工業機器人編程與操作實訓教學探索

黃桂琴 姚永玉 李素芳

摘? 要 論述工業機器人編程與操作實訓課程的教學現狀、實訓內容的選定、實訓教學的組織與實施，在實施過程中采用項目式教學和“學做教”一體化教學相將結合的教學方法，使學生在項目中熟悉在線編程的步驟與指令系統，掌握示教盒的各功能鍵、機器人與其他設備的協同工作等相關操作，以培養學生的動手能力，使其盡快融入相關企業。

關鍵詞 工業機器人;實踐教學;編程;實訓設備;教材

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）10-0127-03

Abstract Discussing the current teaching status of training of Indus-trial Robot Programming and Operation， and the selection of the xtraining content， the passage states the organization and implemen-tation of the course. Project-based teaching mode and “learn to teach”，a combined teaching method would be applied in the teaching prac-tice， which makes students more familiar with the steps of online programming and instruction system in the project， getting the point of the function keys of the teaching box， the collaborative operation between robots and other devices， and operations like that. The pur-pose is to cultivate students practical ability so that they can be integrated into related enterprises as soon as possible.

Key words industrial robot; practical teaching; programming; experiment equipments; textbook

1 前言

我國已經成為世界的制造業中心，國內裝備制造業正處于由傳統裝備向先進制造裝備轉型時期，用機器人技術改造傳統產業，是提高企業市場競爭力的有效方法之一[1]。對于應用型高校，為國家培養工業機器人應用技術型人才的任務十分緊迫。近年來，很多應用型高校已開設機器人相關專業，或者開設相關課程，并購買了不同類型的機器人實驗設備。但作為新開課程，部分教師還缺少相關的教學經驗，不能形成符合應用型高校培養特點的教學方法。因此，對這門課程進行教學內容和教學方法的探索是十分必要的。

2 課程教學現狀及存在的主要問題

教學現狀? 作為應用型本科，學生的培養目標是既要有一定的理論知識，還要有較強的動手能力。機器人應用技術和機器人編程與操作訓練是機械電子工程專業的專業方向特色課程，也是工程實踐性很強的課程，在強化學生專業知識、培養學生動手能力、提高綜合運用所學知識和技能去對接工作實際需求等方面，發揮著重要作用。洛陽理工學院機械學院機器人應用技術課程開在第七學期，通過理論學習，學生需要了解工業機器人運動學、動力學的基本概念，掌握機器人本體基本結構和控制系統的構成，了解機器人軌跡規劃和關節插補的基本概念與機器人編程語言，了解工業機器人工作站及生產線的基本組成和特點等理論知識[2]。

理論課結束后，開始工業機器人編程與操作訓練，為期一周，針對學院設備開展實際操作訓練。

存在的主要問題

1）缺乏適合的教材。應用型本科院校以本科教育為主，面向區域經濟社會，以學科為依托，以應用型專業教育為基礎，以社會人才需求為導向，培養高層次應用型人才，要求學生掌握本專業相關技術，具有較強的實踐能力。現有的工業機器人相關教材，有的偏重理論講解，有的流于產品說明或用戶指南[3]，而真正合適的教材應是內容與設備類型匹配。目前市面上還沒有和學院的實驗設備類型完全匹配的教材，選用的教材在實際使用過程中需要對部分內容進行刪減和相應補充，給教學帶來諸多不便。

2）實訓設備偏少。目前的工業機器人產品缺乏規范性，品牌繁雜且互不兼容，開放程度較低。因此，如何選擇具體的工業機器人進行實踐教學，也是應用型高校面臨的一個難題。而且機器人造價不菲，受資金和場地等條件的制約，構建專門的機器人實驗室成本過高，造成目前這門課程的實踐條件缺乏[3]。洛陽理工學院機械學院雖有幾種工業機器人，但臺套數偏少，實踐環節難以實現人人熟練掌握。

3）教師缺乏工業機器人應用技能的實踐經驗，教學方法單一。實際操作的教師應該具有一定的實際操作工藝應用經驗，而目前國內工業機器人產業仍處在發展初期，專業教學教師嚴重缺乏。只能是學校現有的教師通過短期培訓，再加上自己利用空余時間不斷地去操作訓練，上課時才可以邊講解邊演示，處理突發問題的能力有限，讓學生自由探索的機會偏少。

3 實訓內容的選擇與項目設計

實訓內容的選擇? 將培養學生的綜合素質和創新能力作為培養核心，在加強學生對基礎理論知識理解的同時，更注重培養學生的實際動手能力和創新能力[3]。洛陽理工學院機械學院在專業建設初期，對不同企業工業機器人的應用類型進行了調研，在經費與場地有限的情況下，購買了兩臺固高的GRB3014A四自由度直角坐標機械手，兩臺新松的SRT10C 6自由度機器人，一套由兩臺6自由度碼垛機器人、一臺傳送裝置和一個儲物架組成的小型工作站，一臺深圳優旺特自動搬運車（AGV），再加上其他部門的可供參觀的設備，基本可以滿足學生對工業機器人多品種應用方面的練習和了解。

同時，根據機器人編程與操作訓練的教學大綱要求，進行教學設計。實訓一共設計五個大項目的教學環節：四自由度直角坐標機械手，6自由度機器人編程與操作，碼垛編程與操作及機器人協同工作，自動搬運車（AGV）編程與操作，認識不同用途的工業機器人。每個項目下又分為若干個任務，任務難度逐漸增加，將學生需要掌握的知識與技能融入其中，并與生產實際相結合，保證教學知識與技能的針對性和實用性。為保證教學的順利進行，針對這些設備，根據設計好的項目編寫《工業機器人編程與操作實訓教程》作為內部教材，學生練起來有了指導依據，也解決了缺乏合適教材的問題。

實訓項目任務設計? 根據現有實驗設備，設計小項目及任務。

1）四自由度直角坐標機械手。其中小項目有單軸點位運動控制、單軸PT運動控制、單軸PVT運動控制和多軸插補運動控制，分別從點位控制、連續軌跡控制和同步控制這三種運動控制著手，從易到難實現應用，讓學生理解點位運動等相關概念，掌握運動控制實現方法和各個參數的含義及設置。

2）6自由度機器人編程與操作。其中小項目有機器人系統基本介紹、直線運動軌跡的編程與執行、圓弧運動軌跡的編程與執行、不同軌跡間連接方法的編程與執行。在這些項目中熟悉在線編程的步驟、方法與指令系統，掌握示教盒的各功能鍵和利用報警信息發現解決現場問題。

3）碼垛編程與操作及機器人協同工作。其中小項目有碼垛機器人操作、機器人及傳輸線I/O口的分配分析、1號機器人作業編程、1號后臺作業即傳輸線作業編程、2號機器人作業編程。通過這些項目學習碼垛子程序的應用，各設備間輸入輸出信號的匹配，機器人與其他設備協同工作的相關操作與編程，如何防止各機器人間及機器人與其他設備間發生干涉而產生重大事故。

4）自動搬運車（AGV）編程與操作。在地上鋪設軌道，軌道上設置五個節點，每位學生在節點設置不同的動作，編寫程序并執行。通過此項目學習AGV的動作、相關操作、編程方法與應用，為AGV小車與其他設備協同工作做好準備。

5）參觀學習機器人學院不同類型工業機器人工作站及流水線。應用六自由度機器人的工作站有沖床上下料工作站、數控機床上下料工作站、打磨工作站夾持工件、焊接機器人工作站及大型碼垛機器人。流水線是光機電一體化機器人彩色小球分裝流水線，該線中有SCARA機器人和直角坐標機器人傳遞工件，有視覺機器人檢測工件、Delta機器人分揀工件，多種機器人的結構原理不同，在生產線中作用不同。通過此項目認識到生產中的哪些問題可以用工業機器人解決，如何選擇不同類型的工業機器人，使理論學習與生產實際結合更緊密。

這樣設計教學項目，把所有設備都充分利用起來，能夠盡可能地擴大學生視野。

4 教學組織與實施

組織形式? 在“學做教”一體化教學過程中，以項目（任務）化實訓法[4]中的項目任務為驅動，以工作過程導向為主要教學方法[5]，以協作團隊的形式，把學生分成若干小組，每個小組選一個組長，可以一人操作時，其余人在旁邊觀摩并互相學習。為防止安全隱患和便于學生觀摩學習，每組人數不宜太多。教師在教大家時重點把組長教會，組長在練習時，組員再次觀摩學習，再由組長指導組員、組員指導組員，本組指導好的可以指導下一組，每人有一次學、做與教的機會。每人在操作時會出現不同的狀況，小組成員共同協商，找出解決辦法;解決不了找教師，教師也解決不了的咨詢廠家。這樣不僅可以鍛煉學生通過自主學習、協作學習和指導學習的方式掌握課程必備的理論知識和技能，也能提高學生學習積極性和團隊協作能力，以及分析、解決問題的能力，從而進一步培養學生的創新意識。對于教師教學相長，提高也更快。

實施方案

第一步，先對學生進行分組，每五人一組，選一組長，然后給每個小組分配項目任務。根據任務引導學生思考在已有知識的基礎上如何往下一步開展，自主提出解決方案，教師和學生一起討論方案的可行性，指出存在的問題。

第二步，教師編寫示教程序并運行，發現問題后，結合報警提示，分析問題出現的原因，并找出解決問題的辦法。

第三步，在保證安全的前提下，鼓勵學生動手嘗試，最后展開討論，總結問題與收獲。

通過這個過程，學生的自我學習、探索和動手能力可以得到有效培養[3]。

同時，為克服設備偏少的問題，在方案實施過程中有兩個教師分別講解演示。前四個項目講完后，所有組均可開始自己的項目。每組完成一個項目后，可以輪流到下一項目。這樣設備同時開啟，學生可以有更多的練習機會，但教師的指導難度加大，教師要在此之前熟悉所有設備并充分準備，以應對出現不同的問題。

5 結語

洛陽理工學院機械學院機器人項目式教學和“學做教”一體化教學相結合的教學方法，已應用于16級的四個班，教學效果良好。學院準備將此經驗用于后續更多班級的教學中，進一步驗證其優越性。同時需要根據教學過程中存在的一些問題，如工位不足、項目較少、任務單一等，進行逐一改進，并不斷提升教師的實際應用水平，以更好地服務于教學。

教學改革是一個與時俱進的過程。隨著學院新機房西門子UG軟件的安裝和智能制造生產線的建成，逐步把工業機器人的離線編程，機器人在智能制造生產線中與立體倉庫、數控機床、3D打印等設備協同工作等內容加入實訓中，堅持在以后的教學過程中不斷改進和完善，更好地培養出符合社會發展特點、適合生產實際需求的人才。

參考文獻

[1]周冬妮，王睫.“工業機器人操作與編程”一體化教學改革與實踐[J].求知導刊，2018（33）：115-116.

[2]于楚泓.《工業機器人技術》課程教學改革探索[J].科技風，2017（8）：54.

[3]黎萍，劉保軍，于楚泓.《工業機器人技術》課程教學改革[J].教育教學論壇，2018（25）：74-75.

[4]吳放.基于工作過程的工業機器人技術信息化教學的探索[J].信息周刊，2018（6）：27.

[5]劉小斐，郝巧梅，賀長春.基于過程導向的工業機器人操作與編程課程開發與實踐[J].現代職業教育，2017（30）：

158-159.