喬 佳，高黨尋，姚啟明，王龍兵

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京100084）

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)勞動(dòng)力成本的逐漸提升，以廉價(jià)勞動(dòng)力為支撐的“中國(guó)制造”經(jīng)濟(jì)模式難以為繼，越來(lái)越多的加工制造企業(yè)關(guān)注以焊接機(jī)器人為代表的焊接自動(dòng)化技術(shù)[1]。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止2020年，工業(yè)機(jī)器人將達(dá)到26.8萬(wàn)臺(tái)，約30%的工業(yè)機(jī)器人會(huì)被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域[2]。焊接作為工業(yè)中的“鋼鐵裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，焊接質(zhì)量好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起決定性作用，同時(shí)由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接工作環(huán)境非常惡劣。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化、柔性化與智能化成為必然趨勢(shì)，采用機(jī)器人焊接成為焊接技術(shù)自動(dòng)化的主要標(biāo)志[3]。

機(jī)器人焊接技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的應(yīng)用實(shí)踐，已具有一定規(guī)模，但與我國(guó)焊接生產(chǎn)總體需求相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心材料成型實(shí)驗(yàn)室KUKA弧焊機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)而言，僅僅讓學(xué)生掌握弧焊機(jī)器人基本操作與編程遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，探究式學(xué)習(xí)尤為重要。因此，在此基礎(chǔ)上加入基本焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，不僅使學(xué)生了解KUKA弧焊機(jī)器人的組成和功能，以及基本操作與編程，還可以讓學(xué)生通過(guò)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)來(lái)了解其對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響，進(jìn)而更全面、更深刻地認(rèn)識(shí)機(jī)器人弧焊。

1 教學(xué)方案與實(shí)踐內(nèi)容

1.1 KUKA弧焊機(jī)器人實(shí)踐資源與設(shè)備

弧焊機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室自2015年開(kāi)建，目前占地面積近百平方米，設(shè)備資產(chǎn)300余萬(wàn)元，實(shí)訓(xùn)室場(chǎng)地規(guī)劃如圖1所示。該弧焊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室有3個(gè)弧焊機(jī)器人工作站，如圖2所示，并設(shè)有大噸位單、雙軸變位機(jī)，柔性工作平臺(tái)等輔助機(jī)器人完成復(fù)雜焊接工藝?；『阜椒ㄉ婕癈O2焊、MIG/MAG焊。

圖1 弧焊機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室場(chǎng)地規(guī)劃

1.1.1 工作站組成及系統(tǒng)功能[4]

（1）單機(jī)器人弧焊工作站配備1臺(tái)KUKA-KR5 ARC機(jī)器人；1臺(tái)KEMPPI-KP 350惰性氣體保護(hù)焊電源（帶送絲機(jī)、防撞焊槍?zhuān)?，可以焊接鋁合金；1個(gè)工作臺(tái)（配平焊對(duì)接焊接卡具）；1臺(tái)KUKA DKP-400雙軸焊接變位機(jī)。

圖2 弧焊機(jī)器人工作站

（2）雙機(jī)器人弧焊工作站配備2臺(tái)KUKA-KR5 ARC機(jī)器人；2臺(tái)KEMPPI-KS 300二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊電源（帶送絲機(jī)、防撞焊槍?zhuān)?個(gè)工作臺(tái)（分別配裝平焊和角焊焊接卡具）；1臺(tái)KUKA單軸焊接變位機(jī)。

（3）多機(jī)器人弧焊工作站配備3臺(tái)KUKA-KR5 ARC機(jī)器人；2臺(tái)KEMPPI-KS 300二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊電源（帶送絲機(jī)、防撞焊槍?zhuān)?個(gè)工作臺(tái)（配裝平焊和角焊焊接卡具）；其中1臺(tái)機(jī)器人配備氣抓并且?guī)У剀墸蓪?shí)現(xiàn)移動(dòng)抓取。3臺(tái)機(jī)器人通過(guò)PLC控制，協(xié)作完成管板焊接。

1.1.2 弧焊機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室設(shè)備配套

（1）平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效分析焊接過(guò)程中的熔池形狀。較為先進(jìn)的激光焊縫跟蹤技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)焊接，具有智能焊接過(guò)程的重要特征。

（2）對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)發(fā)了弧焊功能軟件，實(shí)現(xiàn)在激光視覺(jué)傳感焊縫跟蹤下的中厚板多層多道焊接。保證教學(xué)安全，建設(shè)多種安全防護(hù)系統(tǒng)、機(jī)器人防碰撞裝置。

1.2 KUKA弧焊機(jī)器人實(shí)踐具體內(nèi)容

1.2.1 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與目的

實(shí)踐環(huán)節(jié)分為4個(gè)階段。第一階段為基本理論講解，主要目的是使學(xué)生了解KUKA弧焊機(jī)器人基本概念、發(fā)展現(xiàn)狀、特點(diǎn)及應(yīng)用；第二階段為基礎(chǔ)編程操作講述，目的是使學(xué)生掌握KUKA弧焊機(jī)器人示教在線編程，具備完成機(jī)器人焊接任務(wù)的技能，以及安全意識(shí)的培養(yǎng)；第三階段為分組進(jìn)行信息收集、工藝探索、實(shí)驗(yàn)操作，以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”模式完成焊接，最終得出不同材料、不同板厚、不同接頭形式的較為合理的焊接工藝參數(shù)，是實(shí)踐環(huán)節(jié)的最重要階段，主要目的是使學(xué)生在操作過(guò)程中體會(huì)焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響；第四階段為總結(jié)討論，針對(duì)實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定，目的是使不具備熟練焊接實(shí)操能力的本科生通過(guò)弧焊機(jī)器人更深刻地認(rèn)識(shí)焊接工藝參數(shù)，加強(qiáng)學(xué)生探索精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、工程意識(shí)的培養(yǎng)。

1.2.2 教學(xué)模塊及時(shí)間占比

探究式學(xué)習(xí)課程模塊分為：KUKA弧焊機(jī)器人基本概念、示教在線編程學(xué)習(xí)、基本操作技能訓(xùn)練、焊接工藝參數(shù)探索、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及工程意識(shí)鍛煉。課程時(shí)間占比如圖3所示，課程內(nèi)容流程如圖4所示[3]。

圖3 時(shí)間占比

圖4 課程內(nèi)容流程

1.2.3 分組操作環(huán)節(jié)具體實(shí)施

實(shí)踐中最為重要的環(huán)節(jié)是模塊三——分組操作，目的是使學(xué)生更直觀地了解焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響，具體實(shí)施如下。

（1）布置任務(wù)。

將學(xué)生分為4組，低碳鋼變焊接電流組、變電弧電壓組、變焊接速度組以及鋁合金變板厚組，分別完成不同板厚、不同接頭形式的焊接。

（2）分組討論、資料收集。

提供相關(guān)焊接工藝參數(shù)表，學(xué)生篩選、收集資料，并根據(jù)資料討論焊接工藝參數(shù)范圍。

（3）實(shí)驗(yàn)操作、工藝探索。

各組根據(jù)得到的參數(shù)范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，找到較為合理的焊接工藝參數(shù)，如電流、電壓、焊接速度等。

（4）填寫(xiě)實(shí)習(xí)任務(wù)書(shū)。

將得到的參數(shù)填入表內(nèi)，進(jìn)行不同接頭形式、厚度、材料之間的對(duì)比。任務(wù)書(shū)如圖5所示。

圖5 任務(wù)書(shū)

2 探究式學(xué)習(xí)過(guò)程

在探究式學(xué)習(xí)中，學(xué)生自主探究過(guò)程也是其積累知識(shí)、掌握科學(xué)研究方法和提高能力的過(guò)程。為此，在弧焊機(jī)器人實(shí)習(xí)過(guò)程中應(yīng)特別重視探究過(guò)程各個(gè)實(shí)施細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，更有效地提高課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量[5]。

（1）提出探究問(wèn)題。

在弧焊機(jī)器人實(shí)習(xí)過(guò)程中提出“焊縫成形質(zhì)量與焊接工藝參數(shù)有怎么樣的關(guān)系”這一問(wèn)題，原因在于學(xué)生在手工焊接實(shí)習(xí)過(guò)程中由于缺乏熟練的焊接操作技術(shù)并且實(shí)習(xí)時(shí)間較短，無(wú)法深刻地認(rèn)識(shí)到焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響，在此利用弧焊機(jī)器人對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探究。先使同學(xué)們認(rèn)識(shí)焊縫成形（熔寬、熔深、余高），以及MIG/MAG焊焊接工藝參數(shù)（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、送絲速度、焊接位置、熱輸入等）。然后讓學(xué)生們進(jìn)行假設(shè)和猜想，據(jù)此形成具體的實(shí)驗(yàn)方案。對(duì)于非焊接專(zhuān)業(yè)的本科生，只進(jìn)行焊接電流、電弧電壓、焊接速度對(duì)焊縫成形質(zhì)量影響的探究。

（2）培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)技能。

為保證后續(xù)探究活動(dòng)的順利進(jìn)行，指導(dǎo)老師在探究活動(dòng)開(kāi)展前集中講解弧焊機(jī)器人的一些基本知識(shí)以及焊接指令的示教在線編程。為了培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，將學(xué)生分成小組進(jìn)行操作練習(xí)，在短時(shí)間內(nèi)掌握基本示教在線編程。

（3）生成實(shí)驗(yàn)方案。

為生成實(shí)驗(yàn)方案展開(kāi)各抒己見(jiàn)、集思廣益的討論，不僅有益于順利生成具有可行性的實(shí)驗(yàn)方案，而且有助于學(xué)生在相互啟迪中形成正確認(rèn)識(shí)[5]。在討論“焊縫成形質(zhì)量與焊接工藝參數(shù)有怎么樣的關(guān)系”問(wèn)題時(shí)，學(xué)生們提出采用“定多變一”的方法進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。將學(xué)生分為4組，分別為4 mm低碳鋼變焊接電流組、變電弧電壓組、變焊接速度組以及鋁合金變板厚組（都為平焊對(duì)接），然后進(jìn)行編程焊接，最后記錄匯總數(shù)據(jù)。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論。

根據(jù)記錄匯總進(jìn)行討論與總結(jié)，最終得出：電流越大、熔深越大，電弧電壓越大、熔寬越寬，焊接速度越快、余高越高，這些變化都發(fā)生在一定范圍內(nèi)。在實(shí)際生產(chǎn)焊接時(shí)應(yīng)綜合這些變量，通過(guò)一系列合理的焊接工藝參數(shù)設(shè)置才能得到符合要求的焊縫。為使學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，有了下一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化環(huán)節(jié)。

（5）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在實(shí)習(xí)過(guò)程中不僅要通過(guò)“定多變一”的方法完成“焊縫成形質(zhì)量與焊接工藝參數(shù)有怎么樣的關(guān)系”這一問(wèn)題的探究，還要使學(xué)生對(duì)不同材料、不同焊接接頭形式有一定的認(rèn)識(shí)。因此，讓學(xué)生利用上一環(huán)節(jié)的探究結(jié)果繼續(xù)探索3 mm、5 mm低碳鋼平焊對(duì)接，以及4 mm低碳鋼、4 mm鋁合金角接形式的較為合理的焊接工藝參數(shù)，較為全面地認(rèn)識(shí)焊接。

（6）指導(dǎo)老師積極引導(dǎo)、適時(shí)點(diǎn)撥。

在整個(gè)探究過(guò)程中，學(xué)生是知識(shí)建構(gòu)的主人。因此，指導(dǎo)老師要特別注重學(xué)生主體作用的發(fā)揮，尤其注意留給學(xué)生足夠的思考和討論時(shí)間，不要過(guò)早、過(guò)多地加以干預(yù)。對(duì)于探究過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)以及出現(xiàn)的一些問(wèn)題，指導(dǎo)老師要善于與學(xué)生一起交流和探討，并在必要時(shí)畫(huà)龍點(diǎn)睛地進(jìn)行一些點(diǎn)撥引導(dǎo)、概念提升和知識(shí)深化，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)探究的順利進(jìn)行和深入開(kāi)展[5]。

3 探究式學(xué)習(xí)的意義與效果

隨著對(duì)焊接質(zhì)量、效率要求的提高，焊接機(jī)器人系統(tǒng)由于能夠提高焊接生產(chǎn)效率、降低人力成本、獲得更優(yōu)的焊縫質(zhì)量，逐步開(kāi)始代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工焊接技術(shù)，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

將科學(xué)探究引入到實(shí)踐教學(xué)中，其目的是希望學(xué)生能獨(dú)立地通過(guò)探究活動(dòng)來(lái)獲得知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)其科學(xué)態(tài)度，而不是由教師安排好一切，讓學(xué)生順著一定的途徑“走”下去或?qū)W(xué)生徑直引向答案。換言之，探究的出發(fā)點(diǎn)在于學(xué)生方面，教只是為了服務(wù)，而不是學(xué)服從教。教學(xué)中的探究強(qiáng)調(diào)的是在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生提出問(wèn)題、收集資料和解決問(wèn)題[6]。

在焊接實(shí)踐環(huán)節(jié)中，沒(méi)有焊接實(shí)操技能的本科學(xué)生要真正理解焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響具有一定難度，而借助弧焊機(jī)器人能夠很好地避免人為客觀因素對(duì)焊接過(guò)程的影響，再利用探究式學(xué)習(xí)可以更深刻地認(rèn)識(shí)焊接工藝參數(shù)。

引入探究式學(xué)習(xí)的效果顯著，具體如下：

（1）培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

學(xué)生從信息收集、工藝探索到實(shí)驗(yàn)操作，完成各組任務(wù)，再到最終得出不同材料、板厚、接頭形式的較為合理的焊接工藝參數(shù)。在這些環(huán)節(jié)中，會(huì)帶著問(wèn)題去思考、真正地理解，類(lèi)似科學(xué)工作者解決問(wèn)題的思路，從而培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（2）激發(fā)實(shí)踐學(xué)習(xí)興趣。

通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，學(xué)生分工合作，每個(gè)人都主動(dòng)參與其中，經(jīng)過(guò)不斷探索完成任務(wù)，體會(huì)成功的喜悅，激發(fā)不斷探索實(shí)踐的興趣。

（3）增加課程挑戰(zhàn)度。

每個(gè)小組的任務(wù)不同，都需進(jìn)行信息收集、工藝探索，不斷反復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作，尋找適合各組工件的相關(guān)焊接工藝參數(shù)。從而增加課程挑戰(zhàn)度，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生敢于挑戰(zhàn)的探索精神。

（4）提高綜合素質(zhì)。

采用探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生在做中學(xué)，在思考中學(xué)，注重學(xué)生之間的協(xié)作、討論、反思，建立民主、寬松的教學(xué)環(huán)境。提高學(xué)生實(shí)習(xí)效果，激發(fā)實(shí)踐興趣，培養(yǎng)科學(xué)探究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及工程素質(zhì)。

4 結(jié)論

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化成為必然趨勢(shì)，采用弧焊機(jī)器人成為焊接技術(shù)自動(dòng)化的主要標(biāo)志?；『笝C(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心重點(diǎn)建設(shè)實(shí)訓(xùn)室，在此基礎(chǔ)上將繼續(xù)建設(shè)更科學(xué)、更智能、更數(shù)字的弧焊機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室，開(kāi)發(fā)更有效、更有吸引力的弧焊機(jī)器人實(shí)踐課程，不斷探索其在人才培養(yǎng)、科研服務(wù)上的思路，為建設(shè)一流大學(xué)添磚加瓦。