淺談高職院校工業機器人校內實訓基地建設

張明河，譚本軍，鄧建南

（張家界航空工業職業技術學院，湖南 張家界42700）

0 引言

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。高檔數控機床和機器人產業是“中國制造2025”戰略重點發展的十大領域之一[1]。高職院校作為技術技能型人才的重要供給側，是解決工業機器人行業人才結構性短缺的重要途徑之一[2]。全國職業院校專業設置管理與公共信息服務平臺網站數據顯示：截止2019年7月，工業機器人技術專業招生備案高職院校已達634所[3]。在該專業建設過程中，校內實訓基地的建設是關鍵問題之一。校內實訓基地的建設水平，直接影響專業人才培養的質量。因此，研究高職院校工業機器人專業校內實訓基地建設的總體思路及建設內容，并提供一種可行的建設案例供參考，具有重要的理論和實踐意義。

1 專業校內實訓基地建設總體思路

1.1 指導思想

高職院校工業機器人校內實訓基地建設，首先應服務國家制造業發展戰略?！爸袊圃?025”戰略明確將機器人產業列入重點發展領域，工業機器人技術專業的建設，包括實訓基地建設，勢必服務于該戰略。其次，該專業實訓基地建設應契合國家職業教育發展改革思路。2019年1月，國務院出臺的《國家職業教育改革實施方案》明確提出打造一批高水平實訓基地。因此，該專業校內實訓基地的建設，應當高度契合《國家職業教育改革實施方案》，體現該方案的思想。再次，該專業實訓基地建設應符合院校自身發展實際。工業機器人實訓基地建設，資金投入量大但辦學效益不一定高，因此各高職院校應結合自身發展實際來建設，切忌盲目貪多求新，好大喜功。

1.2 建設原則

高職院校工業機器人校內實訓基地建設，首先應遵循科學系統性原則[4]，即建設前應充分論證可行性，建設方案應科學合理，系統規范，杜絕“拍腦袋”式決策，杜絕“走一步看一步”式建設。其次，應遵循實用性原則，即實訓室建設應符合專業實踐教學的要求，符合專業人才培養方案的要求，符合學院自身辦學理念的要求，切忌華而不實，盲目追求設備和技術的先進性。最后，應遵循前瞻性原則，即充分考慮本校該專業的發展前景及行業發展趨勢，最大限度做到模塊化、數字化、網絡化建設，為后續系統升級改造做好技術儲備。

1.3 建設體系

高職院校工業機器人校內實訓基地建設中，技術基礎實訓室是基礎，虛擬仿真實訓室是潤滑劑，操作編程實訓室是紐帶，典型工程應用實訓室是核心，系統集成實訓室是升華，機器視覺實訓室是拓展[5]。在實際的建設過程中，應結合院校實際，分期分批建設，或將以上兩個功能密切聯系的實訓室合二為一，或依據辦學特色適當增添專業實訓室。

2 校內實訓基地建設具體思路和內容

2.1 建設具體目的、意義及思路

校內實訓基地、校外實習基地是高職工科學生實習實訓的兩大最主要的實訓場所。相對于校外實訓基地，校內實訓基地一般由高職院校投資興建，由專業師資使用、管理與維護，是專業建設的核心內容之一。工業機器人校內實訓基地建設，旨在服務人才培養方案，體現本校人才培養特色，加強學生動手實踐能力。本實訓基地的建設，除了功能工業機器人技術專業教育實訓外，還可以供機電一體化技術、電氣自動化技術、智能控制技術等電氣類專業的教學實訓；同時還可為相關專業教師從事科研工作提供支撐，為優秀學生參加各類機器人技能競賽提供實訓條件。此外，該校內實訓基地還可承擔招生宣傳、中小學生科普教育、城鎮下崗職工及農民工培訓等任務。本實訓基地的建設，在經費充足的情況下，力求科學、實用、完備，讓實訓環節貫穿于學生所需專業技能的各個環節，讓每門專業課都有實訓項目可開展，讓該專業每一位學生都有充分的時間親自實踐。工業機器人校內實訓基地至少應包括以下6類專業實訓室：工業機器人技術基礎實訓室、工業機器人虛擬仿真實訓室、工業機器人操作編程實訓室、工業機器人典型應用實訓室、工業機器人工作站系統集成實訓室、工業機器人視覺技術實訓室。各實訓室根據技能對應原則，分別用于培養學生某一方面的具體技能，對應1～2門專業課程。需要指出的是，以下各類實訓室，并不指實際建設時就是一間實訓教室。實訓基地內各實訓室集中統一管理，資源共享，分工協作，組成一個有機整體，共同完成各項任務。

2.2 各組成實訓室建設具體內容

一是工業機器人技術基礎實訓室。該實驗室應配備典型機電設備模型或實物、典型機構示教板、典型傳動示教裝置、常用機械零部件示教板和典型工業機器人機構模型等。該實訓室主要用于工業機器人導論課程，是所有專業課程的基礎。

二是工業機器人虛擬仿真實訓室。按照每班定額40名學生，再預留5臺左右備用，該實訓室應配備計算機至少45臺，另外配置教師用大屏臺式機一臺。同時配備投影儀、白板等并接入互聯網。配備工業機器人編程及仿真、工裝夾具機械設計、系統集成設計等相關軟件。在建設資金充足時，應盡可能提高計算機硬件配置。該實訓室主要用于工業機器人建模與虛擬仿真、工業機器人工裝夾具設計、工業機器人工作站系統集成等課程。該實訓室的投資相對較少但功能多，使用靈活，性價比高，是專業實訓基地的潤滑劑。

三是工業機器人操作編程實訓室每班分兩批輪流實訓，按照每小組3人，該實訓室配備典型的單體工業機器人和簡單的外圍輔助作業工具7～8套，用于工業機器人操作編程課程，訓練學生機器人的單機基本操作，如示教器操作，I/O配置、程序數據創建、軌跡規劃、基本程序編寫和調試等。此實訓室是培養學生動手實操能力的紐帶，是后續課程的基礎。

四是工業機器人典型應用實訓室。該實訓室應配備典型的工業機器人應用系統，包含工業機器人搬運、碼垛、裝配、弧焊、噴涂等。某些應用系統可以合并，如搬運與碼垛共用一臺機器人。限于實驗場地及經費投入，同時教學時可交叉實訓，每種應用系統可配置1～2套，提高設備利用率。為減少投資，一些輔助設備可以適當簡化，但應保證實訓師生的安全。該實訓室主要用于工業機器人典型應用，工業機器人工作站系統集成等核心專業課程。

五是工業機器人工作站系統集成實訓室該實訓室應配置各種典型的工業機器人工作站，如碼垛機器人、噴涂機器人、焊接機器人和分揀機器人等工作站。該實訓室主要用于工業機器人工作站系統集成，工業機器人系統維護等核心課程，學生可以學習工業機器人的系統成站技術，各種典型的作業工藝、典型的通信接口技術等。該實訓室可以與典型應用實訓室合并建設，每種應用系統可單獨占用一間實訓室，也可以獨立建設。

六是工業機器人視覺技術實訓室。該實訓室作為專業能力拓展的平臺，容易被忽視。該系統包括小型工業機器人、氣動夾具、光源、鏡頭、工業相機、計算機、標定板、圖像處理軟件、工業機器人編程軟件等。該實訓室一般與操作編程實訓室合并建設，也可獨立建設，主要用于工業機器人視覺技術、工業機器人工作站系統集成等課程。若與操作編程實訓室合并建設，則該實訓室同樣配備7～8套工業機器人視覺系統；若只配置視覺系統，不涉及工業機器人動作，因每個工位占地面積較小，則可以配置13～15套，每個工位不超過3人。

3 工業機器人實訓基地建設案例

工業機器人專業校內實訓基地在實際的建設中，往往受到招生規模、資金投入、師資力量等因素限制，難以一次性投入巨資完成上述6類專業實訓室建設。為保證該專業人才培養質量不打折扣，讓學生完成各類實訓課程，在專業開設初期，可以對實驗室建設方案做出適當調整，合并重組部分實訓室。提出一種經濟型建設方案，供相關高職院校參考。

3.1 方案概況

本方案是考慮到實訓基地建設經費有限、場地不足、招生不多等限制因素，分三期建設方案中的第一期方案。后續的第二期、第三期建設可視專業開設的具體情況，不斷優化調整，既避免一次性建設中因人才培養方案的大改動導致實訓室的整體改造，又可以充分考慮到行業技術發展趨勢。

該方案中涉及到的實訓室可稱為“工業機器人綜合技能實訓室”，建設方式為新建，由10套工業機器人綜合實訓工作站與相關組件以及配套資源組成，按照每班學員40名，每兩名學生共用一套系統，每班分兩批實操。同時配備投影儀或大屏觸控電腦、白板，講桌，并接入互聯網，教師可實現示范教學。項目直接經費預算207萬，為：設備采購每套約人民幣20萬元，運輸、安裝與調試每臺約5 000元，使用及維護初級培訓約每人次5 000元，4人次參與培訓。項目實訓室占地不低于80 m2，設置10個工位，并設計有前后門及安全通道。實訓室內配備煙霧報警裝置，并配備足夠數量滅火器。實訓室管理制度、安全操作規范、實訓指導教師崗位職責、學生實訓守則等規范文件需張貼于實訓室墻壁明顯位置。

3.2 工作站簡介

該工作站示意圖如圖1所示。其主體結構由方通支架和鋁合金導軌實訓臺面組成。臺面搭載有小型六軸工業機器人（ABB IRB1200）、分層送料機構、步進電機供料機構、矩形放料裝置、CNC模擬機構、視覺分揀定位系統、軌跡跟蹤區、工具坐標練習機構、工件坐標練習機構、氣缸模組、皮帶模組、PLC及觸摸屏控制系統、工控電腦及視覺檢測系統、安全防護裝置等構成。實際工作實訓中，根據需要搭載模組部件，除工業機器人外，其他模組均可拆卸。視覺分揀定位模組如圖2所示。

圖1 工業機器人綜合實訓工作站示意圖

圖2 視覺分揀定位模組示意圖

該工作站可以自由拆分組合，不同機構的配置輔以不同的配線，形成多種功能的教學實訓項目。整個工作站選用氣動元器件、真空組件、步進馬達、視覺控制單元等，結合PLC、觸摸屏形成聯動控制機制，各控制單元通過以太網實現網絡通訊。

利用本工作站，可以實現基本結構、基礎操作、參數配置、在線示教編程等項目的實訓；結合工具架、基礎實訓工作臺、綜合實訓工作臺可實現工具更換、復雜軌跡規劃及編程、典型工藝應用的綜合編程實訓；利用I/O及PLC實訓單元實現工業機器人系統集成實訓；利用視覺系統及自動化相關執行元件，可以完成視覺識別與抓取實訓。

3.3 工作站特點

本工作站的特點之一是高度集成。以小型工業機器人為主體，集成了視覺系統及自動化相關執行元件（氣缸、氣爪、真空組件、步進馬達）和控制元件（PLC、觸摸屏、視覺控制器等），并配備工控機，基本可以滿足工業機器人導論、建模與虛擬仿真、操作編程、典型應用，系統集成，機器視覺等課程的要求。其特點之二是模塊化設計。操作機臺為鋁合金槽板，可方便拆卸與安裝實訓所需部件。實訓平臺可拆裝組合，控制電路可自行接線，具有較高開放性和靈活性，適合于現場實訓教學。模塊出現故障，只需更換對應模塊，維修維護成本低。其特點之三是安全高效。該設備自帶線路保護裝置。線路保護裝置位于平臺下方柜體中，平臺正面設置有學生專用接線端口。保護裝置能有效的防止因學生接線錯誤而導致設備損毀。

4 工業機器校內實訓基地建設應注意的問題

4.1 科學規劃，量入為出

工業機器校內實訓基地建設，應科學規劃，量入為出，做到技術先進性與實用性的統一。建設中常出現的問題可能有：無建設總體規劃，“走一步看一步”式建設；因人才培養方案大的變動導致實訓基地建設方案搖擺不定；建設途中因經費或場地不足而被迫中途停工等。為避免類似問題出現，建設前應充分調研，充分考慮可能的未知因素，形成書面的報告并請專家組審議；建設的資金和場地，應通過學校黨政高層決議，并以書面文件作為依據，防止陷入空口無憑的尷尬境地。

4.2 以我為主，突出特色

工業機器校內實訓基地建設，投入經費動輒上百萬，被各利益方視為大蛋糕。在項目咨詢階段，各類科技教育企業、各供應商會敏銳嗅到商機，主動上門游說，提供所謂的“免費幫助”。這些企業或找到學校職能部門變相推銷，或以本公司的產品與服務為基礎推進方案。這時，方案決策者一定要保持定力，不受外界因素干擾，以專業需求為依據，突出學校特色，拿出一份科學合理的方案。

4.3 慎簽合約，管控過程

工業機器校內實訓基地建設，涉及到物資采購、技術服務等合作協議，有些院校甚至將建設項目完全外包，讓企業提供“交鑰匙”工程。對于物資采購協議，因工業機器人、視覺系統等設備一般是出廠標準產品，注意按照合同注明的技術參數詳細核對驗收即可。對于“交鑰匙”類協議，因校方在技術上處于劣勢，應該讓專業教師仔細審讀合同中的技術細節，明確技術規范，消除技術上的模糊點，避免施工中出現爭議。在實訓基地建設過程中，校方一定要有專人專責監管，確保施工有序進行，各項工序規范嚴謹，所用設備、材料質量安全可靠。

5 結束語

中國制造2025戰略已為工業機器人行業指明了發展方向。作為專業建設重要內容，高水平的實訓室對培養行業所需高質量技術技能人才，破解當前用工荒具有重要意義。提出的建設思路、建設內容及建設中應注意的問題，可供相關高職院校實訓基地建設提供決策咨詢；給出的一種經濟型建設案例，可供相關院校選用。