基于“1+X”的工業機器人搬運教學案例設計*

許 偉 ， 羅明鳳 ， 蔣亞風

（四川工商職業技術學院，四川 成都 611830）

0 引言

為深入貫徹《國家職業教育改革實施方案》中關于在職業院校、應用型本科高校實施“1+X”制度試點工作要求[1]，提高工業機器人技術專業人才培養質量，向企業輸送優秀工業機器人技術技能人才，助力“中國智造”，四川工商職業技術學院于2019年積極申報并獲批成為“工業機器人應用編程”證書試點院校，密切聯合企業，共同研究與制定將證書培訓內容深度融入工業機器人技術專業現有課程體系的建設方案。

目前，搬運作業已發展成為了工業機器人應用最大的領域，廣泛地應用在汽車、食品、電子電氣、鑄造等行業，涉及的環節包括制造、加工、裝配、包裝、物流輸送、碼垛、倉儲等。采用工業機器人進行搬運工作，解放了人類雙手，改善了人們的工作環境；降低了運營成本，極大地提高了生產效率；安全可靠，降低了搬運過程中的產品損壞率；實現了柔性生產，保證了生產效益的最大化。

“1+X”證書“工業機器人應用編程”職業技能等級標準的初、中、高三級標準都對工業機器人搬運應用做了具體職業技能要求。其中，中級技能等級標準要求：能夠根據工作任務要求，編制工業機器人多工藝流程的搬運應用程序并能夠對程序進行調整和優化；能夠根據工作任務要求，實現搬運應用的虛擬仿真和離線編程與應用調試。

1 教學案例分析

教學案例以校內輕工智能線為綜合教學設備，輕工智能線的整體布局如圖1所示。

圖1 輕工智能線的整體布局圖

1.1 輕工智能線簡介

輕工智能線主要用于物料的檢測、分類等。例如，可實現不同顏色的豆子、瓜子的檢測、分類，以及相關數量的統計。產線具備智能化的生產制造SCADA系統，具備物料跟蹤識別功能，能夠實現對現場設備的實時數據采集和對設備的遠程控制。輕工智能線主要由操作站、備料區、上料盒單元、投料單元、視覺檢測單元、執行單元、空托盤放置單元、堆垛單元、分揀單元等組成，總體結構效果如圖2所示。

圖2 總體結構效果

1.2 搬運案例分析

輕工智能線是綜合教學設備，涵蓋了機器人編程與仿真技術、PLC與觸摸屏應用技術、伺服驅動技術、機器視覺技術、氣動技術、MES應用技術等應用技術。搬運案例主要用于工業機器人技術專業大二第一學期工業機器人現場編程與調試課程教學，而PLC與觸摸屏應用技術、伺服驅動技術等課程還未學習。因此，搬運案例主要以機器人現場編程與調試為教學中心任務，主要涉及產線中的執行單元、視覺檢測單元、異常處理單元、空托盤放置單元、堆垛單元、分揀單元。

執行單元采用ABB IRB1200型工業機器人，負載7 kg，工作范圍900 mm，能夠勝任搬運料盒和托盤的工作。為提高機器人編程效率，減少示教點，綜合成本等，在機器人夾爪上安裝了漫反射型光電開關，其檢測距離為5 cm。

用于分揀的物料選用豆子，球形，重5 g，有紅、黃、綠、藍4種顏色。盛放豆子的料盒有大小料盒兩種規格，小料盒的長寬高為100 mm×100 mm×50 mm，大料盒的長寬高為200 mm×100 mm×50 mm；盛放料盒的托盤為長方體，中間安放了便于機器人抓取的固定件，長寬高為260 mm×260 mm×20 mm，分別可以盛放4個小料盒，2個大料盒。

訂單產生后，上料盒單元工作，輸送料盒；進入投料單元，投放訂單所要求顏色及重量的豆子；進入視覺檢測單元，檢測是否是訂單要求的物料，主要檢測豆子顏色，如果豆子顏色錯誤或有其他顏色的豆子，機器人將盛放豆子的料盒搬運至異常處理單元，后回到工作原點等待；如果視覺檢測結果符合訂單顏色要求，機器人搬運料盒放入托盤；待托盤已滿或符合訂單要求的重量時，機器人搬運堆垛單元，堆垛單元繼續將托盤運送至分揀單元，根據系統設置，分揀出庫。

2 搬運案例知識、技能、素質目標

搬運案例對標工業機器人專業的國家專業教學標準[2]，結合工業機器人系統操作員國家職業標準中的中級工、高級工對工業機器人系統操作與編程調試方面的要求，依據“1+X”證書“工業機器人應用編程”中級職業技能等級標準中對機器人搬運作業的系統參數設置、系統編程、系統離線編程與測試等技能方面的要求，貫徹執行國家要求將思政教育貫徹教學全過程的有關政策[3-4]，優化出課政融通的知識、技能、素質目標，具體如下。

1）知識目標：①描述輕工智能線系統整體框架及工作流程；②概述機器人規范操作章程和實驗室“7S”管理標準；③歸納工具、工件坐標系設置與修改方法；④闡明I/O信號配置過程；⑤分類、選用工業機器人編程指令；⑥總結機器人程序的示教編程與調試步驟；⑦運用編程指令進行搬運作業程序的編寫與調試；⑧學會利用機器人仿真軟件進行離線編程與動畫仿真。

2）技能目標：①能看懂工業機器人技術手冊等資料；②能完成機器人夾爪、傳感器的安裝及接線任務；③能根據工藝要求，熟練操作機器人進行工具、工件坐標設置以及I/O信號配置等系統設置；④能根據工藝流程，靈活運用機器人指令，熟練操作機器人進行搬運任務示教編程與調試；⑤能進一步完善優化程序；⑥能運用機器人仿真軟件完成動畫仿真、離線編程和在線編程。

3）素質目標（含思政）：①激發民族自豪感，增強職業認同，將個人成長與國家發展相統一，勇擔中華民族偉大復興的重擔；②逐步養成吃苦耐勞、專心致志、求真務實、精益求精的工匠精神；③激發潛能，能運用相關的專業知識、方法和技能解決工作和學習中的實際問題；④樹立忠于職守、愛崗敬業、團隊協作、開拓創新的職業道德；⑤樹立標準意識、綠色意識、責任意識，養成文明生產、規范操作的職業素養。

3 教學設計

基于成果導向（OBE）教育理念設計以學生為中心的教學任務[5]，實施“理虛實”一體化教學，實現對教學案例的知識、技能、素質目標的達成。將搬運案例分解為輕工智能線認知、機器人夾爪系統的安裝與調試、機器人搬運程序編寫與調試3個任務，共16學時。

3.1 輕工智能線認知

任務1輕工智能線認知，設置2學時，從硬件和軟件兩個方向認識輕工智能線，掌握系統框架，熟悉工藝流程，拓展對智能線的認知，增強民族自信，加強學生的職業認同，為后續安裝與調試、示教編程以及思政教育奠定基礎。

3.2 機器人夾爪系統的安裝與調試

任務2機器人夾爪系統的安裝與調試，設置4學時，設計夾具工作原理、結構、選用、安裝調試以及光電傳感器工作原理與安裝調試兩個子任務，拓展智能抓取搬運設計能力，強化理論指導實踐，知行合一，注重團隊協作、規范操作等職業素養的培養。

3.3 機器人搬運程序編寫與調試

任務3機器人搬運程序編寫與調試，設置10學時，分解為工藝路線構建與優化（2學時）、機器人參數設置與信號配置（2學時）、料盒搬運程序編寫與調試（2學時）、托盤智能抓取程序編寫與調試（2學時）、系統聯調與優化（2學時），采用“理論指導+虛擬仿真+實踐操作”一體化教學，層層遞進，全程融入工匠精神、職業素養與道德教育，解決教學重難點，實現對教學目標的高度達成。

基于學生學習習慣，采用線上線下混合教學模式，設置課前知識準備、課中實踐強化、課后拓展拔高3個教學環節。課前，使用學習通等信息化手段，發布課程任務、討論及測試題，了解學情，實時更新并調整課中教學任務；課中，采用“評—引—思—學—練—評”教學流程，以學生為中心，引導學生學習，強化實踐，促成良好職業素養和工匠精神的養成，并借助信息化工具做好過程性評價，記錄學生學習數據；課后，通過學習通發布拓展拔高任務，學生可借助虛擬仿真軟件或開放實驗室完成拓展拔高任務，通過學習通等信息化平臺上傳作業或尋求幫助指導，便于教師及時掌握學情，調整下一次課程教學計劃，最終形成基于成果導向（OBE）教育理念的閉環教學設計。

4 教學評價

教學評價基于信息化手段，采用自我評價、小組評價（組內及組間）和總結性評價（教師）相結合的綜合評價體系[6]。其中，總結性評價側重過程性評價，借鑒“1+X”證書“工業機器人應用編程”職業技能等級考核標準和工業機器人系統操作員國家職業資格考核標準，將職業素養和工匠精神納入評價范圍，依托內嵌實操數據采集的輕工仿真產線軟件、學習通、教學攝像機等信息化手段，全程支撐過程性評價。

5 結語

實踐表明，基于“1+X”的工業機器人搬運教學案例設計，提升了教學的針對性。實施“理虛實”一體化教學模式和基于信息化手段的多元教學評價，充分發揮了學生作為課堂主角的作用，積極調動了學生的主觀能動性，實現了理論與實踐的辯證統一，較好地實現知識、技能及素質目標的達成，為學生學習后續課程、參加“1+X”技能等級考核及就業奠定了堅實基礎。