黎文航 陳書錦 劉大雙 楊峰 朱杰?

摘要：隨著焊接機器人產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，越來越多的企業(yè)用焊接機器人替代焊工，對機器人焊接技術(shù)人才產(chǎn)生迫切需求。這就使得高校需要順應(yīng)形勢，開展或加強《機器人焊接技術(shù)》課程，同時還需要改變傳統(tǒng)的教學模式，提高培養(yǎng)質(zhì)量。本文在傳統(tǒng)教學模式基礎(chǔ)上引入離線編程機器人仿真技術(shù)，并重新設(shè)計《機器人焊接技術(shù)》教學體系，將離線編程機器人仿真技術(shù)融入教師仿真演示、學生上機實習、學生機器人實驗和課程設(shè)計中。從而在不大量增加實際機器人的基礎(chǔ)上，使學生操作、使用機器人的時間大大增加，并以任務(wù)驅(qū)動方式促使學生應(yīng)用所學，掌握機器人應(yīng)用技能，最終滿足企業(yè)人才需要。

【中圖分類號】G712

1. 引言

隨著我國人口紅利下降，國家提出工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和“中國制造2025”，越來越多的企業(yè)采用機器人替代工人。焊接機器人在所有工業(yè)機器人應(yīng)用比率高達50%左右，機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，對焊接機器人技術(shù)人才的需求也大大增加，也對高校人才培養(yǎng)提出了更高要求[1]。

受通才教育影響，很多高校焊接專業(yè)并入“材料加工工程”專業(yè)或“機械工程”專業(yè)，對焊接專業(yè)課的課時也大大壓縮[1]。雖然目前許多高校又逐步恢復(fù)焊接專業(yè)或模塊，但很多焊接高校中并未有開展《機器人焊接技術(shù)》課程，這與企業(yè)需求和國家發(fā)展形勢是不相符的。我校在全國高校中較早開展《機器人焊接技術(shù)》課程，但是在教學實踐中，也發(fā)現(xiàn)有必要改變傳統(tǒng)的教學模式，提高教學效果。

焊接機器人技術(shù)是一門理論性、實踐性較強的課程，涉及電工電子、控制、圖像處理、機電一體化、機械設(shè)計、焊接工藝與設(shè)備等多學科知識。以往的機器人焊接技術(shù)教學主要是“課堂講授”加“機器人實驗”的模式。其存在的首要問題是教學與應(yīng)用脫節(jié)，學生沒有足夠的時間接觸、應(yīng)用機器人，所學僅僅是停留在書本知識，難以理論聯(lián)系實際，難以建立機器人解決焊接問題的思維，人才培養(yǎng)質(zhì)量欠佳。

2. 引入離線編程仿真程序

圖 1 仿真焊接機器人工作站系統(tǒng)

機器人離線編程是利用計算機圖形學的成果，建立起機器人及其工作環(huán)境的幾何模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下進行軌跡規(guī)劃。通過對編程結(jié)果進行三維圖形動畫仿真，以檢驗編程的正確性，最后將生成的代碼傳到機器人控制柜，以控制機器人運動，完成給定任務(wù)[3]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，以往需要在計算機工作站或服務(wù)器上運行的機器人離線編程仿真程序已能在一般PC機上運行，這給焊接機器人教學改革帶來了契機。通過在傳統(tǒng)課堂教學基礎(chǔ)上引入仿真技術(shù)，設(shè)計項目，實施交互式教學，可極大提高學生興趣、專注度和主動性、更好地掌握焊接機器人專業(yè)知識，鍛煉學生動手能力，促進高水平人才的培養(yǎng)，并為類似課程的教學積累經(jīng)驗和成果，如圖 1所示。。

ABB機器人的Robot Studio是一款優(yōu)秀的機器人仿真軟件，適用于機器人壽命周期各個階段[4]。它可在實際構(gòu)建機器人系統(tǒng)前進行設(shè)計和試運行，還可利用該軟件確認機器人是否能到達所有編程位置。且ABB機器人仿真程序能直接應(yīng)用于實際系統(tǒng)，具有較好的實用性。故本課程選用其作為仿真工具。

2.1 新型教學體系改革思路

如前所述，大部分高校焊接仍屬于材料加工工程專業(yè)或機械工程專業(yè)，實施寬口徑教學。目前《機器人焊接技術(shù)》主要是選修課程，安排32個學時。

引入機器人離線編程仿真技術(shù)后，需要對課程教學體系做如下修改：

（1）在課堂授課中添加仿真軟件教學環(huán)節(jié)；花2個學時讓學生熟悉軟件的基本功能，其余軟件功能穿插到機器人課堂講授中。

（2）在理論教學中，引入仿真演示，條件滿足甚至可以在計算機房中教學。

（3）針對學生增加計算機實習，構(gòu)建仿真任務(wù)，驅(qū)動學生應(yīng)用所學完成。

（4）在實驗教學中增加離線編程與實際機器人銜接的環(huán)節(jié)，同時增加焊縫跟蹤的實驗。

2.2 教學體系內(nèi)容設(shè)計

對于焊接專業(yè)學生學習焊接機器人來說，主要是應(yīng)用焊接機器人技術(shù)，而不是設(shè)計焊接機器人。故對機器人運動學、機器人動力學等偏理論的課程以理解為主。本教學系統(tǒng)的設(shè)計一方面通過構(gòu)建三維演示動畫，提高學生感官刺激。另外，采用交互式教學和項目驅(qū)動教學方法，設(shè)計學生用計算機實習仿真項目，驅(qū)動學生應(yīng)用所學知識完成任務(wù)。授課內(nèi)容安排如表1所示。

3. 結(jié)論

本文探討了在《機器人焊接技術(shù)》中引入仿真技術(shù)，并對理論教學、上機實習，內(nèi)容安排進行了重新規(guī)劃。在規(guī)劃中，注重項目驅(qū)動，仿真軟件的教學。從而使教學效果得到極大提高。

4. 參考文獻

[1] 宋金虎. 我國焊接機器人的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀. 電焊機，2009，39（4）： 18-21

[2] 史耀武. 我國高等焊接專業(yè)人才培養(yǎng)狀況與培養(yǎng)模式的發(fā)展. 焊接，2002，（12）： 16-18

[3] 劉圣祥， 高洪明， 張廣軍， 等.弧焊機器人離線編程與仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 焊接. 2007，（7）：20-26

[4] 譚定，李亮玉，王天琪. 基于RobotStudio的雙機器人協(xié)調(diào)仿真. 焊接技術(shù)，2011，40（6）：45-48