工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系建立的教學(xué)策略淺談

陳欣欣

（集美工業(yè)學(xué)校，福建 廈門 361022）

1 教學(xué)背景分析

隨著生活水平的提高，人們對(duì)自己工作的環(huán)境也提出了新的要求，在艱苦枯燥而危險(xiǎn)的工作崗位上，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始逐步取代人工。2018年全世界約1/3的機(jī)器人正在銷往中國(guó)，未來(lái)5-10年，機(jī)器人是一個(gè)見(jiàn)不到天花板的行業(yè)。李克強(qiáng)總理也應(yīng)勢(shì)提出中國(guó)版工業(yè)4.0規(guī)劃——“中國(guó)制造2025”。作為自動(dòng)化技術(shù)的集大成者，機(jī)器人是工業(yè)4.0最主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。這使我們共同面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)：工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用人才在中國(guó)全面緊缺。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才缺口達(dá)到20萬(wàn)，并且還在以每年20%-30%的速度持續(xù)遞增。在此時(shí)代背景下，作為教學(xué)對(duì)象的中職二年級(jí)學(xué)生多數(shù)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人專業(yè)和其今后的職業(yè)大環(huán)境了解不夠全面，不知如何促進(jìn)自己專業(yè)技能水平的提高以適應(yīng)未來(lái)職業(yè)需求。

當(dāng)今從中學(xué)生乃至全國(guó)的大學(xué)生，他們的技術(shù)教育受益于多種信息化教學(xué)方式。這些信息化教學(xué)方式大多基于機(jī)械工程、應(yīng)用數(shù)學(xué)、材料加工、基礎(chǔ)電子學(xué)、機(jī)器人學(xué)、工業(yè)制造等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文采用仿真軟件RobotStudio輔助教學(xué)。值得指出的是，除了基本知識(shí)點(diǎn)的仿真練習(xí)，掌握RobotStudio軟件的離線編程技能更是對(duì)今后工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐有極大幫助。

RobotStudio是ABB公司開(kāi)發(fā)的優(yōu)質(zhì)離線編程軟件，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)構(gòu)建機(jī)器人焊接工作站，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，通過(guò)可視化的方法突破教學(xué)難點(diǎn)。以此為基礎(chǔ)，利用職業(yè)學(xué)校學(xué)生思維活躍，動(dòng)手能力強(qiáng)，好奇心強(qiáng)的特點(diǎn)，為信息化手段的教學(xué)實(shí)施提供了很好的前提條件。

2 工業(yè)機(jī)器人上創(chuàng)建工具坐標(biāo)系教學(xué)情況分析

2.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介

國(guó)際上工業(yè)機(jī)器人被定義為：“一種自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程、多功能的、多自由度的操作機(jī)。”根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，工業(yè)機(jī)器人可以分為直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人、球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人、平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人和并聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人。筆者認(rèn)為要使這些不同種類的機(jī)器人順利運(yùn)行最基本要求之一，就是正確建立工業(yè)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系。

2.2 工具坐標(biāo)系的教學(xué)過(guò)程分析

機(jī)器人工具坐標(biāo)TOOLDATA是指用于描述安裝在機(jī)器人第六軸上的工具的TCP（tool center point）、重量、重心等參數(shù)的數(shù)據(jù)。在機(jī)器人執(zhí)行程序時(shí)，本質(zhì)上就是將TCP移至編程位置，而程序中描述的位置和速度，就是TCP點(diǎn)在對(duì)應(yīng)工具坐標(biāo)中的位置和速度。

從以上論述可以看出，工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的概念抽象晦澀。中職學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱，工具坐標(biāo)系的概念對(duì)于學(xué)生而言，僅僅憑借數(shù)學(xué)推導(dǎo)或坐標(biāo)系變換是難以學(xué)習(xí)理解的。與之相矛盾的是，在今后學(xué)習(xí)機(jī)器人編程時(shí)，很多情況下建立機(jī)器人運(yùn)行軌跡，本質(zhì)上就是在工具坐標(biāo)系中創(chuàng)建目標(biāo)和路徑。

3 機(jī)器人工具坐標(biāo)系建立的教學(xué)策略

針對(duì)以上教學(xué)面對(duì)的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，以下重點(diǎn)就建立工具坐標(biāo)系兩大教學(xué)策略進(jìn)行分析。

⑴ 化繁為簡(jiǎn)，歸納總結(jié)，將理論性極強(qiáng)的概念簡(jiǎn)化為工程操作步驟。

這樣便于學(xué)生理解，操作簡(jiǎn)單易學(xué)。學(xué)生可以根據(jù)總結(jié)出來(lái)的工程式操作步驟自己動(dòng)手探究，為后續(xù)任務(wù)布置以及在RobotStudio仿真實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。例如，在講解機(jī)器人的工具坐標(biāo)系時(shí)，將上文工具坐標(biāo)系理論性概念描述為以下工程操作步驟，如下圖1所示。

圖1 TCP設(shè)定姿態(tài)示意圖

首先在機(jī)器人工作站合適的范圍內(nèi)找一不可移動(dòng)的尖點(diǎn)作為參考點(diǎn)；接著在安裝的工具上另找一個(gè)尖點(diǎn)；然后調(diào)整至手動(dòng)模式操縱機(jī)器人，移動(dòng)工具上的參考點(diǎn)至少以4種不同的姿態(tài)盡可能與固定點(diǎn)剛好碰上；最后機(jī)器人通過(guò)計(jì)算這4個(gè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，并保存在TOOLDATA程序數(shù)據(jù)中，等待被程序調(diào)用。采用簡(jiǎn)化的工程式步驟描述層次分明，直接簡(jiǎn)要地指出工具坐標(biāo)的定義及其建立過(guò)程，學(xué)生學(xué)習(xí)效果好。

⑵ 采用任務(wù)教學(xué)法，設(shè)置一個(gè)具體的工程任務(wù)，例如在點(diǎn)焊工作站中建立工具坐標(biāo)系，這樣可以使學(xué)生對(duì)于工具坐標(biāo)的理解和應(yīng)用更深入，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。在信息化軟件中設(shè)計(jì)具體工程任務(wù)，再次將抽象的概念形象化，便于學(xué)生理解。

教學(xué)中設(shè)置的任務(wù)是在點(diǎn)焊工作站完成焊接工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的建立。點(diǎn)焊在實(shí)際生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行白車身點(diǎn)焊，可以很大程度提高汽車生產(chǎn)線的產(chǎn)能、提高車身強(qiáng)度、降低不良率。工作站利用IRB6640機(jī)器人對(duì)汽車白車身進(jìn)行點(diǎn)焊操作，點(diǎn)焊工作站如圖2所示。

圖2 信息化平臺(tái)上的IRB6640機(jī)器人點(diǎn)焊工作站

在RobotStudio平臺(tái)，學(xué)生采用以下步驟建立工業(yè)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系。

（a）ABB菜單-手動(dòng)操縱-工具坐標(biāo)-新建tool1設(shè)定屬性后確定-“編輯”菜單“定義”-選擇TCP和Z、X,點(diǎn)數(shù)6-選擇合適的手動(dòng)操縱模式，如圖3所示。

圖3 六點(diǎn)法建立工具坐標(biāo)系

（b）操縱機(jī)器人工具參考點(diǎn)以不同的姿態(tài)靠近固定點(diǎn)，并示教器面板上依次操作“修改位置”按鈕。

（c）完成，對(duì)誤差進(jìn)行確認(rèn)。“編輯”菜單“更改值”，設(shè)定重量mass和重心cog數(shù)據(jù)。

（d）選擇重定位模式，坐標(biāo)系選工具，工具坐標(biāo)選tool1,操作機(jī)器人驗(yàn)證工具坐標(biāo)的精確程度。

教學(xué)過(guò)程中采用RobotStudio軟件，能將抽象的概念形象化。許多晦澀的坐標(biāo)系建立問(wèn)題借助該平臺(tái)軟件的演示和仿真也變得直觀、形象易于理解，大大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)的效果與效率。建立工具坐標(biāo)系tServoGun如下圖4所示。

圖4 工具坐標(biāo)系tServoGun

學(xué)生成功完成了在點(diǎn)焊工作站的機(jī)器人上正確建立了工具坐標(biāo)系的任務(wù)，如圖5所示。在學(xué)生完成任務(wù)的過(guò)程中，筆者注意記錄對(duì)每位學(xué)生的過(guò)程性評(píng)價(jià)。這樣，通過(guò)信息化輔助教學(xué)，多種手段，層層推進(jìn)教學(xué)重難點(diǎn)；通過(guò)練習(xí)拓展，循序漸進(jìn)，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)際解決問(wèn)題的能力。

圖5 點(diǎn)焊作業(yè)

在任務(wù)實(shí)施過(guò)程中，有幾個(gè)方面值得注意：

⑴ 在了解點(diǎn)焊系統(tǒng)配置與功能的基礎(chǔ)上完成任務(wù)。完成任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生需要自主調(diào)查，查找點(diǎn)焊作業(yè)的資料，這個(gè)過(guò)程可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

⑵ 采用上文中所介紹的工程步驟，在點(diǎn)焊焊槍上學(xué)習(xí)建立工具坐標(biāo)系。將理論知識(shí)用在工業(yè)生產(chǎn)中，加深對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用。

課堂中設(shè)置的教學(xué)任務(wù)的主要目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)正確建立工具坐標(biāo)系，并將其應(yīng)用于仿真工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。隨著任務(wù)的實(shí)施，使學(xué)生可以系統(tǒng)地解決建立工具坐標(biāo)系中的難點(diǎn)問(wèn)題。在完成任務(wù)的過(guò)程中，需要自主調(diào)查、查找資料。積極的學(xué)生反饋和學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)表明，工程仿真原型的加入對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)有顯著有效的影響。