焊接機器人實訓教學現狀分析

黃新然

（云南機電職業技術學院，云南 昆明 650201）

0 引言

焊接被稱為“工業裁縫”，是工業加工中最重要的一種加工方法[1]，廣泛應用于機械制造、航空航天、軌道交通、石油化工、船舶海洋及建筑等領域。全世界45%的鋼鐵和有色金屬需要通過焊接加工成為可以使用的產品，現代工業生產的各行業都離不開焊接。由于焊接過程中會產生電弧光、煙塵、金屬飛濺、噪音等危害，且工作強度大，近年來焊接人才持續快速流失。據統計，目前為止我國焊接方面崗位人才缺口超過300萬，未來5～10年我國將面臨焊接人才緊缺的狀況[2]。

隨著科學技術的發展，焊接從傳統的金屬構件連接和毛坯生產發展成為現代制造業中的一項基礎工藝和一種加工精確尺寸產品的生產手段，傳統的手工焊接已不能滿足現代工業產品對質量和數量的要求。焊接機器人可實現焊接自動化生產，可以提高焊接的準確性和可靠性，是21世紀先進制造技術的重要組成部分。工業機器人能夠長時間持續工作，應用焊接機器人進行焊接生產，可以代替人工從事焊接生產，并提升焊接生產效率。

目前，以智能制造為主導的工業機器人應用高速增長，廣泛應用于工業、醫療、軍事、科研及服務領域，焊接是工業機器人應用最多的領域之一，占到工業機器人整體應用的40%以上[3]。新形勢產生新崗位，焊接機器人編程、操控、維護等崗位應運而生。作為培養高技能應用型人才的高職院校，積極響應國家政策、發揮職業教育功能，開設焊接機器人應用相關專業和課程，培養滿足市場需求的焊接機器人專業應用型人才。

實訓教學是高職院校技能應用型人才培養的重要環節，實訓教學項目的合理設置及有效開展是技能應用型人才培養的關鍵。教育部《關于職業院校專業人才培養方案制訂與實施工作的指導意見》（教職成〔2019〕13號）強調職業院校要強化實踐環節，加強實踐性教學，實踐性教學學時原則上占總學時數50%以上。焊接機器人實訓課是高職院校焊接專業的專業必修課，作為先進焊接技術的代表，焊接機器人及其應用是焊接專業學生必須掌握的專業知識和技能，開設焊接專業的高職院校必須切實抓好焊接機器人實訓課的教學質量和效果。但通過教學實踐發現，目前焊接專業人才培養中存在焊接機器人實訓教學淪為理論教學、學生學習效果差、教學效果不理想、脫離復合型技術技能人才培養目標等問題。

1 焊接機器人實訓教學中存在的問題分析

實訓課程是理論知識向實際應用能力轉化的重要環節，是培養復合型技術技能人才的關鍵。在焊接機器人及其應用的教學中，必須重視實訓課程教學效果，通過實訓課程教學使學生真正掌握焊接機器人應用的能力，成為焊接機器人應用型人才。但在實際教學中，由于教學條件的限制，目前焊接機器人實訓課程淪為理論教學、學生的學習效果差，通過焊接機器人實訓課程的學習后，多數學生沒有掌握焊接機器人的應用能力，對焊接機器人的應用停留在會用層面，有少部分學生甚至在實訓課程期間從不進行機器人操作練習，難以達到專業人才培養方案中培養復合型技術技能人才的目標。因此，導致焊接機器人實訓課程教學出現上述問題的原因主要有以下幾點。

1.1 焊接機器人設備不足

焊接機器人設備昂貴，開設焊接機器人課程的學校通常配置1～2臺焊接機器人，用于30人教學班的實訓教學，焊接機器人設備數量嚴重缺乏。根據當前高職院校人才培養方案實踐課程設置情況，焊接機器人技能應用實訓課程約為50個學時，教學班學生人均使用機器人的時間不足3個學時（約120分鐘）。如圖1所示，設備不足導致學生在焊接機器人實訓課程中實際練習使用機器人的時間過短，不足以達到使學生掌握并能熟練操作焊接機器人的教學目標，學生對焊接機器人實訓課程的學習興趣較低，教學效果欠佳。對于沒有購置焊接機器人設備的學校，培養學生焊接機器人技能應用能力的實訓課程則停留在理論教學層面，以視頻演示和教師講解為主，焊接機器人實訓教學淪為形式。

1.2 缺乏理論到實操的過渡

購置有焊接機器人設備的院校，具備在理論教學之后可展焊接機器人技能應用的實訓課程的條件。通過理論課程的學習，學生初步了解焊接機器人的結構、原理及應用，但是理論層面的理解較抽象，在進行焊接機器人實操練習中容易出現不當操作，導致“撞槍”，而頻繁“撞槍”會使機器人的使用壽命降低，嚴重時可能損壞機器人。焊接機器人設備昂貴，需由專業人員進行維修和調試，為保護焊接機器人設備安全，在實訓安全教育中，教師會特別強調操作過程中禁止“撞槍”，部分學生因此產生畏懼心理，為避免操作失誤損壞設備選擇不動手、不操作，這嚴重影響教學效果。出現這個問題的根本原因在于焊接機器人技能應用實訓教學缺乏理論到實操的過渡環節。近年來，模擬仿真技術快速發展，學生在實際操作機器人之前進行焊接機器人模擬仿真練習，既可以保證設備安全，又可以增加理論到實踐的過渡環節，提高學生對焊接機器人實訓課的積極性。

1.3 實訓項目脫離生產實際的發展

高職院校人才培養的目標是培養與社會技術發展相適應，與時俱進的技術技能型人才。通過對上述兩個問題的分析可知，當前焊接機器人實訓課程教學因焊接機器人設備不足以及實訓項目缺乏理論到實踐的過渡環節而不能達到預期的教學目標，在有限的實訓設備條件下、有限的實訓教學時間內學生僅能掌握焊接機器人的基本操作和簡單程序的編制，不能掌握實際生產中復雜焊縫的編程及焊接工藝調試，無法適應現代焊接生產實際的需要，教學內容缺乏實際應用價值。

2 關于焊接機器人實訓教學的建議

引入焊接機器人模擬仿真教學可有效解決當前焊接機器人實訓教學面臨的問題。利用學校已有的機房資源，安裝焊接機器人模擬仿真軟件開展模擬仿真教學，不用增加設備投資即可解決焊接機器人實訓教學設備不足這個根本問題，改善教學效果，達到培養滿足現代焊接機器人生產需求的應用型技能人才的教學目標。

隨著工業機器人科學技術的發展，已有多種關于工業機器人應用的仿真軟件，這些仿真軟件可以進行機器人的模擬操作、軌跡運動以及離線編程。在焊接機器人的實訓教學中引入模擬仿真教學，學生在安裝有焊接機器人仿真軟件的計算機上即可進行焊接機器人的模擬操作、軌跡運動及離線編程練習，計算機機房一般配置50臺計算機，可以保證教學班所有同學同時進行仿真練習，從而有效解決焊接機器人設備不足的問題。

引入焊接機器人模擬仿真教學，學生在實際操作焊接機器人前，可以在模擬仿真軟件上全面了解機器人的構造原理、熟悉示教器的操作、進行手動操控機器人的模擬、進行焊接路徑的規劃以及熟悉焊接程序的編制，可有效避免學生在實際操作機器人的過程中的不當操作，同時也可克服學生對于操作重點稀有設備的恐懼心理，極大程度的激發學生大膽嘗試的積極性，是焊接機器人技能應用理論教學向實訓教學過渡的橋梁，可有效改善焊接機器人實訓課程教學效果。同時，通過引入焊接機器人模擬仿真實訓項目，學生在仿真軟件上進行焊接機器人的手動操作、軌跡運動及編程練習，在焊接機器人設備上進行復雜焊縫的編程練習以及焊接工藝調試練習，確保實訓項目能夠適應生產實際的需要。

3 Ro b o t Stu d io軟件在焊接機器人實訓教學中的應用

RobotStudio是ABB公司研發的機器人仿真軟件，通過該軟件可以構建焊接機器人工作站，對焊接機器人的運動軌跡進行離線編程和仿真測試等。將RobotStudio軟件安裝在學校現有機房的計算機上，開展焊接機器人模擬仿真實訓教學，每位學生可以單獨操作一臺模擬機器人，可大大提高生均使用機器人的學時，從而有效解決當前焊接機器人實訓教學中存在的設備短缺問題，提高焊接機器人實訓教學質量和效果，最大限度提高焊接機器人設備在提升學生焊接機器人應用技能方面的價值。

焊接機器人實訓的首要環節是焊接機器人基本認知，主要教學目標是熟悉焊接機器人示教器，能夠手動操作機器人。RobotStudio軟件中的虛擬示教器和真實示教器具有相同的界面顯示和操縱方法，利用該軟件進行焊接機器人基本認知的教學可以極大程度上解決焊接機器人設備不足的問題。除此之外，在仿真軟件進行焊接機器人認知實習，學生可以克服對使用重點稀有設備的恐懼心理，不用擔心操作失誤損壞設備，從而激發學生的學習積極性，大膽嘗試，有利于幫助學生全面掌握示教器的使用、熟練掌握焊接機器人的手動操縱。直線軌跡、圓弧軌跡及復雜路徑編程等項目也進行仿真練習，通過大量的模擬練習和操作，有助于學生熟悉弧焊機器人的編程要點，然后，再轉入真實焊接機器人的操作練習，并結合實驗室弧焊機器人實訓項目進行真實焊接操作，學習成效顯著增強。對于復雜焊縫的編程同樣可以利用RobotStudio軟件進行仿真練習，檢驗無誤后再轉入真實焊接機器人進行程序準確性及焊接工藝的驗證。

4 結語

通過引入RobotStudio焊接機器人仿真軟件進行焊接機器人實訓教學，利用RobotStudio仿真軟件搭建焊接機器人虛擬仿真工作站，可開展焊接機器人基本認知、可進行簡單及復雜軌跡編程練習，可有效解決當前焊接機器人實訓教學中存在的設備不足、缺乏理論到實踐的過渡、實訓項目脫離生產實際等問題，可有效提升焊接機器人實訓教學效果，培養符合生產實際需要的高技能應用型人才。