工業機器人系統集成技術應用教學設計與實踐

許怡赦，王玉方，許孔聯

（湖南網絡工程職業學院 網絡技術系，湖南 長沙 410004）

針對日益增長的企業用工需求，全國開設工業機器人技術專業的高職院校在逐年增加，2014年、2015年、2016年分別為9所、45所、238所，2019年達到616所。與快速增加的學校數、學生數相比，各個院校該專業的辦學水平參差不齊。國內大多數高職院校工業機器人技術專業的開設年限為1～2年，且偏重課堂教學，課程內容及設置還不成熟，與實踐還有一定的差距；部分高職院校所開設的工業機器人實訓課程僅著眼于工業機器人認知及在線示教編程或離線仿真編程，滿足于工業機器人的基礎實訓；有些高職院校所開設的“工業機器人技術綜合實訓”課程則主要涉及不同功能的工業機器人工作站的認識、工具選擇、氣路電路設計、機器人程序編制、機器人與PLC通信等內容，缺少工業機器人工程應用相關的實訓課程。為了滿足企業對工業機器人技術專業復合型技術技能人才的需求，我校工業機器人技術專業較早開設了具有實踐性、綜合性和創新性特點的工業機器人系統集成技術應用課程，在第五學期鼓勵學生綜合利用大學一二年級所學相關理論知識，完成指定的工業機器人訓練任務和平臺改造任務，取得了較好的教學效果。

一、工業機器人系統集成技術應用平臺介紹

工業機器人系統集成技術應用平臺由工作臺、零件庫、SCARA機器人、環形裝配檢測機構、六軸工業機器人、視覺檢測裝置、成品庫、PLC和伺服驅動系統等組成（如圖1所示）。零件庫主要由儲料臺、安裝支架、按鈕底座、按鈕蓋、按鈕指示燈等組成，為零件提供放置平臺；SCARA機器人及其相關氣動夾具和電氣系統提供上料；環形裝配檢測機構主要由轉盤、安裝支架、氣動夾具、步進電機、減速機、檢測裝置組成，主要負責接收來自SCARA機器人的散件，將散件運送到裝配位置，同時將散件牢牢夾緊，防止在裝配過程中散件移動；六軸工業機器人主要負責將環形裝配檢測機構上的散件裝配成一個按鈕，根據檢測結果將按鈕分類放到按鈕成品庫中；視覺檢測裝置主要由安裝支架、攝像頭、控制器、光源等組成，攝像頭檢測按鈕裝配質量及顏色，并將結果送至控制系統；成品庫主要由儲料臺、安裝支架組成，用于盛放已裝配完成的按鈕，根據顏色和質量進行分類倉儲。

圖1 工業機器人系統集成技術應用平臺示意圖

二、訓練項目

按照教學目標，針對實訓平臺，設計由易到難三個訓練項目，即基礎項目、綜合項目和創新項目（表1）。

表1 工業機器人系統集成技術應用實訓項目

（一）基礎項目

基礎項目主要是使學生了解環形裝配檢測機構、視覺系統、SCARA機器人和六軸工業機器人機械結構、電氣原理，并進行編程與調試，強化學生動手能力鍛煉，以及加深學生對機器人基礎理論的理解。

1.環形裝配檢測機構編程與調試。該項目利用Can Link通信或者面板完成伺服驅動器參數配置，并與PLC進行Can Link通信；完成觸摸屏編寫、PLC控制程序編寫與調試。通過上位機實現轉盤的手動控制，即實現轉盤正轉點動、反轉點動、0°位置和180°位置尋址、電動機位置清零、電動機去使能、電動機停止等功能操作。

2.視覺系統編程與調試。該項目調整相機鏡頭焦距及亮度，使智能相機穩定、清晰地攝取圖像信號，在軟件中能夠實時清晰查看現場按鈕燈圖像；黃色按鈕燈為學習，獲取燈光顏色；將黃色按鈕燈放置轉盤180°處氣爪上，手動拍照，在軟件中能夠顯示該黃色燈的亮與滅，以驗證相機學習的正確性。

3.SCARA機器人上料編程與調試。該項目對SCARA機器人運動軌跡與程序流程進行規劃，并進行參數設置和示教編程，對按鈕燈組件完成自動上料操作。

4.六軸工業機人裝配編程與調試。該項目對六軸工業機器人運動軌跡與程序流程進行規劃，并進行參數設置和示教編程，對按鈕燈組件完成組裝和入庫操作。

（二）綜合項目

該項目綜合了基礎項目，實現了按鈕燈自動裝配與分揀。動作流程為：SCARA機器人從原料庫中抓取對應的紅色、黃色或藍色按鈕蓋和燈座組成部件，并將按鈕蓋和燈座組成部件放置在環形裝配檢測機構的固定位置；然后環形裝配檢測機構旋轉180°，到達六軸機器人的裝配檢測工位，六軸機器人進行按鈕蓋組裝；組裝完成后，供電機構給按鈕燈送電，同時通過視覺相機進行檢測并判斷按鈕燈顏色；視覺檢測完畢，供電機構停止送電，六軸機器人根據視覺相機的數據對按鈕燈進行分類，然后通過六軸機器人將按鈕燈搬入成品庫指定位置。學生經過SCARA機器人、六軸工業機器人、視覺系統及環形裝配檢測機構的編程，系統組態和聯網調試等技術細節，強化學生對系統的綜合裝調能力。

（三）創新項目

對圖1所示平臺的零件庫、成品庫、機器人末端夾具及轉盤的機械、電氣進行改造，模擬某公司多品種物料轉運碼垛智能工作站需要，實現七巧板分揀與拼接（圖2）。動作流程為：SCARA機器人從原料庫圖2（a）中抓取對應大小的紅色或黑色、三角板和正方形七巧板，并將按七巧板放置在環形裝配檢測機構的固定位置；然后環形裝配檢測機構旋轉180°，到達六軸機器人的下料工位，六軸機器人通過視覺相機進行檢測并判斷七巧板顏色；視覺檢測完畢，六軸機器人根據視覺相機的數據對七巧板進行分類，然后通過六軸機器人將七巧板搬入圖2（b）指定位置。根據公司生產改造任務，學生自行進行機械三維造型、系統布局和控制方案設計等，考查學生機械、電氣和控制技術背景綜合能力及創新開發能力，使學生既了解行業背景，又要會設計、成本計算和裝調，具備工程實踐能力，學到真本事。

圖2 七巧板分揀與拼接

三、工業機器人系統集成技術應用教學實施

（一）課前準備

教師在課前需要提前3天發布任務書、學習引導手冊，并發布相關的微課視頻、項目參考案例庫、機器人說明書等主要技術手冊。學生在收到教師下發的任務書后，根據學習引導手冊進行預習，了解任務要求，提前預習相關知識點。

（二）任務導入

教師引入藍思科技長沙經開區產業園招工難進行任務，引導學生討論企業大規模自動化改造升級，尤其是工業機器人大規模應用，進而引入七巧板自動分揀與拼接項目開發與應用的實用性和必要性，激發學生的學習興趣。

（三）任務分析

學生根據任務書要求進行分析。組長根據任務進行人員分工并設計工作流程，分析工作過程中需要應用的技術與專業軟件、需要計算的材料與成本，以及系統方案的設計思路等，并撰寫項目的可行性報告。

（四）任務實施

基于真實的工業機器人系統集成項目進行任務實施。教師扮演客戶角色，學生則按前述的要求扮演項目經理、設計員、安裝調試員、質檢員等，通過客戶與項目組的溝通和督促等，促進學生的學習和進度監控。

（五）任務評價

要求每組制作PPT進行分組匯報，教師進行客觀公正的點評，同時進行小組互評。教師要對每組的工作亮點提出表揚，對不足之處進行指正；其他組成員對匯報組進行打分評價，小組間可以互相學習，取長補短。

四、教學效果

在工業機器人系統集成技術應用課程中，基礎項目強化了學生對工業機器人和PLC的基礎編程技能，學生掌握程度較好；綜合項目考查了學生對工業機器人系統集成技術的應用綜合能力，對理論知識的理解和邏輯思維能力要求較高，大多學生難以完成，在教學過程中需要教師進行詳細的講解；創新項目是對現有平臺的改造，更是對學生創新開發能力和工程實踐能力的考驗，以小組分工的形式模擬完成公司員工的任務，不僅能學習專業課程知識，而且能了解工作崗位的實際情況和工程的實際狀態，做到學以致用，有助于學生在調研資料、設計方案、組內交流過程中擴展知識面，學會分析問題和解決問題，培養團隊意識。

結語

本文探索了具有實踐性、綜合性和創新性特點的工業機器人系統集成技術應用教學設計與實踐，主要目的是培養學生的工業機器人系統集成理論知識、專業技能、職業能力和創新素養。