互聯(lián)網(wǎng)+時代下混合式教學(xué)模式在工業(yè)機(jī)器人軌跡繪制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的應(yīng)用與實(shí)踐*

蔣莉 李清江 徐麗春

遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程系 貴州遵義 563000

0 引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”“工業(yè)4.0”和《中國制造2025》背景下，我國智能制造產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的時期，中國作為“世界工場”正在快速進(jìn)行技術(shù)升級，從制造大國走向“智”造強(qiáng)國[1-2]。而工業(yè)機(jī)器人作為《中國制造2025》的第二個重點(diǎn)領(lǐng)域，扮演著重要角色，得到了迅速的發(fā)展，各行業(yè)“機(jī)器人換人”的步伐將進(jìn)一步加快，特別是傳統(tǒng)手工業(yè)在改革發(fā)展中對機(jī)器人的重復(fù)運(yùn)動精度提出了更高的要求，機(jī)器人在異形表面的打磨、去毛刺、圖形的切割、噴漆和裝配等多項(xiàng)連續(xù)作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，無論是何種應(yīng)用，多軸聯(lián)動機(jī)器人的連續(xù)軌跡規(guī)劃以及控制一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。

2016 年，習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)，“要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面”。同時強(qiáng)調(diào)“要用好課堂教學(xué)這個主渠道，思想政治理論課要堅(jiān)持在改進(jìn)中加強(qiáng)，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)”[4]。為深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于思想政治教育的重要論述，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于深化新時代學(xué)校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見》（簡稱《意見》）。《意見》指出：“大學(xué)階段重在增強(qiáng)使命擔(dān)當(dāng)，引導(dǎo)學(xué)生矢志不渝聽黨話跟黨走，爭做社會主義合格建設(shè)者和可靠接班人?！盵5]工科類課程進(jìn)行課程思政，對專業(yè)學(xué)科教師而言存在一定的難度[6-8]。

本文以FANUC 公司的六軸工業(yè)機(jī)器人為研究對象， 以黨旗圖案為表現(xiàn)手段，詳細(xì)描述了“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下，混合式教學(xué)模式在工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試課程教學(xué)實(shí)施過程中的具體應(yīng)用。在混合式教學(xué)模式中，讓學(xué)生通過動手實(shí)踐，將現(xiàn)場示教編程與離線自動編程進(jìn)行對比，反思不同編程方法的優(yōu)缺點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，并在實(shí)踐中引入課程思政，潛移默化地對學(xué)生進(jìn)行思想政治引導(dǎo)，厚植學(xué)生工匠精神、愛國主義精神等，實(shí)現(xiàn)課程思政與專業(yè)知識協(xié)同育人[9-10]。

1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目描述

以黨旗圖案為例，按黨旗圖案中的軌跡（周邊的長方形及金黃色黨徽圖案）進(jìn)行現(xiàn)場編程和離線編程。

2 主要實(shí)訓(xùn)設(shè)備

主要實(shí)訓(xùn)設(shè)備包括：1）安裝有ROBOGUIDE 軟件的計(jì)算機(jī)10 臺；2）工作站主體模型；3）筆形工具，實(shí)現(xiàn)軌跡的繪制工作；4）黨旗圖案模型；5）帶有FANUC LR Mate 200iD/4S 小型機(jī)器人的真實(shí)軌跡繪制基礎(chǔ)工作站4 套。

3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施流程

為了充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和利用實(shí)訓(xùn)設(shè)備，在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施之前，將根據(jù)上課班級人數(shù)進(jìn)行分組，同時對實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行分配，設(shè)計(jì)出工業(yè)機(jī)器人軌跡繪制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施流程，如圖1 所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人軌跡繪制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施流程

4 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目目標(biāo)

4.1.1 知識目標(biāo)

1）通過對實(shí)訓(xùn)任務(wù)的練習(xí)，加深對機(jī)器人動作指令的理解；

2）掌握機(jī)器人工程文件及軌跡離線仿真工作站的創(chuàng)建方法；

3）通過“CAD-To-Path”（模型—程序）轉(zhuǎn)換功能掌握軌跡曲線與路徑的創(chuàng)建方法。

4.1.2 技能目標(biāo)

1）掌握建立TP 程序的方法，能夠?qū)Τ绦蛑械闹噶钸M(jìn)行創(chuàng)建、復(fù)制、刪除等操作；

2）能夠創(chuàng)建離線編程仿真工作站；

3）學(xué)會使用動作指令（關(guān)節(jié)、直線、圓?。┛刂茩C(jī)器人運(yùn)動；

4）能夠修正離線程序并導(dǎo)出運(yùn)行。

4.1.3 素質(zhì)目標(biāo)

1）培養(yǎng)獨(dú)立思考分析、決策的能力；

2）讓學(xué)生接受愛國主義教育（黨旗象征意義）；

3）在尋找示教點(diǎn)的操作過程中不斷追求精益求精的工匠精神。

4.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施

工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試課程實(shí)踐操作性較強(qiáng)，在實(shí)際開展過程中不同的學(xué)生可能會出現(xiàn)不同的問題，如果只依靠課堂上短短的幾十分鐘，很可能造成進(jìn)度滯后、教學(xué)任務(wù)無法完成、學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很吃力等問題。混合式教學(xué)模式的應(yīng)用可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)時長，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，進(jìn)而使其高效地完成教學(xué)任務(wù)。因此，本項(xiàng)目依托“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下應(yīng)用混合式教學(xué)模式來實(shí)施。這里筆者所采用的混合式教學(xué)模式是將基于學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)平臺的線上課前準(zhǔn)備教學(xué)、傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)、學(xué)生完成理論知識的學(xué)習(xí)后的分組實(shí)踐教學(xué)及課后拓展訓(xùn)練等全方位有效結(jié)合而成的一種新型教學(xué)模式，該模式能有效整合利用各類教學(xué)資源和實(shí)訓(xùn)設(shè)備，有利于實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)目標(biāo)、提高教學(xué)質(zhì)量，充分發(fā)揮“以學(xué)生為主體，以教師為引導(dǎo)”課程改革的作用。

教師線上課前的教學(xué)準(zhǔn)備：學(xué)生線上課前預(yù)習(xí)并自主學(xué)習(xí)，線上教師與學(xué)生的互動交流。

線下的課堂教學(xué)：教師依據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況，及時了解學(xué)生在學(xué)習(xí)通平臺上相關(guān)任務(wù)的完成情況，歸納并總結(jié)學(xué)生在本次實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中普遍存在的問題，安排線下教學(xué)課堂的重難點(diǎn)內(nèi)容并在課堂上給學(xué)生做講解及示范性操作，同時與學(xué)生進(jìn)行面對面的互動交流學(xué)習(xí)。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施：分成現(xiàn)場示教編程和離線仿真編程兩個類別，每個類別里面又將按學(xué)生人數(shù)分成不同的組別。

4.2.1 現(xiàn)場示教編程實(shí)訓(xùn)實(shí)施

1）開機(jī)操作。打開電源開關(guān)，將機(jī)器人控制柜置于“T1”模式下，示教器開關(guān)置于“ON”狀態(tài)；手動操作將筆形工具安裝在機(jī)器人的快換接頭上。

2）創(chuàng)建程序步驟。

STEP1 按下示教器上的【SELECT】（程序選擇）鍵，顯示程序目錄畫面。

STEP2 按下【F2】（創(chuàng)建），出現(xiàn)創(chuàng)建程序畫面。通過【↑】【↓】鍵選擇程序名稱的輸入方法，并輸入程序名稱。

STEP3 按下【編輯】或者【ENTER】（回車）鍵，可以進(jìn)入程序編輯頁面。

3）編輯程序。

STEP1 添加指令：當(dāng)機(jī)器人TCP 點(diǎn)處于某個位置和姿態(tài)時，按下【點(diǎn)】，選擇想要的動作指令，機(jī)器人當(dāng)前的位置會被記錄下來。

STEP2 更新位置：如果某條指令中記錄點(diǎn)的位置不符合要求，需要更新，只需要將機(jī)器人調(diào)整到新的位置，移動光標(biāo)到指令行號碼上，按下【SHIFT】+【TOUCHUP】即可更新位置信息。

STEP3 修改指令數(shù)據(jù)：當(dāng)光標(biāo)位于指令中的某個部分中時，下方的功能鍵則出現(xiàn)相應(yīng)的功能，用【選擇】配合數(shù)字鍵來修改指令數(shù)據(jù)。

STEP4 指令編輯功能：當(dāng)光標(biāo)移動到指令行號碼上，按下【NEXT】鍵，切換屏幕下方功能。選擇【編輯】，可以對指令進(jìn)行插入、刪除、剪切、復(fù)制等操作。

4）示教軌跡。機(jī)器人在執(zhí)行有效軌跡之前需要有一個點(diǎn)作為準(zhǔn)備點(diǎn)或者安全點(diǎn)，所以一般為P[1]點(diǎn)，依次示教其余軌跡點(diǎn)并將程序填寫完整。

5）示例參考程序及部分程序注釋如表1 所示。

表1 工業(yè)機(jī)器人軌跡繪制示教編程參考程序

6）手動執(zhí)行：將光標(biāo)移動到第一行指令，按住【SHIFT】鍵，再按下【FWD】鍵，順序運(yùn)行程序。

4.2.2 離線仿真編程實(shí)訓(xùn)實(shí)施

1）構(gòu)建仿真工作站。創(chuàng)建機(jī)器人工程文件→將工作站基座以Fixture 的形式導(dǎo)入→導(dǎo)入筆形工具作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器→將黨旗圖案模型以Part 的形式導(dǎo)入→設(shè)定新的用戶坐標(biāo)系。

2）軌跡分析。按黨旗圖案模型的形態(tài)，形成2 個完整的封閉輪廓，這就意味著有2 部分完整封閉軌跡。其中黨旗圖案的外圍長方形為一部分，黨徽圖案為另一部分。因此，進(jìn)行編程時，一個封閉軌跡對應(yīng)著一個程序，分別對其進(jìn)行編程，最后應(yīng)用主程序調(diào)用子程序編程方法完成軌跡繪制圖案。

3）生成軌跡程序具體步驟。

STEP1 打開軌跡繪制功能窗口：在“Cell Browser”導(dǎo)航目錄窗口中相對應(yīng)的“Part”下找到“Features”，鼠標(biāo)右鍵單擊選擇“Draw Features”，彈出“CAD-To-Path”窗口。

STEP2 激活畫線功能：鼠標(biāo)左鍵單擊“工件”，激活畫線的功能，激活之后的工件高亮顯示。

STEP3 黨旗外輪廓起點(diǎn)捕捉：首先，繪制黨旗外輪廓部分的路徑，鼠標(biāo)左鍵單擊【Closed Loop】（捕捉閉合輪廓線）按鈕，將光標(biāo)移動到模型上，模型的局部邊緣高亮顯示，圖中較長的豎直線是鼠標(biāo)捕捉的位置。其次，移動鼠標(biāo)改變軌跡位置，調(diào)整到合適位置，單擊鼠標(biāo)左鍵確定路徑的起點(diǎn)，將光標(biāo)放在繪圖平面上預(yù)覽完整軌跡路徑。最后，雙擊鼠標(biāo)左鍵，確定生成軌跡路徑，模型的輪廓以較細(xì)的高亮黃線顯示，并產(chǎn)生路徑的行走方向。

4）程序設(shè)置具體步驟。

STEP1 在彈出的特征軌跡設(shè)置窗口中選擇“General”（常規(guī)）選項(xiàng)卡，將程序命名為“chang01”，選擇工具坐標(biāo)系1 和用戶坐標(biāo)系1，單擊“Apply”按鈕完成設(shè)置。

STEP2 切換到“Prog Settings”（程序設(shè)置）選項(xiàng)卡，設(shè)置動作指令的運(yùn)行速度和定位類型，單擊“Apply”按鈕完成設(shè)置。

STEP3 切換到【POS Defaults】（示教位置默認(rèn)）選項(xiàng)卡下進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)位置和姿態(tài)的設(shè)置。

STEP4 切換到“Approch/Retreat”（接近點(diǎn)/逃離點(diǎn)）選項(xiàng)卡下進(jìn)行接近點(diǎn)和逃離點(diǎn)的設(shè)置。勾選增加接近點(diǎn)和逃離點(diǎn)選項(xiàng)，設(shè)置動作指令的動作類型全部為直線，速度設(shè)置為2 000 定位類型不變，設(shè)置點(diǎn)的位置為-100。

STEP5 返回到“General”（常規(guī)）選項(xiàng)卡，單擊“General Feature TP Program”生成機(jī)器人程序。

STEP6 單擊工具欄中的【CYCLE START】按鈕或者用虛擬TP 試運(yùn)行“CHANG01”程序。

STEP7 用同樣的方法創(chuàng)建黨徽圖案的軌跡程序“DANGHUI01”。

5）創(chuàng)建主程序。在虛擬示教器中創(chuàng)建一個主程序“PNS0001”，用程序調(diào)用指令將子程序整合，形成一個完整的程序。

6）測試運(yùn)行程序。單擊工具欄中的啟動運(yùn)行按鈕，測試運(yùn)行仿真程序。

7）修正程序并導(dǎo)出到真實(shí)工作站調(diào)試運(yùn)行。運(yùn)行PNS0001 主程序，真實(shí)工作站進(jìn)行軌跡繪制，運(yùn)行結(jié)果顯示出黨旗的大小及樣式與離線仿真工作站中的模型輪廓基本一致。

4.3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目評分標(biāo)準(zhǔn)

通過實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施，設(shè)計(jì)出工業(yè)機(jī)器人軌跡繪制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目評分標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示。

表2 工業(yè)機(jī)器人軌跡繪制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目評分標(biāo)準(zhǔn)

4.4 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目課程思政的設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試課程中蘊(yùn)含著豐富的思政元素，可以激發(fā)學(xué)生愛黨愛國、勇挑時代重任、恪守職業(yè)道德、樹立高尚品德，這就需要專業(yè)課教師結(jié)合課程內(nèi)容對思政資源進(jìn)行挖掘、闡釋。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施過程中的課程思政設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 課程內(nèi)容與課程思政深度融合教學(xué)設(shè)計(jì)表

4.5 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目總結(jié)

現(xiàn)場示教編程實(shí)訓(xùn)實(shí)施過程中，動作指令選擇是否正確決定運(yùn)動軌跡的繪制形狀；離線仿真編程實(shí)訓(xùn)實(shí)施過程中，仿真工作站創(chuàng)建、程序設(shè)置、程序修正及導(dǎo)出運(yùn)行等步驟參數(shù)設(shè)置非常重要，否則將無法完成對應(yīng)軌跡的繪制功能。

5 結(jié)束語

通過工業(yè)機(jī)器人軌跡繪制實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，介紹了項(xiàng)目的設(shè)備、工作流程、給出了項(xiàng)目目標(biāo)、實(shí)施步驟和評分標(biāo)準(zhǔn)，并對項(xiàng)目進(jìn)行了總結(jié)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，采用混合式教學(xué)模式不僅能使學(xué)生掌握現(xiàn)場程序的創(chuàng)建、程序的編輯、精確示教軌跡點(diǎn)和手動運(yùn)行程序等理論知識，還能使學(xué)生掌握離線仿真工作站創(chuàng)建、軌跡分析和程序設(shè)置及修正等實(shí)踐技能，增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，并在實(shí)踐中融入課程思政，潛移默化地對學(xué)生進(jìn)行思想政治引導(dǎo)，厚植學(xué)生工匠精神、愛國主義精神等，實(shí)現(xiàn)課程思政與專業(yè)知識協(xié)同育人。最后通過現(xiàn)場示教和離線編程兩種不同實(shí)施流程對比，突顯離線仿真編程相比于在線示教編程編寫復(fù)雜軌跡線的優(yōu)勢，極大地縮短了繪圖或?qū)懽謾C(jī)器人的工作時間，提高了機(jī)器人的使用效率。