鄧斌

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?在工業(yè)機器人示教編程實訓教學中，依據(jù)對現(xiàn)場工業(yè)機器人應用企業(yè)及制造集成企業(yè)的充分調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)場專業(yè)崗位能力需求，設立人才培養(yǎng)目標，以現(xiàn)場工作過程為導向，安排設計實訓內(nèi)容，遵循學習認知規(guī)律，設計優(yōu)化了多樣化分層遞進的實訓任務，明確了未來工業(yè)機器人示教編程實訓教學的改進方向，形成一套貼近現(xiàn)場應用實際、符合專業(yè)人才需求、遵循實踐教學規(guī)律的工業(yè)機器人示教編程實訓教學模式。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?高職;工業(yè)機器人示教編程;實訓教學模式

[中圖分類號] ?TP242.2 ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2018）27-0146-02

工業(yè)機器人（Industrial Robots）是一種面向工業(yè)制造領域，模仿人的手臂運動功能，結(jié)合多種專用末端操作器，替代人工勞動，具備自動化、智能化特征，集成了密集的機電控制技術的機器設備。其現(xiàn)場典型應用主要包括工業(yè)機器人搬運、裝配、碼垛、點膠、焊接切割、激光打標、打磨拋光去毛刺、噴涂噴釉噴砂、自動化產(chǎn)品質(zhì)量檢測等。主要應用機型為6軸垂直關節(jié)型和4軸平面關節(jié)型。工業(yè)機器人技術作為智能制造技術浪潮崛起的關鍵，是世界制造大國爭先搶占的第四次工業(yè)革命的制高點?！吨袊圃?025》和《機器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》的出臺，標志著我國對機器人技術發(fā)展做出了頂層規(guī)劃。推進工業(yè)機器人的快速發(fā)展與裝備應用，業(yè)已上升到國家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的層面。工業(yè)機器人技術的推進發(fā)展與廣泛應用，必將重塑整個現(xiàn)代工業(yè)，自然成為當前高職院校自動化類專業(yè)群優(yōu)先重點發(fā)展的專業(yè)領域。

一、依據(jù)專業(yè)崗位能力需求，明確人才培養(yǎng)目標

平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院于2009年開始在機電一體化專業(yè)開設《工業(yè)機器人技術》專業(yè)課程，于2012年與富士康科技集團校企共建工業(yè)機器人技術實訓室，并派遣教師赴合作企業(yè)一線掛職鍛煉，培育專業(yè)師資，設立工業(yè)機器人與自動化技術訂單班，于2015年申報設立工業(yè)機器人技術專業(yè)，并經(jīng)過充分考察與調(diào)研，引進工業(yè)機器人多功能快換系統(tǒng)和工業(yè)機器人柔性自動生產(chǎn)線，建成工業(yè)機器人實訓中心。在此過程中，我們接觸走訪了多家工業(yè)機器人應用企業(yè)及工業(yè)機器人設計制造與系統(tǒng)集成企業(yè)（包括富士康新鄭廠區(qū)和深圳觀瀾廠區(qū)、武漢華中數(shù)控、許昌森源電氣、江蘇匯博機器人等企業(yè)），了解到各類型企業(yè)生產(chǎn)一線對工業(yè)機器人高素質(zhì)技術技能人才的真實客觀需求。其中，廣大機器人制造廠商（制造方）及其集成商（銷售方）主要需求大量生產(chǎn)制造、設計集成、安裝調(diào)試、銷售及技術服務等專業(yè)領域工程師和技術員。同時，廣大制造類企業(yè)作為使用工業(yè)機器人的客戶（購買方），則需要大量操作與維護、編程與調(diào)試、維修與保養(yǎng)等應用工程師。

專業(yè)人才培養(yǎng)應符合行業(yè)對所需人才的培養(yǎng)要求和需求規(guī)模，依據(jù)上述調(diào)研結(jié)果，我們把高職階段工業(yè)機器專業(yè)人才培養(yǎng)主要定位在以下三種培養(yǎng)難度適度但需求規(guī)模大的崗位：（1）工業(yè)機器人的操作與應用;（2）工業(yè)機器人工作站的安裝與調(diào)試;（3）工業(yè)機器人的維修與保養(yǎng)。主要面向應用工業(yè)機器人及其周邊自動化設備進行生產(chǎn)的制造類企業(yè)，培養(yǎng)專門技術人才，從事機器人及其相關機電設備的運行維護、安裝編程調(diào)試和日常管理。因此，我們將工業(yè)機器人示教編程實訓作為人才培養(yǎng)中的基礎核心實踐課程。

二、以工作過程為導向，確定實訓教學內(nèi)容

根據(jù)本人在不同應用企業(yè)參加設備操作培訓和生產(chǎn)現(xiàn)場頂崗實踐所得經(jīng)驗，綜合校內(nèi)工業(yè)機器人技術領域相關理論課程的講授內(nèi)容與開設進度，對照實際工作過程，將工業(yè)機器人示教編程實訓的教學內(nèi)容設計安排如下：

（一）工業(yè)機器人型號分類

工業(yè)機器人主要分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩大類別。其中，串聯(lián)型又可分為6軸垂直關節(jié)型和4軸平面關節(jié)型，此外還有利用連桿機構(gòu)傳動的專用碼垛機器人。并聯(lián)型機器人應用領域相對較狹窄，主要是一種懸掛安裝的高速分揀型機器人。

（二）工業(yè)機器人設備組成

主要包括電控箱、示教器和機器人本體。電控箱和示教器作為控制部分，包含控制硬件和控制軟件兩方面，控制硬件主要由工控機、運動控制卡和伺服驅(qū)動器組成，控制軟件則主要包含了路徑規(guī)劃、坐標轉(zhuǎn)換、程式轉(zhuǎn)譯、VB/VC編程等技術。機器人本體作為運動執(zhí)行部分，主要包括本體結(jié)構(gòu)設計、伺服電機、減速器、軸承、高耐久性配線等核心組成部分。

（三）安全操作規(guī)程與注意事項

（1）工業(yè)機器人設備搬運安裝注意事項及基座安裝固定要求;（2）現(xiàn)場安全防護裝置;（3）用電安全及工作現(xiàn)場的防水防塵防爆要求;（4）開機前檢查事項及規(guī)范操作流程;（5）示教操作避障與危險狀態(tài)下的緊急處置;（6）關機前注意事項及規(guī)范操作流程;（7）定期維護內(nèi)容（主要包括關節(jié)機械零點校正、伺服系統(tǒng)編碼器蓄電池更換、定期暖機潤滑等）。

（四）工業(yè)機器人示教操作

（1）軸坐標示教;（2）直角坐標示教;（3）利用三點示教法自定義坐標參考系。

（五）工業(yè)機器人運動編程

1.編程基礎

（1）直角坐標與軸坐標。（2）工作坐標參考系與工具坐標參考系。（3）插補控制：包括點對點運動、直線運動、圓弧運動等三種基本運動形式，三者共同遵守最短路徑原則，即求出插補運動控制的最優(yōu)解，使得機器人本體各關節(jié)在運動全過程中整體運動幅度最小。（4）目的點位到達確認方式（到達目標點的精度選擇）：包括順滑運動、定點運動、編碼器數(shù)值確認運動三種精度等級，其順序為精度遞增順序。（5）速度設定：分為外部速度設定和內(nèi)部速度設定，其中內(nèi)部速度又可分為全域速度（未設定時，默認為100%）和區(qū)域速度，均以百分比形式給出，將三項速度百分比連乘的結(jié)果作為速度設定的總百分比，再乘以最大速度，得出的便是實際運行速度。

2.基本運動指令

以FoxBot工業(yè)機器人為例，主要包括Move、Draw、Drive、DriveA等四條運動指令。

（六）工業(yè)機器人輔助功能指令與程序結(jié)構(gòu)

主要包括有限次循環(huán)、帶條件判斷的循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、條件控制、變量的聲明定義、IO通訊、計時、延時、顯示、循環(huán)嵌套、分支嵌套、算術運算、邏輯運算等。

三、遵循學習認知規(guī)律，設計多樣化分層遞進的實訓任務

實訓教學，我們一直以來堅持理實一體化的教學理念，發(fā)揮學生在實踐教學中的主觀能動性，教中做，做中學，學中做，采用五步教學法，即明確任務、示范講解、學生實施、學生自檢、教師總結(jié)，充分體現(xiàn)學生為學習主體，也收到了較好的教學效果，基本達到了實踐能力的培養(yǎng)目標。但具體到工業(yè)機器人示教編程的實訓教學實施，因為工業(yè)機器人系統(tǒng)的技術綜合性與復雜性，以及本身工業(yè)機器人設備操作中伴隨極高的危險性，操作中稍有疏忽就可能造成機器人本體碰撞損傷，甚至造成人身體傷害事故，所以造成很多學生在實訓操作練習中，主觀畏難情緒濃重，急于應付完成任務了事，造成基礎操作練習不扎實，為后續(xù)實訓任務的開展埋下隱患，或另一種情況下，學生主觀學習興趣濃厚，急于上手操作，卻未充分認識到操作風險，更未全面掌握操作技巧便急于操作，帶來較大的操作風險。

針對以上出現(xiàn)的不良情況，我們重新分析梳理了工業(yè)機器人示教編程的全部實訓操作項目，明確了工業(yè)機器人示教訓練環(huán)節(jié)是獲得操作技巧、降低操作風險的關鍵，并針對示教操作學習內(nèi)容，重新設計了由易到難、分層遞進的既簡單又靈活多樣的機器人示教操作任務。

工業(yè)機器人示教操作環(huán)節(jié)實訓任務設計如下：

（一）軸坐標系下示教的基礎自由練習

主要熟悉機器人本體各軸的分布位置、運動形式、運動方向、運動范圍，明確工業(yè)機器人本體運動中可能出現(xiàn)的幾種危險姿態(tài)。在實際應用設備示教操作時，避免運行到危險姿態(tài)附近，選擇安全合理的關節(jié)運動路徑，從而避免碰撞風險的發(fā)生。

（二）直角坐標下示教的規(guī)定圖形練習

1.沿本體坐標系x軸、y軸，在x-y平面內(nèi)，完成邊長為100mm的正方形軌跡示教，主要訓練運動方向的判別，坐標變化的計算與監(jiān)視執(zhí)行，以及使用“固定距離”的運動模式簡便快捷完成規(guī)定尺寸圖形的示教。

2.沿本體坐標系x軸、y軸，在x-y平面內(nèi)，完成邊長為100mm的等邊三角形軌跡示教，主要訓練利用幾何方法，依據(jù)運動分解的思路，將任意方向運動分解設計為沿坐標軸方向運動的示教操作步驟，明確示教操作僅為確定關鍵點位的核心目的，區(qū)別于規(guī)定圖形的編程運動軌跡。

3.沿本體坐標系的x軸、y軸、z軸，在x-y-z三維空間內(nèi)，完成棱長為100mm的正方體軌跡示教。本任務主要是把剛才的二維示教訓練成果及經(jīng)驗推廣到更貼近真實應用問題的三維空間應用，著力強化空間想象能力和復雜路徑的規(guī)劃設計與示教執(zhí)行能力，為在實際工業(yè)機器人應用系統(tǒng)中，設計合理安全、簡便易行、平穩(wěn)流暢的運動軌跡提供實踐經(jīng)驗積累。另外，本任務的正方體運動軌跡沒有唯一性，學生可設計出多種示教執(zhí)行方案，具有較強的開發(fā)性與靈活性，大家執(zhí)行展示過自己的示教運動方案后，可以展開分析與討論，比較各種方案的優(yōu)缺點，依據(jù)安全合理、簡便易行、平穩(wěn)流程的軌跡設計原則，不斷淘汰有問題的方案，優(yōu)中選優(yōu)，優(yōu)化示教運動方案。

（三）自定義坐標系

通過三點示教法，可完成任意運動方向和任意工作平面上的直角坐標系示教，主要包括工作坐標參考系（Work Frame，簡記為WF）和工具坐標參考系（Tool Frame，簡記為TF）兩種基本類型，其中，工具坐標參考系是建立在機器人本體末端中心點或工具中心點（TCP）的動態(tài)坐標系。自定義坐標系方法的引入，為現(xiàn)場工業(yè)機器人設備的安裝調(diào)試維護提供很大便利，比如工業(yè)機器人應用系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝后，設備實際安裝位置與設計的理論值難免存在較大偏差，此時只用對自定義坐標系重新做三點示教即可，避免了對大規(guī)模運動點位重新示教。

四、教學模式改進方向

雖然目前我們的實訓課程的開展在依據(jù)專業(yè)崗位能力需求、明確人才培養(yǎng)目標的基礎上，以工作過程為導向，確定了實訓教學內(nèi)容，并進一步遵循學習認知規(guī)律，設計優(yōu)化了多樣化分層遞進的實訓任務，但工業(yè)機器人技術作為一門新興的專業(yè)綜合性較強的學科，現(xiàn)場應用推廣迅速，新的應用方式和工藝方法不斷涌現(xiàn)，需要我們不斷走進現(xiàn)場應用一線，產(chǎn)教融合，校企合作，把現(xiàn)場對專業(yè)人才的新要求和現(xiàn)場應用的新技術、新工藝帶回我們的課堂，指引實訓教學不斷改進。

參考文獻：

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