新工科背景下工業(yè)機器人實訓課程教學探索

程 靜，李開陽

（貴州裝備制造職業(yè)學院，551400，貴州貴陽）

國家先后制定并實施了“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，培養(yǎng)具有扎實知識儲備、工程實踐能力強、綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新能力強的工程技術人才。新工科以應對未來、塑造未來為理念,在人才培養(yǎng)目標上著眼于知識體系的綜合化和能力的全面發(fā)展[1]。機器人相關的新興學科，也被納入新工科建設范疇。為了適應國家新時代經(jīng)濟和新工科的發(fā)展，高等教育也逐步轉(zhuǎn)向培養(yǎng)能適應新技術、新產(chǎn)業(yè)和新模式的新工科人才[2-3]。

在新工科背景下，本文以機器人相關學科為基礎，以優(yōu)化工業(yè)機器人實訓課程教育教學改革為目標，應用以實例項目驅(qū)動的教學內(nèi)容設計方案、以能力培養(yǎng)為導向的課程考核評價體系和多形態(tài)的課程教學方法[4]，采用亞龍YL-1351L 型六自由度工業(yè)機器人實訓平臺，并依托貴州裝備制造職業(yè)學院工業(yè)機器人操作與運維“1+X”證書制度試點的優(yōu)質(zhì)資源，遵循理論到實踐、基礎到拓展的循序漸進過程，以基礎性、專業(yè)性和綜合性為原則，探討工業(yè)機器人實訓課程項目設計，以此期望提高學生的競爭力，為新工科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供思路[5]。

1 亞龍YL-1351L 型六自由度工業(yè)機器人實訓平臺的構(gòu)成及特點

實訓所用設備為亞龍YL-1351L 型六自由度工業(yè)機器人實訓平臺，如圖1 所示，該平臺是一套采用先進技術、能模擬實際工業(yè)生產(chǎn)中大量復雜控制過程的教學培訓裝置。涉及的技術知識包括工業(yè)機器人、PLC控制、觸摸屏、電氣技術、傳感器、氣動技術、機械技術、伺服驅(qū)動等。所用元件為ABB120 工業(yè)機器人、西門子可編程控制器（中央處理器模組）S7-1200 系列PLC、威綸通觸摸屏等，設備全部采用工業(yè)標準電氣設備進行安裝生產(chǎn)且為當今自動化主流設備。該設備能模擬由現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒W生學習的高仿真度的現(xiàn)場工作環(huán)境，培養(yǎng)學生的認知能力及學習能力，使學生一進入該領域即可快速適應現(xiàn)實中的生產(chǎn)物流環(huán)節(jié)，提高學生的競爭力。

圖1 實訓平臺

該實訓平臺由鋁合金導軌式實訓臺、自動生產(chǎn)線模塊、曲面TCP 實訓模塊、碼垛實訓模塊、涂膠實訓模塊、裝配實訓模塊、快換夾具模塊、工業(yè)機器人、電氣控制電路等9 部分組成。每站各有一套PLC 控制系統(tǒng)獨立控制，既可各自獨立動作，又可緊密相連形成一條自動線，完成零件的加工、檢測、安裝和入庫，因此，該平臺能夠為學生提供一個半開放式的學習環(huán)境。雖然各個組成單元的結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，但是設備的各個執(zhí)行機構(gòu)按照怎樣的流程運行、各單元之間如何配合、最終模擬怎樣的生產(chǎn)過程、整個流水線按怎樣的操作模式運轉(zhuǎn)等，都可根據(jù)自己的理解，運用所學理論知識，設計出PLC 控制程序，實現(xiàn)模擬流水線控制。整個系統(tǒng)基本涵蓋了加工、組裝、檢測工件直至倉儲的全部流程，體現(xiàn)了自動化生產(chǎn)線上物流、能量流和信息流的概念。利用該系統(tǒng)可以根據(jù)學生的實際情況從設計、裝配、編程、試運行、操作、維護和故障排除等多方面進行實訓。

2 基于新工科理念的工業(yè)機器人實訓課程

新工科背景下的高等教育培養(yǎng)目標是培養(yǎng)能適應新學科和新產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新人才，培養(yǎng)和提高學生創(chuàng)新和理論聯(lián)系實際的能力[6]。以先基礎后拓展技能的原則，將實訓課程教學內(nèi)容分為三個部分：一是機器人及實訓平臺拆裝及調(diào)試，二是機器人操作及維護，三是機器人和PLC 控制程序設計等綜合應用能力。

2.1 機器人及實訓平臺的機械及電氣拆裝調(diào)試實訓項目設計

項目實施為期一周。主要分成三個部分：一是硬件的安裝與調(diào)試，二是電氣安裝與調(diào)試，三是程序調(diào)試和應用。

（1）硬件的安裝與調(diào)試：工業(yè)機器人底座的安裝與調(diào)試技術，工業(yè)機器人安裝與調(diào)試技術，工業(yè)機器人自動換夾具安裝與調(diào)試技術，立體倉庫單元的安裝與調(diào)試，供料單元的安裝與調(diào)試，碼垛工作站的安裝與調(diào)試，涂膠工作站的安裝與調(diào)試，平面、曲面工作站安裝與調(diào)試，裝配工作站安裝與調(diào)試。

（2）電氣安裝與調(diào)試：工業(yè)機器人本體與控制器之間的電氣連接與調(diào)試技術，工業(yè)機器控制器和PLC 之間電氣連接與調(diào)試技術，工業(yè)機器人夾具電氣連接與調(diào)試技術，供料單元和輸送分揀單元上的傳感器安裝與調(diào)試。

（3）編程調(diào)試和應用：通過示教器對工業(yè)機器人運作過程的調(diào)試，通過觸摸屏I/O 板對機器人運作的控制。

學生通過分組實訓和競爭實訓，對工業(yè)機器人及實訓平臺的系統(tǒng)組成、工作原理、電控系統(tǒng)及各部分關聯(lián)運動都有了全面的了解，為后期的學習打下基礎，安裝工藝得到提升。

2.2 機器人操作及維護項目設計

項目實施為期二周。該實訓項目的設計目的主要是使學生基本了解編程系統(tǒng)和基本操作指令。

（1）工業(yè)機器人的基礎操作。安裝工業(yè)機器人編程調(diào)試軟件，認識機器人示教器，掌握機器人示教器按鍵功能，學習示教器的操作，了解示教界面顯示功能。

（2）工業(yè)機器人編程。學習簡單的I/O 分配，結(jié)合PLC 相關知識點對工業(yè)機器人進行簡單的編程，包括：快換夾具的編寫，工業(yè)機器人平面軌跡運行的編寫，工業(yè)機器人垂直軌跡運行的編寫，涂膠、碼垛運行的編寫。

（3）設備的維護和保養(yǎng)。能夠按照機器人操作規(guī)程對機器人進行安全檢查，根據(jù)系統(tǒng)的異常、機械故障進行簡單的維修和保養(yǎng)，工業(yè)機器人的日、周、月檢查與維護。

通過學習機器人基本操作和與外圍設備建立通訊連接、編寫程序，讓機器人實現(xiàn)預定運動軌跡功能，為綜合實訓奠定基礎。在實訓項目中，運動軌跡可編程操作是工業(yè)機器人綜合應用的基礎，通過實物學習工業(yè)機器人相關知識、設備和實用技能，是提高工業(yè)機器人應用能力的有效手段。通過實訓項目可以引導學生培養(yǎng)標準化編程思想，提升學生對工業(yè)機器人軟硬件資源的應用能力。

2.3 工業(yè)機器人綜合實訓項目設計

項目實施為期二周。學生在已經(jīng)學過PLC、變頻器、觸摸屏等理論課和實訓課程的基礎上，進行工業(yè)機器人綜合實訓課程的學習。

（1）工作站聯(lián)調(diào)。以生產(chǎn)和加工所需的完整工作站為應用背景，建立具有不同功能的機器人工作系統(tǒng)，如涂膠工作站、碼垛工作站、搬運工作站等，其目標是提高學生對機器人工作系統(tǒng)的認識，讓其熟悉外設工具選擇和機器人可編程控制等，進而培養(yǎng)學生對協(xié)作工業(yè)機器人綜合應用的能力。

（2）自動化生產(chǎn)線聯(lián)調(diào)。主要是完成自動生產(chǎn)線工作站，由工業(yè)機器人、PLC、供料單元、同步輸送帶、變頻器、觸摸屏、三相異步電機、碼垛工作臺等組成。三相異步電機側(cè)軸裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，便于電機閉環(huán)控制可精確定位物料的位置。工作時控制系統(tǒng)控制供料單元供料、推料至輸送帶，待物料輸送至輸送線末端時機器人進行物料分揀碼垛工作。該站主要用于模擬生產(chǎn)線的碼垛綜合應用，也可自由搭配作為模擬物流分揀工作站。

該實訓為學生提供了一個了解分析整條自動線的機會，使學生從中理解自動線上物流、能量流和信息流的形成，掌握自動線的工藝分析方法，體會多種機電技術在自動線設備上的綜合應用[7]。

3 結(jié)語

通過該實訓平臺，教學設計由淺入深、循序漸進，將工業(yè)機器人專業(yè)的多種技術進行了綜合應用，并采用了新工科背景下的實例項目設計教學模式，把繁雜的實訓過程變得清晰有序，學生通過不同工作過程的訓練，能夠融會貫通，掌握常見的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的裝調(diào)方法和基本維護知識。該實訓的工作任務訓練和小組協(xié)作的實訓方式，能較好地鍛煉操作者團隊的協(xié)作能力和安全意識。該實訓平臺突出強調(diào)技術的綜合運用，學生的專業(yè)技能提高明顯，在實訓教學中取得了較好的效果。隨著實訓課改的推進，將在當前方案的基礎上，利用該實訓平臺的開放性作進一步的實訓項目拓展，主要方向為多臺機器人協(xié)作、多種型號PLC 的工程應用訓練等，希望以此充分發(fā)揮該實訓平臺的實訓效能，進一步提升學生的創(chuàng)新能力。