丁健 郭瓊 胡俊平

摘要：本文詳細介紹了《工業(yè)機器人安裝與調(diào)試》課程建設(shè)思路、課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。通過對該課程知識學(xué)習(xí)領(lǐng)域和職業(yè)能力目標(biāo)的探究，自主研制直角坐標(biāo)機器人、六軸機器人和AGV三種工業(yè)機器人教學(xué)設(shè)備，進而按照工程教育理念凝練教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計四個實際工程教學(xué)項目以及典型工作任務(wù)。教學(xué)組織采用“任務(wù)分析、小組討論、任務(wù)實施、小組考評”的方式，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；安裝與調(diào)試；典型工作任務(wù)

中圖分類號：G714 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）02-0262-03

一、引言

工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作機，可用于完成加工搬運等作業(yè)任務(wù)，涉及計算機、機械工程、控制論、仿生學(xué)、信息與傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域[1]。隨著《中國制造2025》的實施及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求，我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)將會面臨重大的發(fā)展機遇，根據(jù)工信部的發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國工業(yè)機器人裝機量將達到100萬臺，需要20萬左右的各類工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用型人才[2]。然而，當(dāng)前許多工業(yè)機器人的安裝與調(diào)試還只依靠企業(yè)產(chǎn)品手冊和培訓(xùn)材料，所以結(jié)合高職院校教學(xué)特色建設(shè)《工業(yè)機器人安裝與調(diào)試》課程顯得很有意義。

通過對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)崗位進行調(diào)研，目前人才需求主要集中在本體及零部件設(shè)計與加工制造、安裝與調(diào)試、操作與編程、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品銷售和技術(shù)支持等崗位[3]。因此，高職院校工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)目標(biāo)應(yīng)定位于培養(yǎng)從事工業(yè)機器人及其相關(guān)設(shè)備的安裝、編程、調(diào)試、系統(tǒng)集成、運行維護等工作的應(yīng)用型技術(shù)技能型人才。但是，由于許多高職院校開設(shè)該專業(yè)時間較短，專業(yè)課程體系尚未健全，專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不高[4]。所以，本文根據(jù)高職工業(yè)機器人專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，對照工業(yè)機器人安裝與調(diào)試職業(yè)功能和工作內(nèi)容，探索與建設(shè)《工業(yè)機器人安裝與調(diào)試》課程，通過前期工業(yè)機器人安裝與調(diào)試實訓(xùn)室建設(shè)，開發(fā)“教學(xué)做一體化項目”和“典型工作任務(wù)”課程，以提高學(xué)生的綜合職業(yè)能力、專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新意識。

二、課程建設(shè)思路

根據(jù)高職工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，基于“工學(xué)結(jié)合、項目引導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動”的建設(shè)思路，該課程依托直角坐標(biāo)機器人、六軸機器人和AGV（自動引導(dǎo)運輸車）三種典型工業(yè)機器人，將工業(yè)機器人安裝調(diào)試知識與技能點融入典型教學(xué)項目任務(wù)中。學(xué)生將在工業(yè)機器人裝調(diào)實訓(xùn)室完成三種典型工業(yè)機器人安裝與調(diào)試的全過程，同時堅持知識傳授與操作訓(xùn)練為一體、多維考核與素質(zhì)拓展為一體，突出職業(yè)技術(shù)教育實踐能力培養(yǎng)，將高職院?！白鲋袑W(xué)、做中教”的教育理念貫徹于課程設(shè)計的全過程。課程教學(xué)項目由若干個工作任務(wù)組成，每個任務(wù)按照“知識學(xué)習(xí)、任務(wù)描述和任務(wù)實施”進行，以完成相應(yīng)任務(wù)知識和技能要求為目標(biāo)，注重工業(yè)機器人安裝與調(diào)試職業(yè)能力培養(yǎng)，重點加強工業(yè)機器人常用傳動機構(gòu)安裝、電氣與伺服控制系統(tǒng)安裝調(diào)試、機電聯(lián)調(diào)和應(yīng)用編程等方面應(yīng)用能力培養(yǎng)，淡化機器人機構(gòu)學(xué)、運動學(xué)以及動力學(xué)等理論教學(xué)內(nèi)容。

三、課程建設(shè)內(nèi)容

在企業(yè)充分調(diào)研和畢業(yè)生跟蹤調(diào)查的基礎(chǔ)上，本課程遵循可行性、覆蓋性、趣味性、典型性和實施方案多樣性原則，以三種典型工業(yè)機器人為載體，與企業(yè)合作設(shè)計開發(fā)若干教學(xué)做一體化的項目，如圖1和表1所示。

1.工業(yè)機器人認知。工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作機，能搬運材料、工件或操持工具來完成各種作業(yè)。該項目知識學(xué)習(xí)涉及工業(yè)機器人基本概念、組成與分類、現(xiàn)狀與發(fā)展以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，任務(wù)實施側(cè)重于工業(yè)機器人本體和控制柜認知，以及工業(yè)機器人操作規(guī)范。例如，了解工業(yè)機器人常用鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動、螺旋傳動等機械傳動結(jié)構(gòu)，認識典型六軸工業(yè)機器人的基座、大臂、小臂、腕部和手部結(jié)構(gòu)，熟悉工業(yè)機器人控制柜常用電氣元件及其工作原理，掌握機器人安全操作以及維護保養(yǎng)規(guī)范，使學(xué)生掌握工業(yè)機器人安裝調(diào)試過程中需遵循的基本方法和技術(shù)。

2.直角坐標(biāo)機器人安裝與調(diào)試。該項目以直角坐標(biāo)工業(yè)機器人作為教學(xué)載體，三軸直角坐標(biāo)工業(yè)機器人安裝在鋁合金導(dǎo)軌式實訓(xùn)工作臺面上，X軸、Y軸和Z軸是相互垂直的滾珠絲桿直線運動機構(gòu)，可以實現(xiàn)滑臺的平移運動，三軸運動都由相應(yīng)的伺服電機驅(qū)動，機器人在工作臺面上可以完成設(shè)定的寫字繪圖任務(wù)，其執(zhí)筆裝置必須按照一定的運動軌跡行走。由于直角坐標(biāo)機器人基本涵蓋和表現(xiàn)工業(yè)機器人的典型技術(shù)，學(xué)生可進行機器人單軸絲桿傳動機構(gòu)機械安裝、電氣控制安裝與調(diào)試、PLC編程與調(diào)試、伺服系統(tǒng)安裝與編程和軌跡運動規(guī)劃等多種不同技能訓(xùn)練，其可開設(shè)的實驗項目既有演示性與驗證性實驗，也有設(shè)計性和綜合性實驗，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動性，有利于學(xué)生掌握工業(yè)機器人的工作原理和提升機器人的操作維護技能。

3.六軸機器人安裝與調(diào)試。六軸機器人是一種模擬人手臂、手腕和手功能的機電一體化裝置，可以精確控制物體運動的位置、速度和加速度，從而完成某一工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)要求。在前面兩個項目學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，進一步學(xué)習(xí)六軸機器人的工作原理與安裝調(diào)試方法，重點掌握機器人軸關(guān)節(jié)和末端工具手安裝、電氣與控制系統(tǒng)安裝和機器人示教編程方法。例如，可以進行指定軸關(guān)節(jié)伺服電機、行星減速機、交叉滾子軸承、軸承壓蓋和連接臂的安裝，機器人吸盤工具手和氣爪工具手氣路中氣管、電磁閥、氣缸、過濾器和分離器等部件的安裝與調(diào)試，亦可根據(jù)教學(xué)需求設(shè)置機器人工具手工件搬運、碼垛和裝配示教編程任務(wù)。在接近實際工業(yè)項目任務(wù)操作中進行探索、訓(xùn)練和總結(jié)，能夠確保學(xué)生掌握典型六軸工業(yè)機器人的安裝與調(diào)試技能。

4.AGV安裝與調(diào)試。AGV小車作為一種智能工廠的運輸工具，裝配有電磁或光學(xué)自動導(dǎo)引系統(tǒng)，可以按規(guī)劃的導(dǎo)引路徑行走，在工業(yè)生產(chǎn)和物流管理中起著至關(guān)重要的作用。利用自主開發(fā)的磁引導(dǎo)AGV教學(xué)平臺，學(xué)生可以學(xué)習(xí)AGV充電系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)工作原理，主要掌握AGV小車上部運輸機構(gòu)和傳感控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試。例如，帶傳動中主動軸、從動軸、同步帶傳動機構(gòu)、皮帶和張緊輪等部件的安裝，信號采集控制系統(tǒng)中磁導(dǎo)傳感器、直流電機及其驅(qū)動器的安裝和調(diào)試。另外，可進一步設(shè)置AGV循線前進、后退、轉(zhuǎn)彎、加減速等應(yīng)用編程任務(wù)，幫助學(xué)生認識典型AGV機器人的基本概念和原理，并在此基礎(chǔ)上拓展一些無線通信、系統(tǒng)監(jiān)控和智能直流調(diào)速控制等較復(fù)雜的任務(wù)。

四、教學(xué)方法探索

通過前期《PLC應(yīng)用技術(shù)》、《電氣控制技術(shù)》和《工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)》相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)，本課程依據(jù)CDIO（構(gòu)思、設(shè)計、實施和運作）工程教育模式[5]，以接近實際工程項目為載體，按照“知識學(xué)習(xí)—任務(wù)導(dǎo)入—任務(wù)實施”的方式展開，具體方法如下。

1.引入自制教學(xué)設(shè)備，凝練典型工作任務(wù)。為了有效提高教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課程團隊自主開發(fā)三種典型工業(yè)機器人實訓(xùn)平臺，在教學(xué)過程中將工業(yè)機器人安裝調(diào)試知識和技能要點融入項目任務(wù)中，任務(wù)設(shè)置強調(diào)典型性、實用性、趣味性和啟發(fā)性。例如，將“寫字繪圖”的創(chuàng)意融入直角坐標(biāo)機器人教學(xué)設(shè)備，學(xué)生既能完成機器人基礎(chǔ)性絲桿傳動機構(gòu)和電氣安裝與調(diào)試，有助于學(xué)生理解一般工業(yè)機器人系統(tǒng)的基本組成和工作原理，同時還能開展機器人末端軌跡繪制和軌跡復(fù)現(xiàn)等應(yīng)用編程任務(wù)，從而增強學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，寓教于樂。

2.改進課程組織方式，提升課程教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)組織是課程目標(biāo)得以實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)和師生互動的主要方式，堅持以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)理念，以教、學(xué)、訓(xùn)、做、評相融合的高職教育組織方式，將學(xué)生以5—6人為單位進行分組，并讓各小組推薦一名小組長，學(xué)生以組為單位進行“任務(wù)分析、小組討論、任務(wù)實施、小組考評”，在此過程中，一方面教師與學(xué)生一同進行任務(wù)剖析、小組討論和交流意見，另一方面教師將項目任務(wù)中的知識和技能點融合于項目任務(wù)分析、小組討論和教師點評過程中，這種組織方式不僅可以充分發(fā)揮學(xué)生的能動性和創(chuàng)新性，還能提升教師自身業(yè)務(wù)能力。

五、結(jié)語

由于高職工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)發(fā)展時間較短，專業(yè)課程體系尚不完善，通過對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)崗位需求充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，探索與建設(shè)《工業(yè)機器人安裝與調(diào)試》專業(yè)核心課程。該課程突出工程教育思想，通過引入自制教學(xué)設(shè)備來構(gòu)建教學(xué)做一體化項目式教學(xué)內(nèi)容，按照學(xué)生為中心的理念來組織教學(xué)過程，從而保證該課程實施后能有效促進學(xué)生工業(yè)機器人安裝與調(diào)試職業(yè)能力的全面提高，同時對高職工業(yè)機器人專業(yè)其他課程建設(shè)具有一定借鑒意義和推廣價值。

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Abstract：This paper introduces detailed construction ideas，teaching content and teaching methods of the "Industrial Robot Installation and Debugging" course.By studying the knowledge learning areas and professional competence goals for this course，three typical industrial robots that contain cartesian robots，six-axis robots and AGV are self-developed.And then according to engineering education concept，four practical engineering teaching project and typical tasks are designed.The teaching organization uses the methods of "task analysis，group discussion，task implementation，and group evaluation"，which aims to improve the subjective initiative and course teaching quality for the students.

Key words：industrial robot；installation and debugging；typical tasks