新型《焊接機器人》本科教材的編制①

黎文航，朱杰，陳書錦，周方明(江蘇科技大學材料科學與工程學院，江蘇鎮江212003)

1 背景

隨著我國機器人戰略的實施，焊接機器人在許多企業迅速得到應用，對焊接機器人人才的需求也尤為迫切［1］。但目前，本科高校對焊接機器人人才的培養相對滯后。這是因為上世紀90年代中期，受寬口徑教育思想的影響，很多學校焊接專業被并入材料成型及控制工程專業，焊接專業課時大為縮減［2］。后來，受焊接行業強烈需求影響，很多學校又恢復了焊接專業或焊接模塊，但仍受專業課程總學時限制，《焊接機器人》課程往往僅作為選修課開設。

此外，缺乏適合焊接本科專業的《焊接機器人》教材也嚴重影響了教學效果。焊接機器人中的經典教材是林尚揚院士、陳善本教授于2000年編著的《焊接機器人及其應用》［3］，該教材目前已停止出版，且因出版時間較早沒有反映當前焊接機器人的最新技術。而目前市面上較新的《焊接機器人編程及應用》［4］、《焊接機器人基本操作及應用》［5］等教材主要是面向高職高專，側重應用，缺乏系統講解。《汽車機器人焊接工程》［6］、《中厚板焊接機器人系統及傳感技術應用》［7］等更偏向為專業技術書籍。而《智能化焊接機器人技術》［8］則是學術論著。

《焊接機器人》是一門涉及數學建模、電工、通訊、機械、軟件編程等綜合知識的課程，學生需要豐富的實踐、解決機器人應用中遇到的各種問題，才能積累經驗，提高水平。所以，單純的教師講授，學生聽課難以達到好的教學效果。受本科高校環境影響，學生一般沒有足夠的機器人進行操作，難以通過直接操作使用機器人來學習。而隨著機器人仿真技術或離線編程技術的發展，在一般PC機上已可以順利運行各種焊接機器人仿真操作［9］，由此可以通過機器人仿真提高教學效果、增加學生“操作”機器人的機會。這同樣需要編制新的焊接教材以適應這種新型教學模式。

總之，目前迫切需要出版適合焊接本科專業的焊接機器人教材，以適應目前行業需求和教學需要，提高焊接機器人人才培養質量。

2 教材編制

本教材的編制流程如圖1所示。首先是確定教材內容，然后引入機器人仿真軟件，編制適合教學的項目，并將其合理嵌入教材中，最后通過審核、試用后交付出版社出版。下面對其中的關鍵步驟進行說明。

圖1 教材編制流程

2.1 教材內容的確定

在教材編制過程中，首先需要考慮焊接機器人行業對人才培養的需求、授課學生對象特點、最新發展技術等確定合適的教材內容。

焊接機器人從本質上說是工業機器人，后者屬于機械或電氣學科。工業機器人相關課程可分為兩大類，一類側重于工業機器人的設計，以機器人學為主，重點講述機器人運動學、動力學等知識;另一類側重于工業機器人的應用，以機器人的硬件構成、軟件編程和系統集成學習為主。此外，作者通過與ABB等機器人生產制造商、北人機器人公司等機器人系統集成商、以及大眾汽車、外高橋造船等機器人用戶交流，確定企業需求。

對焊接機器人來說，其作用是將機器人應用于焊接領域，使焊槍、焊接參數能按照期望的方式運作。對焊接專業學生來說，更重要的是需要掌握機器人的基本原理，熟悉機器人的特點，用機器人的方式去解決焊接問題，實現高效、快速的焊接。焊接機器人領域側重工業機器人和焊接系統的集成，而不是設計、制造機器人。若將《工業機器人》尤其是“機器人學”的相關教材生搬硬套，則難以達到好的教學效果，與社會需求也偏離。

《焊接機器人》課程作為焊接專業課一般在大四開設。對于焊接專業或材料成型及控制工程專業學生來說，其前期學習中已經具備了機械、材料、電氣中的基礎知識。如機械部分學生一般都已學習過《機械原理》;焊接工藝與設備方面已學習過《焊接方法與設備》、《弧焊電源》等課程;在電氣方面也初步了解電工電子、PLC原理、繼電器控制、單片機系統、傳感器原理等知識;在軟件編程方面，一般也學習過Visual Basic或Visual C++等課程。故在教材編制過程中，涉及到上述知識部分時不再系統介紹相關基礎知識，重點介紹焊接機器人領域相關的重要知識，如接觸傳感器、電弧傳感器等知識。

此外，焊接機器人的內容應反映近年來的重要新技術，如機器人前臂中空送絲改善了電纜布線和焊槍的可達性，而七自由度機器人的使用提高了機器人的避障能力和可達性。

2.2 機器人仿真項目的引入

目前，高校中《焊接機器人》教學模式還是以板書、PPT教學為主，配以焊接機器人實驗。近年來，教學技術也在不斷創新發展，很多高校在開展項目式教學、網絡化教學、微課、慕課等教學研究。在新《焊接機器人》課程教材編制中，也要結合課程特點，便于應用新的教學技術。由于受本科高校發展定位、人才引進的影響，一般難以配備大量的機器人供教師、學生操作，這影響了學生對機器人的認識和經驗積累。機器人仿真技術的發展為解決上述問題提供了一條途徑。仿真技術可以應用于課堂中、上機實習、甚至實驗中。而在教材編制中，仿真技術也可以作為實例講解，拉近機器人理論與機器人應用之間的距離。

機器人仿真軟件的出現已經有30年，基本上可分為兩類:一類是通用的仿真軟件(如 IGRIP)，功能強大，適合所有機器人，但是價格很高;一類是由機器人廠商開發的軟件，一般只適合廠商的機器人，但是價格更便宜，有的具有一定的免費試用期。ABB公司開發的Robot Studio離線編程仿真軟件功能強大，故本教材選用其作為仿真軟件［10］。圖2所示為采用仿真技術進行機器人示教編程的實例。學生可以按照教材所示步驟，在PC機上完成相關機器人配置、變位機構建、夾具構建、示教點確定、焊接路徑規劃與調整等內容。

圖2 機器人仿真實例

《焊接機器人》作為一門工程實踐性較強的課程，采用項目式任務驅動教學方法容易取得較好的教學效果。但是若教材中完全采用項目方式進行編寫，則難以闡述清楚原理。同時，教材應具有一定的獨立性。故在本教材的編著中，采用折衷的方法，即按照知識層次，循序漸進講述焊接機器人原理，同時，在適當章節采用實例對知識點進行應用和總結。

2.3 教材內容安排

在上述思想指導下，各章內容安排如下:

第一章，緒論;先介紹焊接自動化與焊接機器人的關系，然后介紹工業機器人的發展歷程和趨勢、工業機器人的組成和各部分作用、工業機器人的特點、參數和分類，使學生對工業機器人有一個宏觀的認識。

第二章，焊接機器人系統的概述;在第一章緒論對工業機器人進行介紹的基礎上，介紹焊接機器人系統的組成，重點介紹焊接機器人系統的特殊性;然后介紹了常用的點焊機器人、弧焊機器人的系統組成和要求，最后介紹焊接離線編程軟件或仿真軟件的發展，引入ABB的Robot Studio作為教材的仿真軟件。

第三章，介紹機器人學的基本原理;介紹機器人運動學的基本原理，即機器人中的坐標系，以及如何用矩陣表示運動和運動變換，重點介紹D－H法對關節機器人建模，最后以ABB Robot Studio軟件為例介紹機器人系統中常用坐標系的構建。

第四章，機器人驅動器;在引入驅動器評價指標基礎上，介紹不同驅動器的原理和特點，以及相關的運動傳輸裝置。

第五章，焊接機器人軌跡規劃與編程;主要介紹關節空間插補和直角坐標空間插補的原理，并介紹焊接機器人規劃技術。最后以ABB機器人為例，詳細介紹機器人在線編程(示教編程)和離線編程。

第六章，焊接機器人傳感技術。主要介紹與焊接機器人相關的傳感器，重點介紹電弧傳感器、接觸傳感器、接近覺傳感器和視覺傳感器等。

第七章，焊接機器人系統的通訊和系統集成。以Fronius焊接設備和ABB為例，介紹機器人系統的集成。

第八章，焊接機器人的配置;介紹了如何提高機器人焊接效率和適度自動化的思想，并對構成焊接機器人系統的各部分配置進行詳細介紹。

第九章，焊接機器人工作站;介紹焊接機器人工作站的類型，并以ABB仿真軟件為例，仿真構建不同類型的機器人工作站。

第十章，其它機器人;介紹其他它焊接機器人，如曲面焊接機器人，遙控焊接機器人和水下焊接機器人。

3 教材使用情況與總結

作為專業課程教材，該教材在作者所在學校2010級焊接專業作為學生講義開始使用;根據使用情況經過修訂，在2013～2015級學生中使用;2015年，該教材被評為江蘇省高等學校重點教材立項建設。作者將通過不斷總結和反饋，提高該教材的效果。

總之，本文根據焊接機器人教材編制的需要，進行了面向焊接專業本科的新教材編制，并得到如下結論:

(1)焊接專業學生學習焊接機器人重點應放在用機器人的思維去解決焊接問題，應掌握機器人的基本原理，而不必苛求設計、制造機器人。

(2)焊接機器人教材的編制應注意引入最新的教學技術;引入機器人仿真技術，并在教材編制過程中引入項目驅動教學思想，對于將機器人理論與實踐緊密結合具有重要的促進作用。

［1］ 王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略［J］.機械工程學報，2014，50(9):15－19.

［2］ 史耀武.我國高等焊接專業人才培養狀況與培養模式的發展［J］.焊接，2002(12):16－18.

［3］ 林尚揚，陳善本.焊接機器人及其應用［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［4］ 蘭虎.焊接機器人編程及應用［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［5］ 劉偉，周廣濤，王玉松.焊接機器人基本操作及應用［M］.電子工業出版社，2012.

［6］ 盧本，盧立楷.汽車機器人焊接工程［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［7］ 劉偉，周廣濤，王玉松.中厚板焊接機器人系統及傳感技術應用［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［8］ 陳善本.智能化焊接機器人技術［M］.北京:機械工業出版社，2006.

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

［10］ 譚定，李亮玉，王天琪.基于Robot Studio的雙機器人協調仿真［J］.焊接技術，2011，40(6):45 －48.