工業機器人方向《機械設計課程設計》教學改革

摘要：本論文針對機器人工程方向人才培養目標，并結合《機械設計課程設計》課程自身的特點，從課程設計的選題、內容、教學方法手段、考核四個方面對工業機器人方向的《機械設計課程設計》課程的開設提出了一系列的改革措施。

關鍵詞：機械設計； 改革 ；工業機器人 ；實踐

一、引言

對于傳統的機械類專業而言，《機械設計課程設計》是一門繼《機械設計》后的一門實踐類課程。一般院校的設計對象基本都是減速器。當然，對于普通的機械專業的學生而言，減速器的設計可以達到訓練目的。但是對于工業機器人方向而言，傳統的課程設計對象不能滿足學生的訓練要求。為此，課程組針對工業機器人方向的課程設計做了一些改革和探索。

二、工業機器人方向相關機械知識的特點

工業機器人方向的人才培養方案要求學生掌握機器人機構設計、機器人工作站設計、機器人機械系統設計等機器人集成設計知識模塊內容。

該方向關于機械方面的知識要求是，掌握機器人最基本的單元抓手、移動機構、單機的單元設計。能夠合理選擇方案，確定各機構的傳動系統，方案的節拍時間計算，各機構的驅動功率計算各主要受力構件的計算等。

學習機器人機械系統設計，手部機構設計，機器人移動機構設計、機器人機械系統單機綜合設計等內容，是機器人機械系統設計實訓、系統集成等實踐的重要理論教學依據。通過針對機器人機械系統，機器人典型機構進行理論講解，展開對工業機器人的傳動、機身、臂部、手腕等理論計算與詳細設計，同時綜合工程案例進行實踐能力練習，達到預設的教學目標。使學生對機器人機械設計理論與實際設計有一定的認識，在實際設計中能根據市場條件、根據客戶的需求，提出自己的解決方法、表達自己的設計思路。掌握基本的機器人機械系統設計工作方法，達到從事實際技術工作的能力水平。

三、課程選題改革

區別于課程設計傳統的選題——減速器。針對工業機器人的特點和工業機器人方向人才培養方案的要求，一般來說，作為本科生，設計機器人本體是不可能的，并且一般來說，機器人本體一般不變。工程上，為了適應不同的工業生產需求，一般都是在現有的本體上，安裝不同的末端工具。同時，為了滿足生產過程中的不同路徑需求，對于底座也會有所改動。

因此，對于工業機器人方向，課程設計的選題可以是機器人末端工具和底座的結構設計。如下面的選題：托鏟式機器人抓手設計、吸取式機器人抓手設計、夾爪式機器人抓手設計、移動式底座設計、水平移動機構設計、垂直移動機構設計。

選題方式上也從傳統的老師指派式改為引導式。在任務書中，不再給出設計對象（末端工具或底座）方案，在設計任務中老師只給出工作站的工作要求，當然，還要給出工作站的布局方案。每個學生的設計任務都不同，要么是工作要求不一樣，要么是參數有區別。

要求學生自己根據給定條件，查閱資料，選題選方案。這種方式，避免了學生之間的相互抄襲，也從根源上促進學生獨立思考。

四、設計內容的改革

除了題目與傳統的不一樣之外，其設計內容與傳統的減速器也有所不同。對于末端夾手設計，一般需要確定抓手主要參數、方案確定與機器人選擇、機器人抓手運動過程及拍時間校核、機器人載荷校核、氣缸選型（一般是氣動）、抓手主要部件校核對于底座設計，一般需要確定移動底座主要參數，方案確定與機器人運動過程及節拍時間校核、驅動、傳動選擇計算、軸承選型計算、底座主要部件設計校核。

以托鏟式抓手設計為例，具體說明其設計內容與過程。

（一）實例-托鏟式抓手設計內容與過程

1.設計需求分析

設計一種機器人末端工具，應用于生產線上抓取紙箱，具體要求如下：

①前端物料為2條線，單線產能為12.7箱/分鐘；

②紙箱規格為350×270×120（mm），紙箱質量約為5kg；

③托盤大小為1200×1000×150（mm），其中1200mm方向為進叉方向；

④垛型要求：每層11箱，共10層。

碼垛的排列方式如圖1所示。

2.抓手形式確定

常見的抓手形式有四種：吸取式機器人抓手、吸取式機器人抓手、抓取式機器人抓手、夾板式機器人抓手。

分析四種類型抓手的優缺點，選取托鏟式比較合適。采用半層抓手抓取，兩次抓取完成一層碼垛紙箱的叉取和碼放；每一次叉取4箱，第二次叉取7箱，交替進行，平均每次叉取5.5箱；碼垛垛形：共10層，每層11箱，每垛110箱。

動作流程是：叉取部分伸出托住紙箱、壓板部分下壓，護住紙箱方向，防止紙箱位置變動、壓板部分上移，松開紙箱、叉取部分縮回，放下紙箱、叉取部分伸出托住紙箱，如此循環。

3.機器人選型與節拍校核

與傳統的減速器不同，設計抓手，需要在選好機器人的基礎之上進行。所以，教師要給學生先提供機器人所在工作站的空間布局圖。

在此，根據布局圖，確定機器人工作范圍為直徑Φ6.3m的圓形；臂展為3.15m。機器人負載抓取物料質量為35kg，抓手質量為135kg，因而機器人負載：35+135=170kg。將機器人放入布局圖中，選擇底座高度，使機器人能在高度方向上滿足使用需求。選取IRB660-250型號機器人。機器人各軸動作所用的時間，在計算時為了提高可靠性，一般取機器人最大速度的80%。

機器人抓手運動過程中各步驟時間：

①從原點到抓取位上方t1；舉例：1軸轉動30°左右、2軸轉動15°左右（1、2軸最大速度一致，且同時動作，1軸轉動角度比2軸大，所以計算用時取1軸用時，為提高可靠性，計算動作用時一般取機器人最大速度的80%）：t1＝30/95/0.8＝0.395s＝395ms。

②慢速到達抓取位t2；

③抓取后慢速提升t3；

④從抓取位上方到碼垛位上方t4；

⑤慢速到達放置位t5；

⑥放置后慢速提升t6；

⑦從放置位上返回原點t7；

⑧叉取氣缸伸出用時t8；

⑩壓箱氣缸伸出用時t9；

?壓箱氣缸縮回用時t10；

?叉取氣缸縮回用時t11。

抓手完成一次碼垛叉取、放置用時：

機器人抓取頻率：

節拍時間校核：fz≥5次/min。

機器人載荷校核：

叉取紙箱時：機器人的手腕法蘭面距物料重心位置距離是398mm。（載荷170kg）

無紙箱時：重心向一側偏移200mm。（載荷135kg）

對照機器人載荷說明圖，向下0.4，向右0，機器人允許載荷為210kg，大于170kg；向下0.4，向右0.2，對應機器人允許載荷是210kg，大于135kg。

故符合機器人使用要求。

4.托鏟式機器人抓手推箱氣缸選擇及校核

一般來說，抓手的動力源為氣動，所以相對減速器，抓手設計更多的是選氣缸，而不是電機。氣缸根據所需夾爪力計算，選型，然后進行校核，并確定工作壓力。

托鏟式機器人抓手在工作中，通過推箱氣缸帶動托桿前后移動：推箱氣缸帶動托桿向前移動時，托桿插入要碼垛的紙箱下面完成叉起工作；推箱氣缸帶動托桿向后移動時，紙箱落在垛堆上完成碼垛。

此為紙箱與托桿之間的摩擦力，就是所需的夾爪力。

此為滑塊與直線導軌之間最大摩擦力。

氣缸需要克服的力計算：

選擇推箱氣缸型號為：DGC-40-600-G-PPV-A （FESTO無桿氣缸，缸徑D=?40mm）

系統工作壓力：P＝0.4MPa

5.托桿選擇及校核

傳統的減速器設計，一般都是對圓形截面的傳動軸進行校核設計。而抓手的主要部件截面形狀不一，各種各樣的型材都有。如此拖桿的截面形狀就是一個空心矩形。型號為H30×B15×t1.5；材質304不銹鋼；許用應力[δ]＝118MPa；數量n＝14。

抗彎截面系數為：

慣性矩為：

求得拖桿總壓力：

拖桿最大彎矩為：

求得：

故符合使用要求。

（二）教學模式改革

籌建理實一體化的設計室。學校有機器人實訓室一間，自動化實驗室一間。將工業機器人方向的課程設計室設置在這兩個實驗室旁邊。改變傳統的教學方法（老師講解，學生設計）。

首先帶學生參觀機器人實訓室和自動化實驗室，引導學生觀察機器人不同類型末端工具的工作方式、結構特點，并幫助學生拆裝末端抓手。對著正在工作的生產線講解底座是如何配合機器人實現一系列動作規劃的。讓學生首先對設計對象有一個定性的概念。

然后讓學生先分析相關設計需求和參數，引導學生查閱機器人手冊，選取合適的機器人。

傳統的設計方式是邊計算邊畫二維草圖。在此，推薦學生采用如下流程：先繪制二維方案圖，后面一邊計算設計，一邊借助SolidWorks軟件對設計對象進行三維建模。畢竟，三維模型相對二維圖形而言，更直觀，更容易檢查出錯誤。更重要的是，這些建好的三維模型可以用于后期的課程——機器人仿真實驗。這些抓手如果有比較好的創新，可以直接用這些模型參加相關大賽，申報專利，一舉多得。如果建模過程中，經過校核發現有誤，可以應用軟件的智能尺寸直接修改驅動。這些機器人末端工具的三維模型經校核無誤后，直接生成二維工程圖。

（三）考核方式改革

1.常規考核

課程設計以五級制（優秀、良好、中等、及格、不及格）計分，正常的考核方式是綜合考查學生平常的表現（包括考勤、查閱資料），獨立設計的能力和學生的項目設計計算水平（包括圖紙、設計說明書、答辯情況）。

2.課賽通融

為了激發學生的學習積極性，真正體現學以致用的原則。設定滿足下列條件的學生可以免修（錄入成績良好）該門課。

①在機器人創意大賽中取得國家級三等獎及以上；

②共融機器人挑戰賽（機械臂組取得國家級三等獎及以上）。

課程組教師在教研活動中每學期開展兩次教研活動：專門探討機器人行業賽、省級賽和國家級大賽的比賽規程、任務設計、評判標準等要素，不斷豐富可以以賽代考的賽事。

五、結束語

我校從2017年開始工業機器人方向，對該屆學生的課程設計教學按照論文所述選題到內容，到指導方式，到考核方式進行改革。其他專業方向的機械設計課程設計還是采用傳統的教學內容和模式。從學生的畢業設計、學科競賽、就業競崗三方面來看，工業機器人方向的學生在做結構方面的畢業設計時，得心應手，上手很快，畢業論文質量較高。在學科競賽中，機器人方向的學生一枝獨秀，獨領風騷，在很多賽事上多次獲獎。該方向學生的就業崗位非常多，就業率達到95%以上。從這些事實可以看出，該課程設計的改革是非常成功的。

作者單位：陳愛平 畢思 李皓 肖科星 嚴育才

武昌工學院 智能制造學院

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基金項目：本文系“2021年武昌工學院教學改革研究項目”（項目編號2021JY32）和“湖北省高等學校優秀中青年科研創新團隊項目”項目（項目編號：T201833）的研究成果。

陳愛平（1980-），女，湖北武漢人，副教授，研究方向為力學，結構設計。