高職院校理實(shí)一體的“機(jī)器人焊接工藝技術(shù)”課程探索與實(shí)踐

劉雙耀 程文鋒 王偉春 魯亞楠

浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江杭州 310000

理實(shí)一體教學(xué)主要是以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融為一體的教學(xué)模式[1]。“機(jī)器人焊接工藝技術(shù)”課程是工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的焊接機(jī)器人分方向的專業(yè)核心課程，其理論和實(shí)踐在教學(xué)中相互依托。

在之前的教學(xué)中，“機(jī)器人焊接工藝技術(shù)”課程主要是以理論課程為主。目前，基于新的實(shí)訓(xùn)室條件，打破傳統(tǒng)的授課模式，實(shí)現(xiàn)“理實(shí)一體化”引入課堂教學(xué)，提高學(xué)生的理論與實(shí)踐動手能力，結(jié)合機(jī)器人焊接技術(shù)，使學(xué)生在第一時(shí)間學(xué)習(xí)到新技術(shù)、新方法、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也進(jìn)一步提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與積極性[2]。

理實(shí)一體教學(xué)通過項(xiàng)目式教學(xué)，開拓了學(xué)生和教師的思路，突出學(xué)生的個性發(fā)展，增強(qiáng)學(xué)生的競爭意識，也可以鍛煉學(xué)生在團(tuán)隊(duì)合作中與他人交流的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[3]。

1 課程分析與學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件

1.1 課程分析

“機(jī)器人焊接工藝技術(shù)”是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)焊接機(jī)器人方向的一門必修的技術(shù)專業(yè)課。本課程根據(jù)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)(焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)方向)需要而設(shè)，目的是提高學(xué)生職業(yè)能力。其總體設(shè)計(jì)思路是以“理論教學(xué)+能力訓(xùn)練”為主要特征的專業(yè)課程教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容反映職業(yè)崗位能力要求；教學(xué)中注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，注重從理論與實(shí)踐結(jié)合的角度闡明基本理論及應(yīng)用。教學(xué)中注意反映知識的先進(jìn)性，結(jié)合機(jī)器人焊接技術(shù)，使學(xué)生在第一時(shí)間學(xué)習(xí)到新技術(shù)、新方法、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)注意學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本課程開設(shè)在大二下學(xué)期，主要內(nèi)容包括：熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝、焊接設(shè)備、機(jī)器人操作基礎(chǔ)知識、焊接機(jī)器人編程指令及參數(shù)、焊接機(jī)器人編程案例、機(jī)器人點(diǎn)焊基礎(chǔ)知識及編程、機(jī)器人焊接缺陷及優(yōu)化，任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)器人焊接工藝、焊接缺陷及機(jī)器人編程應(yīng)用及其優(yōu)化，具備應(yīng)用機(jī)器人焊接工藝知識完成焊件的編程工作，并提升學(xué)生的機(jī)器人焊接工藝水平，為今后從事實(shí)際工作和打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。

1.2 學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件

學(xué)校實(shí)訓(xùn)室的ABB工業(yè)機(jī)器人焊接工作站，主要由ABB機(jī)器人(型號為IRB1520ID)、機(jī)器人控制柜、福尼斯焊機(jī)、焊槍(TBI)(含防碰撞傳感器)、清槍剪絲裝置、焊接工作臺、抽排煙設(shè)備等組成。

2 課堂教學(xué)實(shí)施過程(仿真模擬教學(xué)實(shí)施)

本課程目前是以實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的設(shè)備ABB、KUKA機(jī)器人和福尼斯焊機(jī)工作站，通過講解工作站焊接工藝知識、機(jī)器人焊接工作站主要設(shè)備、機(jī)器人與焊機(jī)通信、機(jī)器人焊接指令及機(jī)器人案例編程，完成由易到難的焊接編程案例，使學(xué)生掌握整個工作站集成所需要的焊接工藝知識、機(jī)器人及其周邊附屬設(shè)備基本知識、機(jī)器人與焊機(jī)主流通信方式及配置方法、焊接機(jī)器人編程知識，包括離線編程和再現(xiàn)編程的方法，使學(xué)生具備行業(yè)應(yīng)用中未來崗位所需要的職業(yè)技能，得到以機(jī)器人基礎(chǔ)知識和焊接工藝基礎(chǔ)知識的基本能力以及以機(jī)器人再現(xiàn)編程與離線編程的應(yīng)用能力充分融合的綜合能力。

下面以工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)“機(jī)器人焊接工藝技術(shù)”課程的“虛實(shí)結(jié)合的機(jī)器人焊接應(yīng)用”項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)為例，簡述仿真模擬教學(xué)設(shè)計(jì)的思路和實(shí)施過程。

2.1 任務(wù)分析

在機(jī)器人實(shí)際使用過程中，經(jīng)常會遇到機(jī)器人堆焊需求，比如在產(chǎn)品表面堆焊logo或者是在工件表面測試焊接工藝參數(shù)。如果機(jī)器人焊接軌跡為復(fù)雜曲線，通過示教再現(xiàn)的方式很難完成焊接軌跡的規(guī)劃任務(wù)，或者是能完成但需要大量的編程量，耗時(shí)且費(fèi)力。

本課堂任務(wù)基于此背景，利用ABB機(jī)器人仿真軟件和學(xué)校實(shí)訓(xùn)室ABB機(jī)器人與福尼斯焊機(jī)MAG焊接完成一個復(fù)雜字體的堆焊任務(wù)。機(jī)器人班級共分9組，學(xué)生可以在以下三個案例(浙江機(jī)電、ZIME、校徽)中選擇其中任意一個或?qū)W生可以發(fā)揮自己的想象焊接一個其他圖案也可以，完成本次焊接任務(wù)。

2.2 任務(wù)一：仿真模型導(dǎo)入并創(chuàng)建焊接軌跡

基于Robotstudio軟件，導(dǎo)入機(jī)器人模型IRB 1520ID，創(chuàng)建機(jī)器人底座，并將機(jī)器人放置在底座上，導(dǎo)入三維軟件里創(chuàng)建好的焊接工作臺模型，并調(diào)整好工作臺位置，導(dǎo)入需要堆焊的焊接工件模型，添加焊槍并創(chuàng)建工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系。選擇焊槍工具和已經(jīng)創(chuàng)建的工件坐標(biāo)，利用Robotstudio的自動生成路徑的功能，生成四個漢字的軌跡程序，同時(shí)增加焊接開始點(diǎn)和過渡點(diǎn)。

2.3 任務(wù)二：將程序同步到RAPID

任務(wù)一中通過自動生成路徑功能創(chuàng)建的程序，機(jī)器人并沒有記住，接下來需要做的是，將其存儲到機(jī)器人的大腦，即讓機(jī)器人記住，也就是同步到RAPID。

2.4 任務(wù)三：批量修改焊接指令

在虛擬示教器上將程序模塊另存在本地計(jì)算機(jī)上，以記事本的格式打開后，將非焊接指令批量修改為焊接指令和參數(shù)。

3 課堂教學(xué)實(shí)施過程(實(shí)際焊接教學(xué)實(shí)施)

實(shí)際焊接按照分小組的形式進(jìn)行，教學(xué)模式也進(jìn)行了一些探索，發(fā)揮學(xué)生的自主能動性，激發(fā)學(xué)生的興趣，提前培養(yǎng)學(xué)生的安全意識和質(zhì)量意識[5]。下面簡述實(shí)際焊接教學(xué)設(shè)計(jì)的思路和實(shí)施過程。

3.1 機(jī)器人安全講授

安全是實(shí)際操作機(jī)器人最重要的一塊內(nèi)容。在前面軟件操作中學(xué)生最容易忽視的就是安全意識，容易麻痹大意，還很容易忽視工業(yè)機(jī)器人的安全操作規(guī)程。

本教學(xué)實(shí)踐結(jié)合課堂的知識內(nèi)容完成安全教育小游戲。教師給出機(jī)器人錯誤操作的圖片，引導(dǎo)學(xué)生找錯。學(xué)生隨機(jī)選擇圖片，找出圖中安全隱患，指出操作錯誤之處。

最后，教師總結(jié)安全操作口訣，提醒同學(xué)們注意培養(yǎng)認(rèn)真仔細(xì)、精益求精的工匠精神。

3.2 教師操作示范

教師通過現(xiàn)場操作示范法，講解機(jī)器人示教器基本操作，教師講解機(jī)器人手動操作及坐標(biāo)系創(chuàng)建方法，教師示范操作，用案例操作示范給同學(xué)們看。從開保護(hù)氣、核對焊機(jī)參數(shù)、增加弧焊指令、確認(rèn)起弧收弧的起點(diǎn)終點(diǎn)，打開焊接工藝鍵，實(shí)際起弧焊接演示。

3.3 焊接程序測試

本任務(wù)主要是完成在仿真軟件生成的焊接程序的導(dǎo)入及測試。

加載焊接程序前需要對實(shí)際實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)場機(jī)器人的全數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，這也是為學(xué)生以后養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

另外，在實(shí)際工作站中定義的工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系與模擬仿真中一致。

驗(yàn)證離線軌跡前，需要禁止啟動焊接功能，即鎖定焊接功能。離線程序?qū)胝鎸?shí)機(jī)器人時(shí)先慢速手動單步走軌跡，確認(rèn)無誤后，再慢速手動連續(xù)走軌跡，軌跡驗(yàn)證好后啟動焊接功能實(shí)施焊接。

3.4 焊接參數(shù)設(shè)置

本任務(wù)以分小組探索的方式進(jìn)行焊接參數(shù)試驗(yàn)，學(xué)生分組，通過簡單的堆焊直線焊接實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主探索出較為理想的焊接參數(shù)。同時(shí)鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及自主探索的精神，為后續(xù)的工業(yè)機(jī)器人焊接更深入的學(xué)習(xí)內(nèi)容打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過試驗(yàn)測試出的較為合理的工藝參數(shù)見下表，焊接工藝參數(shù)主要包含焊接電流、機(jī)器人速度、送絲速度、預(yù)吹起時(shí)間和后吹氣時(shí)間。

MAG焊接參數(shù)表

3.5 實(shí)際焊接效果與實(shí)驗(yàn)總結(jié)

實(shí)際焊接效果如圖4所示，實(shí)際焊接與仿真模型之間存在一定的差異，需要后期進(jìn)行工藝的優(yōu)化改進(jìn)。

結(jié)語

本課程采用了焊接機(jī)器人工作理實(shí)一體的教學(xué)法，以實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的設(shè)備ABB機(jī)器人和福尼斯焊機(jī)工作站集成思路，理實(shí)一體，有虛有實(shí)，融入了焊接工藝知識、機(jī)器人焊接工作站主要設(shè)備、機(jī)器人焊接指令及機(jī)器人案例編程，以學(xué)生為主體，項(xiàng)目式教學(xué)，使學(xué)生掌握焊接機(jī)器人編程知識與機(jī)器人在線編程與離線編程的應(yīng)用能力。同時(shí)也提升了學(xué)生的安全意識和質(zhì)量意識，小組團(tuán)結(jié)協(xié)作能力及創(chuàng)新意識。焊接存在一定的危險(xiǎn)性，盡管安全措施已經(jīng)考慮較為周全，但難免有疏漏之處，還需嚴(yán)格加強(qiáng)教學(xué)活動中的安全教育和安全管理。

今后的課程還需要充實(shí)課程資源，完善評價(jià)體系。利用企業(yè)典型機(jī)器人焊接工藝，著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力。有條件組織學(xué)生參觀相關(guān)企業(yè)，參觀典型機(jī)器人焊接產(chǎn)品的制造工藝流程，增加感性認(rèn)識，有利于學(xué)生對于機(jī)器人焊接工藝?yán)斫獾奶嵘瑫r(shí)學(xué)生也能真實(shí)感受制造業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場，激發(fā)內(nèi)心尊崇工匠精神的社會風(fēng)尚。