基于CBE+CDIO理念的工業機器人技術實訓項目設計

檀盼龍, 邵 欣, 張建新, 李云龍

(天津中德應用技術大學 智能制造學院, 天津 300350)

2015年《政府工作報告》中指出中國要加快從“制造大國”向“制造強國”邁進[1]。隨著“中國制造2025”強國戰略的提出,作為支撐國民經濟發展和構建區域產業體系主體的制造業保持著良好的發展態勢[2]。2017年5月,李克強總理在國務院常務會議中強調以市場為導向、以企業為主體,深化改革,強化創新,把發展智能制造作為主攻方向,促進整個制造業智能化、綠色化和服務型升級,加快建設制造強國[3]。圍繞這一目標,工業機器人的發展和應用,成為了中國制造業強國戰略的重中之重。縱觀市場現狀,市場競爭的加劇、勞動力成本的上升,使企業的運營受到了巨大的壓力[4]。為緩解壓力,越來越多的企業選擇購置自動化生產設備,搭建工業機器人自動化生產線替代人力生產,提高產能、降低成本的同時還能有效提升產品質量,增強企業的市場競爭力。

在國家戰略和市場現狀背景下,企業對工業機器人應用技術人才的需求不斷增加,這就給職業教育提出了采用高效的教育模式加快培養出適應市場需求、滿足企業需要,能夠在生產一線從事工業機器人相關技術崗位的高質量應用技術技能型人才的要求[5-6]。

1 CBE、CDIO教育模式概述

能力本位教育 (competency based education,CBE)是一種以分析職業角色活動為起點,以崗位職責所需的職業能力培養為中心的教育模式[7]。CBE注重“做中學”,強調學生在學習過程中動手實踐的重要性,通過學生在技能培養和知識學習過程中的表現進行教學效果評價,健全反饋機制,及時完善內容和方法的設計[8]。構思—設計—實施—運作 (conceive,design,implement,operate,CDIO)是一種以全過程為載體,以工程項目設計為導向,以工程實踐能力培養為目標,學員以主動的、實踐的方式進行學習的高等工程教育模式[9]。CDIO強調以綜合方式使學員獲得工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力[10]。

CBE和CDIO教育模式具有相通之處,都強調了學生以動手實踐的方式學習知識和培養能力[11-12],教學活動中工程項目的設計以企業需求為導向,以職業角色活動為依據,教學效果的評價以學生活動表現、企業用工評價等方式進行反饋,努力完善和健全教學設計,開發緊貼企業需求的教學內容,采用多樣、靈活的教學方法加快培養高質量應用技術技能型人才。

本文將CBE與CDIO理論相結合,聯合北京賽佰特科技有限公司共同開發 “智能制造技術創新與應用開發平臺”,在此平臺的基礎上,以“碼垛工作站的安裝與調試”實訓項目為例進行教學設計。

2 工業機器人技術應用課程實訓項目開發

通過走訪調研多家有關工業機器人技術應用崗位需求的企業,了解到企業對工業機器人的人才需求分為操作維護崗位、應用設計崗位與銷售崗位3個主要方向,需求情況如圖1所示。本文依托“智能制造技術創新與應用開發平臺”,主要針對技術崗位的技能需求進行實訓項目的開發。

圖1 工業機器人人才崗位需求

2.1 開發平臺結構與功能簡介

工業機器人技術應用課程實訓項目開發所采用的“智能制造技術創新與應用開發平臺”如圖2所示。

圖2 智能制造技術創新與應用開發平臺

平臺包含6自由度ABB工業機器人、RFID信息識別系統、智能視覺檢測系統、PLC控制及顯示觸控系統、工具快換系統、自動供料系統、自動托盤庫、輸送系統、零件裝配系統、組件焊接系統、自動旋轉立體倉儲機構和物聯網遠程監控系統。可以實現生產制造環節的全方位實操實訓,包括工件上料、上托盤、工件輸送、檢測、識別、搬運、裝配、焊接、碼托盤、倉儲和遠程監控等功能和操作。可以使學習者快速學習工業機器人基本原理、伺服電機驅動控制、執行機構設計與控制設計、工業機器人編程、變頻技術、PLC技術等方面的知識,適合學習工業機器人系統設計、應用、維護等知識,適用于培養相關工業機器人產業化應用人才。

2.2 實訓項目設計

將工業機器人技術應用課程實訓項目劃分成基礎模塊、專業模塊、綜合模塊3個不同的模塊,見表1。

表1 模塊化實訓項目

CBE教學模式特征之一是強調教學的基礎應依據受教育者的能力設定[13]。通過能力分析確定能力標準,根據不同的能力標準轉換為模塊化的課程。在實際教學中,也必然存在學生基礎不一、水平差異大的現象。根據工業機器人技術應用人才培養的要求,開發分類清晰、層次分明的模塊化實訓項目,便于學生結合自身情況和應用需求,在各自原有的基礎上自主選擇和組合化學習,以達到學生能力、素質和個性培養的效果。

3 “碼垛工作站的安裝與調試”實訓項目設計

在飼料、化工、食品、飲料、建材、塑料等諸多自動化生產企業,利用工業機器人實現各種箱裝、袋裝、灌裝等不同類型物料的碼垛作業任務非常常見,能夠顯著地提高生產效率、降低人力勞動強度和成本。

3.1 構思：任務描述

碼垛指將形狀基本一致的產品按照一定的要求堆疊起來,碼垛機器人的功能是把料袋或料箱一層一層碼到托盤上。本實訓項目模擬飲料生產企業使用工業機器人將傳輸線上輸送來的飲料包裝箱(以塑料方塊模擬)在托盤上進行碼垛操作展開,包裝箱長45 mm、寬30 mm、高35 mm。碼垛機器人除了完成搬運任務外,還要將工件有規律地擺在托盤上。碼垛擺放如圖3所示。

圖3 碼垛擺放的示意圖

3.2 設計：方法設計

(1) 翻轉式課堂。以學生為核心,教師為教學設計者、指導者、幫助者和學習的伙伴。設計“學習任務單”明確學生課前自主學習內容、目標和方法,并提供相應學習資源,使學生取得自主學習實效。翻轉式課堂的教學方式有助于提高教學質量、培養創新人才。

(2) 拓展式教學。教師將學生需重復操作掌握的知識點和技能點錄制成微課視頻,將課堂現場示范教學內容以精煉的片段化短視頻的方式呈現給學生,有利于學生記憶和模仿,同時也提高了學習效率。

(3) 拓展校外實踐基地。學校實訓平臺數量有限,開拓校外實訓中心與校企合作的企業作為實踐基地,聘請熟知企業需求的企業工程師與學校教師一同指導實訓項目內容,增加工作化學習的真實性。

(4) 團隊式協作。團隊協作展開任務實施和討論尤為重要,任務完成既有分工，也有合作,遇到難題可以集思廣益進行探討,取得收獲能夠及時分享,有助于培養學生的個人與團隊能力。

(5) 任務式驅動。實訓項目以任務完成的形式進行設計。任務完成的過程即是學習的過程,樹立學生的工作意識,“做中學”的任務式驅動能夠增強學生學習的自信心與成就感。

(6) 行為式培養。注重培育學生的職業素養,牢固樹立安全意識、責任意識、規范意識。我校規范要求學生進入實訓室進行實訓練習如同企業員工進入車間生產一樣,必須著工裝,嚴格遵守上課時間,禁止攜帶與課上無關的物品,實訓工具取放有位、課后打掃教室衛生,安全檢查無問題后再離開工位。在行為和意識上讓學生形成規范的職業習慣和職業意識。

3.3 實施：任務實施

針對本實訓項目內容,任務實施環節分為知識儲備、I/O板配置和信號創建、創建任務數據、機器人程序設計4部分。本實訓項目采用任務書完成方式展開,設計的項目任務書如表2所示。

表2 項目任務書

3.3.1 知識儲備

知識儲備部分主要是對安裝和調試工作站做準備工作。包括：

(1) 認識碼垛機器人末端工具。講解吸附式、夾板式、抓取式、組合式末端工具的特點及應用范圍。

(2) 碼垛位置算法。完成碼垛任務需要對抓取點和包裝箱位置點進行示教。利用包裝箱尺寸基本一致,采用偏移尺寸的相對位置的方法進行示教,大大減少目標位置點的示教點數,能夠簡化程序同時提高運行效率。

(3) 數組應用與觸發指令。講解數組在常見碼垛垛型中的應用,利用數組存放各個擺放位置數據,程序中可直接調用。碼垛過程中會用到動作觸發指令TriggL完成位置輸出、激活中斷等動作,需要對TriggL的幾種指令進行講解。

(4) 中斷程序。中斷程序應用在響應緊急情況處

理,需要中斷當前執行的程序,待處理完畢后返回執行程序。

3.3.2 I/O板配置和信號創建

本工作站中,需要用到的數字輸入信號有傳送帶位信號、真空反饋信號等。在示教器中,根據所需信號選配IO通信方式,可以通過ABB標準IO板DSQC652進行配置。

信號配置的過程由團隊成員協作完成,分成配置、運行、排故幾個工作,由不同的成員負責。

3.3.3 創建任務數據

本項目碼垛末端工具選用吸盤式工具,需要完成工具坐標數據的創建；采用三點法示教創建碼垛托盤工件坐標數據；根據包裝箱的尺寸、重量等創建載荷數據；根據抓取和擺放的過程要求示教原點、抓取點、旋轉點等目標點。

3.3.4 機器人程序設計

碼垛過程的程序流程如圖4所示。執行初始化程序后,檢測托盤是否放滿。若不滿,則繼續抓取工件,根據位置要求放置工件。碼垛計數不滿的繼續延時循環執行,計數滿后結束程序。

圖4 碼垛過程流程圖

根據碼垛功能要求及程序流程圖,設計機器人程序包括手動示教目標點程序、主程序、初始化子程序、抓取子程序、放置子程序、計算放置點程序、中斷程序、位置點示教程序。程序設計不完全給出,一部分需要學生自己設計,一部分需要學生補全,開拓學生思維。

3.4 運行：評價分析

任務實施過程中,教師對學生團隊的知識和技能掌握情況進行客觀的記錄和評價。對學生整體成績和表現做出綜合分析,分類匯總比較突出的問題,總結出學生學習的難點,加強指導。拓展式教學中,聽取聘請的企業工程師對課程設計和學習效果的意見和建議,從而進行教學設計的修改完善。

4 結語

工業機器人的應用是實現中國由“制造大國”邁向“制造強國”的強有力技術支撐。當今市場受人力成本影響,社會對工業機器人應用技術人才的需求不斷增加,工業機器人替代人力生產是一種必然趨勢。本文簡要分析了CBE、CDIO教育模式概念,提出了CBE+CDIO理念的工業機器人技術應用課程實訓項目設計,旨在加快培養出適應市場需求、滿足企業需要,能夠在生產一線從事工業機器人相關技術崗位的高質量應用技術、技能型人才。