智能化汽車產線教培實訓系統構建的研究
——以長春汽車工業高等專科學校為例

■徐洪亮

（長春汽車工業高等專科學校，吉林 長春 130013）

自2012年長春汽車工業高等專科學校首開工業機器人技術專業，截至2018年,工業機器人技術專業在高職院校專業布點數達536個[1]；而在2020年1—12月，全國工業機器人完成產量為237068臺，同比增長19.1%；2020年12月，全國工業機器人完成產量為29706臺，同比增長32.4%[2]。通過上述數據，足見工業機器人技術領域培養人才之多，需求量之大。更由于工業機器人應用領域極為廣泛，無論汽車、高鐵等重工業，還是在電子、化工等輕工業，乃至食品加工業都有工業機器人的身影，由此工業機器人職業技能標準制定的重要性不言而喻。自2017年1月，機械工業職業技能鑒定中心制定《工業機器人操作調整工》《工業機器人裝調維修工》行業試運行標準開始，相繼出臺了一系列工業機器人技術方面的國家職業技能標準。此類標準的制定為工業機器人專業課程建設指明了方向，尤其《高等職業學校工業機器人專業教學標準》的制定，為工業機器人技術專業課程建設制定了框架、提供了規范，也為理實一體化教學的實訓系統提出了要求。

一、工業機器人教學實訓系統現狀

（一）標準統一、設備有別

1.規范一致、指導統一

《高等職業學校工業機器人技術專業教學標準》（簡稱《標準》）在第六、第七、第八項中給出了培養工業機器人技術專業學生的基礎性規范。其中包括：培養規格、課程設置及學時安排和教學基本條件。現將《標準》規范中對工業機器人教學實訓系統建設具有指導性的規范進行總結歸納。

（1）知識、技能培養

①知識培養。掌握工業機器人技術基礎、工業機器人編程、工業機器人輔具設計與制造的相關知識及工業機器人應用系統集成的相關知識，熟悉工業機器人典型應用及系統維護相關知識[3]。

②技能培養。能夠安裝調試工業機器人機械與電氣系統，能進行工業機器人應用系統電氣設計，能進行工業機器人應用系統三維模型構建，能使用視覺系統進行尺寸檢測與位置檢測等，能熟練對工業機器人進行現場編程與離線編程及仿真，能組件工控網絡與編寫基本人機界面程序，能按照工藝要求對工業機器人典型應用系統進行集成、編程、調試、運行和維護，能編寫工業機器人及應用系統技術文檔[3]。

（2）課程設置

專業課程一般包括專業基礎課程、專業核心課程、專業拓展課程，并涵蓋有關實踐性教學環節。《標準》指出，可以根據實際情況學校自主確定課程的具體名稱。與工業機器人本身相關的課程所涵蓋教學內容應包括：工業機器人技術基礎、工業機器人系統應用建模、工業機器人系統離線編程與仿真、工業機器人現場編程、工業機器人視覺技術及應用、工業機器人系統集成、工業機器人應用系統調試運行、工業機器人系統維護等[3]。專業核心課程主要教學內容如附表1所示。

附表1 專業核心課程及主要教學內容

2.實力差距、設備各異

經調研走訪長三角、珠三角以及東北等地區部分高等職業院校發現，目前各大職業院校工業機器人技術專業的課程體系建設存在一定差別，教學所用實訓系統的各個設備品牌、數量也有所不同，能夠實現的實訓工藝差別很大。造成這種差別的主要原因在于：各地經濟發展水平參差不齊，地方產業特色各異，工業機器人技術專業在各高職院校所占的比重不同，專業的積淀厚度不同。

以長三角地區為例，該地區輕工業與重工業發展均衡、速度迅猛，經濟極為發達，各省市企業高度重視智能產業的發展，工業產線多采用工業機器人作為執行機構，這為該地區工業機器人技術方面人才提供了便利的就業機遇。該地區各省市政府、企業高度重視智能產業的發展，以工業機器人技術為代表的智能制造類高職專業得以迅速發展，政府出政策，企業投資金、投設備，積極扶持高職院校建設智能制造職業教育基地。職業院校為反哺地方、助力企業發展，培養了大量企業所需的技術技能型人才，實現畢業即就業，就業即生產，打造校企無縫對接。

以浙江省為代表，政府、企業、院校合力協同，為該省高職院校工業機器人技術專業的發展提供了極大的助力。工業機器人技術專業所使用的實訓系統多以企業應用較為廣泛的KUKA、ABB、發那科等四家家族機器人為主要工學設備，所用的PLC控制系統則以西門子、三菱等國際品牌的新型號設備為主，國產機器人和控制系統為輔。實訓系統建設的過程中，以實訓教學的實際需求為依據，建設不同的實訓教室，保證完成工業機器人基礎教學、工業機器人工藝實訓、工業機器人系統集成和工業機器人維修維護，以及技能大賽。專業的實訓設備相對齊全，數量充足，能夠較好地為當地企業培養所需的技能人才。

而其他地區的高等職業院校，由于專業成立時間較短積淀不足，或院校投入有限等原因，導致其工業機器人技術專業實力相對薄弱。其工業機器人實訓系統多以國產工業機器人和國產PLC為主要教學設備，KUKA、ABB、發那科等機器人和新型西門子、三菱等PLC為輔助教學設備。其實訓項目基本以工業機器人基礎技能教學和簡單的搬運、碼垛等基礎工藝為主，難以實現其他的工藝實訓，貼近企業生產需求的工業級實訓更是無法實現。

（二）平臺相近、工藝單一

現代職業教育的快速發展，既有利于緩解當前社會就業壓力，又有助于解決高技能人才短缺。但是由于各地區職業院校工業機器人技術專業水平參差不齊，難以整體提高工業機器人技術人才培養質量。為加快培養國家發展急需的各類技術技能人才，強化供給、儲備新科技革命和產業變革所需的高素質復合型技術技能人才，推進新時代職業教育改革發展勢在必行。2019年國務院印發了《國家職業教育改革實施方案》（簡稱“職教20條”），為貫徹落實這一精神，拓寬技術技能人才持續成長通道，自2019年，啟動了職業院校、應用型本科高校“學歷證書+若干職業技能等級證書”制度試點（簡稱“1+X”證書制度試點）工作。

為助力“1+X”證書制度試點工作有序進行，以江蘇匯博、山東棟梁、華東數控等企業為主的機器人系統集成廠家，相應地推出了“1+X”工業機器人技術教學實訓系統，為各地區職業院校工業機器人技術專業水平穩步提升、培養高質量人才提供了有效的平臺。

各機器人系統集成廠家推出的設備雖然各有不同，但整體工藝流程相近，多以搬運、碼垛、裝配等工藝為主，其工藝相對單一，沒有設置標準中所規范的焊接（點焊、弧焊、激光焊）、涂膠等工藝。

以江蘇匯博機器人技術有限公司推出的“1+X”工業機器人技術系統集成教學實訓設備為例，此機器人工作站主要實現電機裝配工藝，該系統主要包括：ABB120型工業機器人、西門子1200型PLC、海康視覺采集系統、觸摸屏、電機裝配工具及相關配套裝配設備等（如圖1所示），以及“1+X”工業機器人技術系統集成Robot studio仿真平臺（如圖2所示）。

圖1 “1+X”工業機器人技術系統集成實訓設備

圖2 “1+X”工業機器人技術系統集成robotstudio仿真平臺

此“1+X”工業機器人技術系統集成教學實訓設備能夠滿足工業機器人技術基礎、工業機器人仿真、工業機器人現場編程、工業機器人視覺技術及應用、工業機器人裝配系統集成等教學培訓任務，但不能實現《標準》中要求的焊接、打磨、涂膠等工藝的教學任務，無法適用于汽車生產制造的焊裝、涂裝等核心技術。更由于本套工作站主要功能為機器人裝配工藝教學，《標準》中要求的機器人系統維修保養等技術技能任務無法保證開展施行。該系統雖然整體上推動了工業機器人技術專業發展水平，也在一度程度上解決了各高等職業院校工業機器人硬件水平參差不齊、教學內容千差萬別的問題，但是對于嚴格遵循《標準》，培養技術技能較為全面的工業機器人高素質人才而言，該系統仍有很大的改進空間。

（三）紅旗工廠汽車智能化生產制造現狀

吉林省作為中國汽車產業基地，汽車產業是吉林省傳統支柱產業，對地方經濟發展起著舉足輕重的作用。目前，一汽紅旗、一汽解放以及一汽大眾、一汽豐田等合資品牌汽車生產車間均以高度自動化、智能化、模塊化的工業設備新建與改造產線，在很大程度上，推動了汽車生產的智能化、無人化進程[4]。

通過對一汽集團各工廠的走訪調研，發現一汽紅旗工廠總裝車間采用數字化網聯：物流系統獲取現場生產信息，依據各工位需求選用部件，通過AGV車進行自動配送，利用機械手實現物料搬運或轉移；柔性節能的輸送系統自定位、主動跟隨、同步舉升RGV合裝輪胎裝配、玻璃涂膠設備、工業機器人與視覺采集系統協同配合，完成整車裝配；三維視覺采集系統監測與檢驗組裝完成的車體情況，整個車間基本實現生產無人化[5]。

不僅如此，數字化網聯應用于設備預測性維護、質量預測分析等方面，通過對現場數據的實時采集，技術人員可以了解各工位設備的工作情況，實現維護保養預警和遠程故障報警，及時維護維修設備；在生產過程中，了解各工位的生產情況，分析生產質量，便于及時糾錯、修復，如采用工業相機采集汽車焊縫檢測系統，實現對產線車輛部件焊縫尺寸的自動、精準檢測[6]。工廠內沖壓、焊裝、涂裝、總裝各車間、各工位的工藝數據，互聯互通，不僅有效地提升了生產效率、提高了產品質量，更大大降低了運維成本。

紅旗工廠智能化、無人化車間的推行，在一定程度上也降低了人工成本與風險，但從企業用人的長遠角度，是進一步推動了高技能、高素質的復合型人才培養的發展。

二、構建智能化汽車產線教學培訓實訓系統合理化建議

職業教育主動適應供給側結構性改革需要為大勢所趨，這要求高等職業院校培養人才具有服務地方經濟的方向性，制定的人才培養方案要具有傾向性，課程建設要具有針對性。結合一汽集團產業特色與筆者所在院校培養紅旗工匠的理念，以《高等職業學校工業機器人專業教學標準》指導為依據、紅旗工廠為藍本，圍繞沖壓、焊裝、涂裝、總裝整車四大工藝等核心技術，構建一套既適用于學校教學，又適合企業培訓的智能化汽車產線模擬系統，即紅旗汽車微型產線。此系統分為兩部分：智能化汽車產線教學培訓仿真實訓系統和智能化汽車產線教學培訓實體實訓系統，仿真系統完全呈現實體系統。由于仿真基于實體，因此在教學過程中可達到相輔相成的作用，而且在制作中降低成本，利于此系統在兄弟院校工業機器人技術專業的推行與實施，提升國內職業院校工業機器人技術專業整體發展水平，尤其對專業實力薄弱的院校，將受益良多。

（一）構建智能化汽車產線教學培訓仿真平臺建議

多數參與學習培訓的校內學生、企業學員雖然了解工業機器人在汽車行業應用較為廣泛，但在工業機器人技術方面的知識儲備幾乎為零。帶領學生、學員走訪企業現場逐一認識工業機器人技術的具體應用，不僅費時費力，還存在學員安全等隱患。智能化汽車產線教學培訓仿真實訓系統的設計、施用，將工業機器人在企業中的應用展現在學生、學員面前，使其后續的學習有的放矢。更重要的是能在保證工業機器人技術零基礎學員安全的前提，通過智能化汽車產線教學培訓仿真實訓系統學習工業機器人相關技術。

1.了解汽車工業生產流程、汽車生產四大核心工藝、機器人系統的組成、汽車產線工藝設備的構成、安全設備實施的必要性等。

2.實施工業機器人的基礎操作：工業機器人的布局，機器人的校準（零點校正），機器人TPC的設置，創建程序，編寫移動指令、邏輯指令程序。

3.繪制、測量工業機器人相關設備三維模型等。

4.模擬工業機器人拆裝：拆裝實體設備危險極高，仿真系統剖析相關設備的各個細節，學生、學員通過仿真了解各個設備的詳細構成及各部件的細節，并通過模擬安裝體驗真實的安裝過程，提升自身的拆裝技能。

通過智能化汽車產線教學培訓仿真實訓系統學習，仿真工業機器人搬運、裝配、碼垛、焊接、噴涂、裝配等典型工藝，編寫調試工業機器人典型工藝程序。其中，焊接、噴涂工藝危險系數較高，在沒有相應知識、技能儲備的前提下貿然從事，極易發生安全問題，而仿真不僅能夠保證新入手學習相關工藝人員的安全，更為后續學習實體夯實基礎，進而實現汽車生產實體系統的集成作業。

（二）構建智能化汽車產線教學培訓實體訓練技能方案

學生、學員在未來或當前工作中，使用的設備是實體而非虛擬，仿真系統只是為后續智能化汽車產線教學培訓實體實訓系統的教學奠定了基礎。學生、學員已有良好的知識儲備和一定程度上的技能儲備，在學習、訓練實體設備時，駕輕就熟，能更快地掌握實體設備的操作技能，提高學習、訓練的效率，快速提升自身技能。由于軟件仿真訓練與實體操作存在一定的差異性，仿真多是理想化，而實際的現場所面臨的情況更為復雜，增加了更多的不可預知性。通過實體操作訓練，學員不僅能夠鞏固仿真所學，了解真實的生產現場，更能夠熟練操作機器人及相關工藝設備，提升解決現場實際問題的能力。

1.ABB工業機器人基礎操作技能。（1）與仿真同，校準方法、編寫移動指令、邏輯指令程序、備份與還原方法等，但實體操作更為復雜；（2）與仿真異，工業機器人示教器操作、機器人點位示教、機器人TPC設置、創建程序等，如點位示教軟件中可以通過捕捉命令準確示教，而實操中卻需要學員通過熟練的操作手法和精準的眼力找到準確的點位。

2.工業機器人網絡安裝與配置技能。ABB工業機器人與西門子PLC控制單元、外圍傳感器、工藝設備（夾爪、吸盤、焊鉗、焊槍、膠槍、打磨機等）之間的連接與通訊等。

3.工藝設備使用和相關工藝參數調試技能。仿真結果多在誤差較大的問題，需現場試驗調整，直至可連續生產。

4.識讀、繪制電氣圖紙技能。

5.工業機器人維修、保養技能。熟悉維修保養中所用工具、元件、試劑等用品及使用方法，熟練操作流程。

仿真與實體訓練相結合，更利于學生理解、掌握工業機器人技術、汽車生產典型工藝及產線系統集成，為全面培養企業所需的高素質復合型技術技能人才提供了快速有效的平臺，助力于一汽集團智能化生產，為紅旗工廠培養一支能夠打造民族汽車品牌的中堅力量——紅旗工匠。

職業技能標準的制定，為工業機器人技術專業的人才培養指明了方向，為其課程體系建設制定了框架，為專業核心課程的建設提供了規范，但由于工業機器人在工業生產中作為執行機構，需遵從于工藝的實際需求，而各行業的標準又各有異同，培養工業機器人技術精湛、工藝掌握全面的技術人才難度極高，這背后需要技藝高超、能力全面的專業教師，配套齊全的工業機器人系統，更需要大量的教與學的時間成本，這在時間有限的核心專業課教學過程中并不可取。作為推動地方經濟發展、服務于地方產業發展的高等職業院校，培養人才時，需看主要、抓重點，有側重、有傾向，這不僅有利于學生掌握滿足地方企業需求、適合自身發展的技術技能，更是我們建設專業核心課程所應把握的要點，尤其作為服務于汽車領域的工業機器人技術專業，更應如此。