳磊，郭金妹，汪賽.高職院校工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018，26（35）：154，243.

[7]于君.高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式分析[J].科技文匯，2019（1）：127-128.

[8]李世杰，李飛，馬建龍，等.六自由度工業(yè)機(jī)器人的模態(tài)仿真與實(shí)驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（12）：157-159，163.

[9]李祥云，向民志，范百興，等.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定精度分析與改進(jìn)[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，35（3）：255-259.

[10]劉小波.工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐課程設(shè)計(jì)與探索[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（43）：152-156.