《機器人焊接技術》新型教學體系探討

黎文航 陳書錦 劉大雙 楊峰 朱杰?

摘要：隨著焊接機器人產業的大力發展，越來越多的企業用焊接機器人替代焊工，對機器人焊接技術人才產生迫切需求。這就使得高校需要順應形勢，開展或加強《機器人焊接技術》課程，同時還需要改變傳統的教學模式，提高培養質量。本文在傳統教學模式基礎上引入離線編程機器人仿真技術，并重新設計《機器人焊接技術》教學體系，將離線編程機器人仿真技術融入教師仿真演示、學生上機實習、學生機器人實驗和課程設計中。從而在不大量增加實際機器人的基礎上，使學生操作、使用機器人的時間大大增加，并以任務驅動方式促使學生應用所學，掌握機器人應用技能，最終滿足企業人才需要。

【中圖分類號】G712

1. 引言

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

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

焊接機器人技術是一門理論性、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、機械設計、焊接工藝與設備等多學科知識。以往的機器人焊接技術教學主要是“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用脫節，學生沒有足夠的時間接觸、應用機器人，所學僅僅是停留在書本知識，難以理論聯系實際，難以建立機器人解決焊接問題的思維，人才培養質量欠佳。

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

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境的幾何模型，再利用一些規劃算法，通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下進行軌跡規劃。通過對編程結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[3]。隨著計算機技術的發展，以往需要在計算機工作站或服務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。通過在傳統課堂教學基礎上引入仿真技術，設計項目，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知識，鍛煉學生動手能力，促進高水平人才的培養，并為類似課程的教學積累經驗和成果，如圖 1所示。。

ABB機器人的Robot Studio是一款優秀的機器人仿真軟件，適用于機器人壽命周期各個階段[4]。它可在實際構建機器人系統前進行設計和試運行，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用于實際系統，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或機械工程專業，實施寬口徑教學。目前《機器人焊接技術》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節；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，構建仿真任務，驅動學生應用所學完成。

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

2.2 教學體系內容設計

對于焊接專業學生學習焊接機器人來說，主要是應用焊接機器人技術，而不是設計焊接機器人。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。本教學系統的設計一方面通過構建三維演示動畫，提高學生感官刺激。另外，采用交互式教學和項目驅動教學方法，設計學生用計算機實習仿真項目，驅動學生應用所學知識完成任務。授課內容安排如表1所示。

3. 結論

本文探討了在《機器人焊接技術》中引入仿真技術，并對理論教學、上機實習，內容安排進行了重新規劃。在規劃中，注重項目驅動，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用與研究現狀. 電焊機，2009，39（4）： 18-21

[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. 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的研究現狀及發展趨勢. 焊接. 2007，（7）：20-26

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