基于ABB工業(yè)機(jī)器人回原位程序設(shè)計的教學(xué)實踐研究

鄭 直

（上海信息技術(shù)學(xué)校，上海 200331）

0 引言

隨著20世紀(jì)中期計算機(jī)、自動化技術(shù)的發(fā)展，第一代機(jī)器人誕生，開始成為人類生活中的現(xiàn)實。隨后科技飛速發(fā)展，機(jī)器人的功能和性能不斷改善和提高，目前正廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和醫(yī)療行業(yè)等事業(yè)中[2]。

在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中，在任何一個車間里面，都有可能因為供電的問題，網(wǎng)絡(luò)的問題，環(huán)境的問題，甚至是誤操作的問題，出現(xiàn)計劃外停機(jī)的情況。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)突然停機(jī)的時候，它的原點(diǎn)位置作為待機(jī)的安全點(diǎn)位，需要工業(yè)機(jī)器人能夠回到原位。

本文以廣東三向教學(xué)儀器制造有限公司生產(chǎn)的ABB工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用工作站為載體，對手機(jī)裝配產(chǎn)線中的工業(yè)機(jī)器人回原位程序設(shè)計應(yīng)用課題[1]從教學(xué)分析、教學(xué)策略、教學(xué)過程等方面進(jìn)行了設(shè)計。

1 教學(xué)分析

1.1 課程說明

《工業(yè)機(jī)器人典型工作站安裝與調(diào)試》是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，課程設(shè)置主要目的是培養(yǎng)學(xué)生具備工業(yè)機(jī)器人工作站安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)等應(yīng)用能力。課程教學(xué)目標(biāo)根據(jù)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)人才培養(yǎng)方案》設(shè)定。本次課針對工業(yè)機(jī)器人在手機(jī)裝配生產(chǎn)線的典型應(yīng)用，主要講解回原位程序的編寫與調(diào)試，這是工業(yè)機(jī)器人調(diào)試員（或工程師助手）崗位的必備技能。

1.2 學(xué)情分析

授課對象是四年制中職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用專業(yè)三年級的學(xué)生。學(xué)生實踐操作能力較強(qiáng)，但知識技能總結(jié)能力較弱，愿意對新的知識技能進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索。通過前期基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，已掌握了工業(yè)機(jī)器人的基本操作，具備了一定的編程調(diào)試能力，包括本次課所用到一些程序指令和調(diào)試技能。但學(xué)生缺乏機(jī)器人實際應(yīng)用崗位的工作經(jīng)驗，沒有建立真實的崗位專業(yè)認(rèn)知。

1.3 教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)及職業(yè)能力的要求，確定以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）知識目標(biāo)：知道工業(yè)機(jī)器人回原位程序的使用意義；能說出工業(yè)機(jī)器人回原位設(shè)計的關(guān)鍵步驟；熟知工業(yè)機(jī)器人安全操作規(guī)范。

（2）技能目標(biāo)：能正確讀取工業(yè)機(jī)器人位置數(shù)據(jù)；會編寫與調(diào)試手機(jī)裝配生產(chǎn)線工作站工業(yè)機(jī)器人回原位程序

（3）態(tài)度目標(biāo)：根據(jù)ABB公司崗位要求，培養(yǎng)做事遵循規(guī)范的職業(yè)態(tài)度；養(yǎng)成不斷完善，精益求精的職業(yè)素養(yǎng)；樹立團(tuán)隊合作意識，協(xié)同親和，共同進(jìn)步。

根據(jù)崗位要求和學(xué)生基本情況，為了更好地實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，將“工業(yè)機(jī)器人回原位程序設(shè)計步驟”作為本次課的教學(xué)重點(diǎn)，將“工業(yè)機(jī)器人回原位程序中的分區(qū)判定”作為教學(xué)難點(diǎn)。

2 教學(xué)策略

采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法[3]，由淺入深，層層遞進(jìn)，通過課前預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)三個階段完成知識技能的學(xué)習(xí)。

圖1 教學(xué)策略

3 教學(xué)過程

3.1 教學(xué)活動

本次課程主要分為“問題提出”“基礎(chǔ)任務(wù)”“進(jìn)階任務(wù)”“總結(jié)評價”和“拓展應(yīng)用”五個活動過程。

3.1.1 活動一：問題提出

問題提出環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，模擬手機(jī)裝配產(chǎn)線突然停電導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人停機(jī)的狀況，如圖2所示，引出機(jī)器人回原位意義，使學(xué)生明確本堂課的學(xué)習(xí)目的和內(nèi)容。

圖2 模擬停機(jī)情境

3.1.2 活動二：基礎(chǔ)任務(wù)—工業(yè)機(jī)器人從特定點(diǎn)位回到原點(diǎn)位置

基礎(chǔ)任務(wù)環(huán)節(jié)，先讓學(xué)生自主觀察與討論當(dāng)前停機(jī)位置的特點(diǎn)，部分同學(xué)根據(jù)觀察得出的回原位基本思路，與其他同學(xué)交流借鑒。然后各組同學(xué)根據(jù)任務(wù)書提供的參考程序，進(jìn)一步規(guī)范機(jī)器人動作流程，制定初始方案。填寫表1所示表格。

表1 初始方案制定

學(xué)生設(shè)計好初始方案之后，教師逐一確認(rèn)可行性，確認(rèn)無誤后方可進(jìn)入工位，完成編程調(diào)試。

根據(jù)基礎(chǔ)任務(wù)完成情況，請同學(xué)上臺分享設(shè)計思路。通過在電子白板上進(jìn)行涂色劃分，標(biāo)記出本組程序的適用區(qū)域，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：當(dāng)機(jī)器人停機(jī)位置不確定時，如何解決回原點(diǎn)程序的通用性問題：分區(qū)處理的改進(jìn)策略是什么？

3.1.3 活動三：進(jìn)階任務(wù)——工業(yè)機(jī)器人從任意點(diǎn)位回到原點(diǎn)位置

根據(jù)基礎(chǔ)任務(wù)中引發(fā)的問題，啟發(fā)學(xué)生對如何判定區(qū)域這一問題產(chǎn)生思考，現(xiàn)場邀請兩位同學(xué)進(jìn)行游戲互動，拿出坐標(biāo)系教具進(jìn)行空間坐標(biāo)參照。通過游戲代入和教具輔助，逐步幫助學(xué)生建立區(qū)域判定的概念，再結(jié)合機(jī)器人位置數(shù)據(jù)讀取指令，引導(dǎo)學(xué)生提取Y軸方向數(shù)值，從而判斷機(jī)器人停機(jī)位置所在區(qū)域。如圖3所示。

圖3 進(jìn)階任務(wù)實施

在充分理解機(jī)器人位置判定的基礎(chǔ)上，各小組進(jìn)行第二輪實操，在基礎(chǔ)任務(wù)上通過增加條件判斷，補(bǔ)全程序。在機(jī)器人操作過程中，再次強(qiáng)調(diào)學(xué)生安全規(guī)范的意識。

完成程序調(diào)試的小組，通過運(yùn)行程序使得機(jī)器人可以從任意點(diǎn)位回到原點(diǎn)，從而驗證程序的通用性。

3.1.4 活動四：總結(jié)評價

在整堂課的實施過程中，通過學(xué)生任務(wù)書反饋、操作過程巡視記錄等方法進(jìn)行過程考核，最終生成如圖4所示柱狀圖表直觀表現(xiàn)，對學(xué)生掌握情況進(jìn)行統(tǒng)計，最后通過總結(jié)歸納，對學(xué)生仍然存在的問題進(jìn)行解答，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行鞏固。

圖4 學(xué)生完成情況統(tǒng)計

3.1.5 活動五：拓展應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人的分區(qū)判定是本次教學(xué)的難點(diǎn)問題，通過本次課程的講解大部分同學(xué)得以掌握，但實際生產(chǎn)崗位的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出教學(xué)設(shè)備。因此，再結(jié)合出工況更為復(fù)雜的電子芯片分揀裝配任務(wù)工作站，讓學(xué)生進(jìn)行區(qū)域劃分，闡述實施步驟，擴(kuò)展學(xué)生對于回原點(diǎn)程序編寫的思路。

3.2 重、難點(diǎn)突破

通過學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)，首先讓學(xué)生深刻體會手機(jī)裝配線工業(yè)機(jī)器人回原位程序的實際意義，采用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法貫穿整個教學(xué)過程，設(shè)置基礎(chǔ)任務(wù)使得學(xué)生有回原位程序的概念，再通過游戲活動和輔助教具讓學(xué)生更進(jìn)一步了解回原位通用性問題，啟發(fā)學(xué)生思考機(jī)器人回原位程序中的分區(qū)如何判定。通過兩個任務(wù)的練習(xí)讓學(xué)生逐步理解并掌握應(yīng)用位置數(shù)據(jù)讀取指令，完成機(jī)器人任意位置回原位程序的編寫，突破了本節(jié)課的難點(diǎn)，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

3.3 教學(xué)過程中出現(xiàn)的主要問題及解決策略

基礎(chǔ)任務(wù)實操編程中，有一組同學(xué)在完成編程運(yùn)行之后，機(jī)器人最終回到的工作原點(diǎn)位置稍出現(xiàn)偏差，在檢查程序過程中發(fā)現(xiàn)存在運(yùn)動指令參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)膯栴}，同學(xué)忽略了轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)的設(shè)定。該小組旁邊的小組同學(xué)也出現(xiàn)同樣問題，在聽到對前面小組的指導(dǎo)之后，自己進(jìn)行了及時改進(jìn)。發(fā)現(xiàn)這一共性問題，我調(diào)出參考程序，集中講解轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)對運(yùn)動路徑的影響，提醒大家將轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)減小到z0或者fine，從而保障回原位程序軌跡的運(yùn)動點(diǎn)位精度。

進(jìn)階任務(wù)編程調(diào)試時，有些同學(xué)雖然知道了區(qū)域判定的關(guān)鍵是要提取當(dāng)前位置數(shù)據(jù)的Y軸方向數(shù)值，但是不清楚Y值具體為多少是區(qū)域劃分的界線。于是在小組工位上，借助設(shè)備實物，引導(dǎo)同學(xué)找到對應(yīng)的關(guān)鍵分界線，并通過機(jī)器人的位置反饋功能得出具體數(shù)值，從而幫助學(xué)生完成程序編寫。

4 教學(xué)效果

引入企業(yè)場景，讓學(xué)生處理生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的突發(fā)事件，培養(yǎng)學(xué)生的靈活應(yīng)變能力。通過分組角色扮演，學(xué)生共同完成任務(wù)，在培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作能力的同時，增加學(xué)生體驗機(jī)器人調(diào)試工程師的職業(yè)氛圍，加深對工作的感性認(rèn)識。

通過兩個工作任務(wù)的設(shè)定，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成工業(yè)機(jī)器人回原位程序的編寫和調(diào)試，學(xué)習(xí)內(nèi)容通過任務(wù)進(jìn)行拆分，從簡到難，從淺到深，階梯方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索和實踐，幫助學(xué)生解決實際問題，學(xué)會了從工程領(lǐng)域的應(yīng)用角度來全面地考慮問題，學(xué)生所編寫的程序更加貼近實際生產(chǎn)要求，符合工學(xué)結(jié)合、做學(xué)一體的職業(yè)教育理念。

5 教學(xué)反思

由于實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量的限制，教學(xué)過程中，學(xué)習(xí)任務(wù)是以小組的形式完成的，每個同學(xué)雖然各有分工，但操作的有效時間仍然有限。因此，在后續(xù)教學(xué)過程中，會進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真軟件的應(yīng)用，在軟件中創(chuàng)建真實的操作環(huán)境，讓每位學(xué)生都有足夠充分的訓(xùn)練時間，虛擬操作與設(shè)備實操同時進(jìn)行，提高學(xué)習(xí)的有效性。