工業(yè)機(jī)器人編程與操作實(shí)訓(xùn)教學(xué)探索

黃桂琴 姚永玉 李素芳

摘? 要 論述工業(yè)機(jī)器人編程與操作實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的選定、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的組織與實(shí)施，在實(shí)施過程中采用項(xiàng)目式教學(xué)和“學(xué)做教”一體化教學(xué)相將結(jié)合的教學(xué)方法，使學(xué)生在項(xiàng)目中熟悉在線編程的步驟與指令系統(tǒng)，掌握示教盒的各功能鍵、機(jī)器人與其他設(shè)備的協(xié)同工作等相關(guān)操作，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，使其盡快融入相關(guān)企業(yè)。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人;實(shí)踐教學(xué);編程;實(shí)訓(xùn)設(shè)備;教材

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

文章編號(hào)：1671-489X（2020）10-0127-03

Abstract Discussing the current teaching status of training of Indus-trial Robot Programming and Operation， and the selection of the xtraining content， the passage states the organization and implemen-tation of the course. Project-based teaching mode and “l(fā)earn to teach”，a combined teaching method would be applied in the teaching prac-tice， which makes students more familiar with the steps of online programming and instruction system in the project， getting the point of the function keys of the teaching box， the collaborative operation between robots and other devices， and operations like that. The pur-pose is to cultivate students practical ability so that they can be integrated into related enterprises as soon as possible.

Key words industrial robot; practical teaching; programming; experiment equipments; textbook

1 前言

我國已經(jīng)成為世界的制造業(yè)中心，國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型時(shí)期，用機(jī)器人技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是提高企業(yè)市場競爭力的有效方法之一[1]。對(duì)于應(yīng)用型高校，為國家培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)型人才的任務(wù)十分緊迫。近年來，很多應(yīng)用型高校已開設(shè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)，或者開設(shè)相關(guān)課程，并購買了不同類型的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備。但作為新開課程，部分教師還缺少相關(guān)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不能形成符合應(yīng)用型高校培養(yǎng)特點(diǎn)的教學(xué)方法。因此，對(duì)這門課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的探索是十分必要的。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的主要問題

教學(xué)現(xiàn)狀? 作為應(yīng)用型本科，學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是既要有一定的理論知識(shí)，還要有較強(qiáng)的動(dòng)手能力。機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)和機(jī)器人編程與操作訓(xùn)練是機(jī)械電子工程專業(yè)的專業(yè)方向特色課程，也是工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在強(qiáng)化學(xué)生專業(yè)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去對(duì)接工作實(shí)際需求等方面，發(fā)揮著重要作用。洛陽理工學(xué)院機(jī)械學(xué)院機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)課程開在第七學(xué)期，通過理論學(xué)習(xí)，學(xué)生需要了解工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的基本概念，掌握機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的構(gòu)成，了解機(jī)器人軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)插補(bǔ)的基本概念與機(jī)器人編程語言，了解工業(yè)機(jī)器人工作站及生產(chǎn)線的基本組成和特點(diǎn)等理論知識(shí)[2]。

理論課結(jié)束后，開始工業(yè)機(jī)器人編程與操作訓(xùn)練，為期一周，針對(duì)學(xué)院設(shè)備開展實(shí)際操作訓(xùn)練。

存在的主要問題

1）缺乏適合的教材。應(yīng)用型本科院校以本科教育為主，面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)，以學(xué)科為依托，以應(yīng)用型專業(yè)教育為基礎(chǔ)，以社會(huì)人才需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才，要求學(xué)生掌握本專業(yè)相關(guān)技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力。現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人相關(guān)教材，有的偏重理論講解，有的流于產(chǎn)品說明或用戶指南[3]，而真正合適的教材應(yīng)是內(nèi)容與設(shè)備類型匹配。目前市面上還沒有和學(xué)院的實(shí)驗(yàn)設(shè)備類型完全匹配的教材，選用的教材在實(shí)際使用過程中需要對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行刪減和相應(yīng)補(bǔ)充，給教學(xué)帶來諸多不便。

2）實(shí)訓(xùn)設(shè)備偏少。目前的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品缺乏規(guī)范性，品牌繁雜且互不兼容，開放程度較低。因此，如何選擇具體的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，也是應(yīng)用型高校面臨的一個(gè)難題。而且機(jī)器人造價(jià)不菲，受資金和場地等條件的制約，構(gòu)建專門的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室成本過高，造成目前這門課程的實(shí)踐條件缺乏[3]。洛陽理工學(xué)院機(jī)械學(xué)院雖有幾種工業(yè)機(jī)器人，但臺(tái)套數(shù)偏少，實(shí)踐環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)人人熟練掌握。

3）教師缺乏工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技能的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)方法單一。實(shí)際操作的教師應(yīng)該具有一定的實(shí)際操作工藝應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，而目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)仍處在發(fā)展初期，專業(yè)教學(xué)教師嚴(yán)重缺乏。只能是學(xué)?，F(xiàn)有的教師通過短期培訓(xùn)，再加上自己利用空余時(shí)間不斷地去操作訓(xùn)練，上課時(shí)才可以邊講解邊演示，處理突發(fā)問題的能力有限，讓學(xué)生自由探索的機(jī)會(huì)偏少。

3 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的選擇與項(xiàng)目設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的選擇? 將培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力作為培養(yǎng)核心，在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)理解的同時(shí)，更注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[3]。洛陽理工學(xué)院機(jī)械學(xué)院在專業(yè)建設(shè)初期，對(duì)不同企業(yè)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用類型進(jìn)行了調(diào)研，在經(jīng)費(fèi)與場地有限的情況下，購買了兩臺(tái)固高的GRB3014A四自由度直角坐標(biāo)機(jī)械手，兩臺(tái)新松的SRT10C 6自由度機(jī)器人，一套由兩臺(tái)6自由度碼垛機(jī)器人、一臺(tái)傳送裝置和一個(gè)儲(chǔ)物架組成的小型工作站，一臺(tái)深圳優(yōu)旺特自動(dòng)搬運(yùn)車（AGV），再加上其他部門的可供參觀的設(shè)備，基本可以滿足學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人多品種應(yīng)用方面的練習(xí)和了解。

同時(shí)，根據(jù)機(jī)器人編程與操作訓(xùn)練的教學(xué)大綱要求，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。實(shí)訓(xùn)一共設(shè)計(jì)五個(gè)大項(xiàng)目的教學(xué)環(huán)節(jié)：四自由度直角坐標(biāo)機(jī)械手，6自由度機(jī)器人編程與操作，碼垛編程與操作及機(jī)器人協(xié)同工作，自動(dòng)搬運(yùn)車（AGV）編程與操作，認(rèn)識(shí)不同用途的工業(yè)機(jī)器人。每個(gè)項(xiàng)目下又分為若干個(gè)任務(wù)，任務(wù)難度逐漸增加，將學(xué)生需要掌握的知識(shí)與技能融入其中，并與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，保證教學(xué)知識(shí)與技能的針對(duì)性和實(shí)用性。為保證教學(xué)的順利進(jìn)行，針對(duì)這些設(shè)備，根據(jù)設(shè)計(jì)好的項(xiàng)目編寫《工業(yè)機(jī)器人編程與操作實(shí)訓(xùn)教程》作為內(nèi)部教材，學(xué)生練起來有了指導(dǎo)依據(jù)，也解決了缺乏合適教材的問題。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)? 根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)小項(xiàng)目及任務(wù)。

1）四自由度直角坐標(biāo)機(jī)械手。其中小項(xiàng)目有單軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制、單軸PT運(yùn)動(dòng)控制、單軸PVT運(yùn)動(dòng)控制和多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制，分別從點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和同步控制這三種運(yùn)動(dòng)控制著手，從易到難實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，讓學(xué)生理解點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)等相關(guān)概念，掌握運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方法和各個(gè)參數(shù)的含義及設(shè)置。

2）6自由度機(jī)器人編程與操作。其中小項(xiàng)目有機(jī)器人系統(tǒng)基本介紹、直線運(yùn)動(dòng)軌跡的編程與執(zhí)行、圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡的編程與執(zhí)行、不同軌跡間連接方法的編程與執(zhí)行。在這些項(xiàng)目中熟悉在線編程的步驟、方法與指令系統(tǒng)，掌握示教盒的各功能鍵和利用報(bào)警信息發(fā)現(xiàn)解決現(xiàn)場問題。

3）碼垛編程與操作及機(jī)器人協(xié)同工作。其中小項(xiàng)目有碼垛機(jī)器人操作、機(jī)器人及傳輸線I/O口的分配分析、1號(hào)機(jī)器人作業(yè)編程、1號(hào)后臺(tái)作業(yè)即傳輸線作業(yè)編程、2號(hào)機(jī)器人作業(yè)編程。通過這些項(xiàng)目學(xué)習(xí)碼垛子程序的應(yīng)用，各設(shè)備間輸入輸出信號(hào)的匹配，機(jī)器人與其他設(shè)備協(xié)同工作的相關(guān)操作與編程，如何防止各機(jī)器人間及機(jī)器人與其他設(shè)備間發(fā)生干涉而產(chǎn)生重大事故。

4）自動(dòng)搬運(yùn)車（AGV）編程與操作。在地上鋪設(shè)軌道，軌道上設(shè)置五個(gè)節(jié)點(diǎn)，每位學(xué)生在節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的動(dòng)作，編寫程序并執(zhí)行。通過此項(xiàng)目學(xué)習(xí)AGV的動(dòng)作、相關(guān)操作、編程方法與應(yīng)用，為AGV小車與其他設(shè)備協(xié)同工作做好準(zhǔn)備。

5）參觀學(xué)習(xí)機(jī)器人學(xué)院不同類型工業(yè)機(jī)器人工作站及流水線。應(yīng)用六自由度機(jī)器人的工作站有沖床上下料工作站、數(shù)控機(jī)床上下料工作站、打磨工作站夾持工件、焊接機(jī)器人工作站及大型碼垛機(jī)器人。流水線是光機(jī)電一體化機(jī)器人彩色小球分裝流水線，該線中有SCARA機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人傳遞工件，有視覺機(jī)器人檢測工件、Delta機(jī)器人分揀工件，多種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理不同，在生產(chǎn)線中作用不同。通過此項(xiàng)目認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)中的哪些問題可以用工業(yè)機(jī)器人解決，如何選擇不同類型的工業(yè)機(jī)器人，使理論學(xué)習(xí)與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合更緊密。

這樣設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，把所有設(shè)備都充分利用起來，能夠盡可能地?cái)U(kuò)大學(xué)生視野。

4 教學(xué)組織與實(shí)施

組織形式? 在“學(xué)做教”一體化教學(xué)過程中，以項(xiàng)目（任務(wù)）化實(shí)訓(xùn)法[4]中的項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以工作過程導(dǎo)向?yàn)橹饕虒W(xué)方法[5]，以協(xié)作團(tuán)隊(duì)的形式，把學(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組選一個(gè)組長，可以一人操作時(shí)，其余人在旁邊觀摩并互相學(xué)習(xí)。為防止安全隱患和便于學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，每組人數(shù)不宜太多。教師在教大家時(shí)重點(diǎn)把組長教會(huì)，組長在練習(xí)時(shí)，組員再次觀摩學(xué)習(xí)，再由組長指導(dǎo)組員、組員指導(dǎo)組員，本組指導(dǎo)好的可以指導(dǎo)下一組，每人有一次學(xué)、做與教的機(jī)會(huì)。每人在操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的狀況，小組成員共同協(xié)商，找出解決辦法;解決不了找教師，教師也解決不了的咨詢廠家。這樣不僅可以鍛煉學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)和指導(dǎo)學(xué)習(xí)的方式掌握課程必備的理論知識(shí)和技能，也能提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，以及分析、解決問題的能力，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。對(duì)于教師教學(xué)相長，提高也更快。

實(shí)施方案

第一步，先對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每五人一組，選一組長，然后給每個(gè)小組分配項(xiàng)目任務(wù)。根據(jù)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生思考在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上如何往下一步開展，自主提出解決方案，教師和學(xué)生一起討論方案的可行性，指出存在的問題。

第二步，教師編寫示教程序并運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題后，結(jié)合報(bào)警提示，分析問題出現(xiàn)的原因，并找出解決問題的辦法。

第三步，在保證安全的前提下，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手嘗試，最后展開討論，總結(jié)問題與收獲。

通過這個(gè)過程，學(xué)生的自我學(xué)習(xí)、探索和動(dòng)手能力可以得到有效培養(yǎng)[3]。

同時(shí)，為克服設(shè)備偏少的問題，在方案實(shí)施過程中有兩個(gè)教師分別講解演示。前四個(gè)項(xiàng)目講完后，所有組均可開始自己的項(xiàng)目。每組完成一個(gè)項(xiàng)目后，可以輪流到下一項(xiàng)目。這樣設(shè)備同時(shí)開啟，學(xué)生可以有更多的練習(xí)機(jī)會(huì)，但教師的指導(dǎo)難度加大，教師要在此之前熟悉所有設(shè)備并充分準(zhǔn)備，以應(yīng)對(duì)出現(xiàn)不同的問題。

5 結(jié)語

洛陽理工學(xué)院機(jī)械學(xué)院機(jī)器人項(xiàng)目式教學(xué)和“學(xué)做教”一體化教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，已應(yīng)用于16級(jí)的四個(gè)班，教學(xué)效果良好。學(xué)院準(zhǔn)備將此經(jīng)驗(yàn)用于后續(xù)更多班級(jí)的教學(xué)中，進(jìn)一步驗(yàn)證其優(yōu)越性。同時(shí)需要根據(jù)教學(xué)過程中存在的一些問題，如工位不足、項(xiàng)目較少、任務(wù)單一等，進(jìn)行逐一改進(jìn)，并不斷提升教師的實(shí)際應(yīng)用水平，以更好地服務(wù)于教學(xué)。

教學(xué)改革是一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的過程。隨著學(xué)院新機(jī)房西門子UG軟件的安裝和智能制造生產(chǎn)線的建成，逐步把工業(yè)機(jī)器人的離線編程，機(jī)器人在智能制造生產(chǎn)線中與立體倉庫、數(shù)控機(jī)床、3D打印等設(shè)備協(xié)同工作等內(nèi)容加入實(shí)訓(xùn)中，堅(jiān)持在以后的教學(xué)過程中不斷改進(jìn)和完善，更好地培養(yǎng)出符合社會(huì)發(fā)展特點(diǎn)、適合生產(chǎn)實(shí)際需求的人才。

參考文獻(xiàn)

[1]周冬妮，王睫.“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”一體化教學(xué)改革與實(shí)踐[J].求知導(dǎo)刊，2018（33）：115-116.

[2]于楚泓.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)改革探索[J].科技風(fēng)，2017（8）：54.

[3]黎萍，劉保軍，于楚泓.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2018（25）：74-75.

[4]吳放.基于工作過程的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)信息化教學(xué)的探索[J].信息周刊，2018（6）：27.

[5]劉小斐，郝巧梅，賀長春.基于過程導(dǎo)向的工業(yè)機(jī)器人操作與編程課程開發(fā)與實(shí)踐[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2017（30）：

158-159.