工業(yè)機(jī)器人方向《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》教學(xué)改革

摘要：本論文針對(duì)機(jī)器人工程方向人才培養(yǎng)目標(biāo)，并結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》課程自身的特點(diǎn)，從課程設(shè)計(jì)的選題、內(nèi)容、教學(xué)方法手段、考核四個(gè)方面對(duì)工業(yè)機(jī)器人方向的《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》課程的開(kāi)設(shè)提出了一系列的改革措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)； 改革 ；工業(yè)機(jī)器人 ；實(shí)踐

一、引言

對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械類(lèi)專業(yè)而言，《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》是一門(mén)繼《機(jī)械設(shè)計(jì)》后的一門(mén)實(shí)踐類(lèi)課程。一般院校的設(shè)計(jì)對(duì)象基本都是減速器。當(dāng)然，對(duì)于普通的機(jī)械專業(yè)的學(xué)生而言，減速器的設(shè)計(jì)可以達(dá)到訓(xùn)練目的。但是對(duì)于工業(yè)機(jī)器人方向而言，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)對(duì)象不能滿足學(xué)生的訓(xùn)練要求。為此，課程組針對(duì)工業(yè)機(jī)器人方向的課程設(shè)計(jì)做了一些改革和探索。

二、工業(yè)機(jī)器人方向相關(guān)機(jī)械知識(shí)的特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人方向的人才培養(yǎng)方案要求學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)等機(jī)器人集成設(shè)計(jì)知識(shí)模塊內(nèi)容。

該方向關(guān)于機(jī)械方面的知識(shí)要求是，掌握機(jī)器人最基本的單元抓手、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、單機(jī)的單元設(shè)計(jì)。能夠合理選擇方案，確定各機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)，方案的節(jié)拍時(shí)間計(jì)算，各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算各主要受力構(gòu)件的計(jì)算等。

學(xué)習(xí)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)單機(jī)綜合設(shè)計(jì)等內(nèi)容，是機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)、系統(tǒng)集成等實(shí)踐的重要理論教學(xué)依據(jù)。通過(guò)針對(duì)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)器人典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論講解，展開(kāi)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)、機(jī)身、臂部、手腕等理論計(jì)算與詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時(shí)綜合工程案例進(jìn)行實(shí)踐能力練習(xí)，達(dá)到預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)。使學(xué)生對(duì)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)理論與實(shí)際設(shè)計(jì)有一定的認(rèn)識(shí)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中能根據(jù)市場(chǎng)條件、根據(jù)客戶的需求，提出自己的解決方法、表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路。掌握基本的機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作方法，達(dá)到從事實(shí)際技術(shù)工作的能力水平。

三、課程選題改革

區(qū)別于課程設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的選題——減速器。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)和工業(yè)機(jī)器人方向人才培養(yǎng)方案的要求，一般來(lái)說(shuō)，作為本科生，設(shè)計(jì)機(jī)器人本體是不可能的，并且一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人本體一般不變。工程上，為了適應(yīng)不同的工業(yè)生產(chǎn)需求，一般都是在現(xiàn)有的本體上，安裝不同的末端工具。同時(shí)，為了滿足生產(chǎn)過(guò)程中的不同路徑需求，對(duì)于底座也會(huì)有所改動(dòng)。

因此，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人方向，課程設(shè)計(jì)的選題可以是機(jī)器人末端工具和底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如下面的選題：托鏟式機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)、吸取式機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)、夾爪式機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)、移動(dòng)式底座設(shè)計(jì)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

選題方式上也從傳統(tǒng)的老師指派式改為引導(dǎo)式。在任務(wù)書(shū)中，不再給出設(shè)計(jì)對(duì)象（末端工具或底座）方案，在設(shè)計(jì)任務(wù)中老師只給出工作站的工作要求，當(dāng)然，還要給出工作站的布局方案。每個(gè)學(xué)生的設(shè)計(jì)任務(wù)都不同，要么是工作要求不一樣，要么是參數(shù)有區(qū)別。

要求學(xué)生自己根據(jù)給定條件，查閱資料，選題選方案。這種方式，避免了學(xué)生之間的相互抄襲，也從根源上促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考。

四、設(shè)計(jì)內(nèi)容的改革

除了題目與傳統(tǒng)的不一樣之外，其設(shè)計(jì)內(nèi)容與傳統(tǒng)的減速器也有所不同。對(duì)于末端夾手設(shè)計(jì)，一般需要確定抓手主要參數(shù)、方案確定與機(jī)器人選擇、機(jī)器人抓手運(yùn)動(dòng)過(guò)程及拍時(shí)間校核、機(jī)器人載荷校核、氣缸選型（一般是氣動(dòng)）、抓手主要部件校核對(duì)于底座設(shè)計(jì)，一般需要確定移動(dòng)底座主要參數(shù)，方案確定與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程及節(jié)拍時(shí)間校核、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)選擇計(jì)算、軸承選型計(jì)算、底座主要部件設(shè)計(jì)校核。

以托鏟式抓手設(shè)計(jì)為例，具體說(shuō)明其設(shè)計(jì)內(nèi)容與過(guò)程。

（一）實(shí)例-托鏟式抓手設(shè)計(jì)內(nèi)容與過(guò)程

1.設(shè)計(jì)需求分析

設(shè)計(jì)一種機(jī)器人末端工具，應(yīng)用于生產(chǎn)線上抓取紙箱，具體要求如下：

①前端物料為2條線，單線產(chǎn)能為12.7箱/分鐘；

②紙箱規(guī)格為350×270×120（mm），紙箱質(zhì)量約為5kg；

③托盤(pán)大小為1200×1000×150（mm），其中1200mm方向?yàn)檫M(jìn)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(jiàn)的抓手形式有四種：吸取式機(jī)器人抓手、吸取式機(jī)器人抓手、抓取式機(jī)器人抓手、夾板式機(jī)器人抓手。

分析四種類(lèi)型抓手的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jìn)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(dòng)作流程是：叉取部分伸出托住紙箱、壓板部分下壓，護(hù)住紙箱方向，防止紙箱位置變動(dòng)、壓板部分上移，松開(kāi)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(huán)。

3.機(jī)器人選型與節(jié)拍校核

與傳統(tǒng)的減速器不同，設(shè)計(jì)抓手，需要在選好機(jī)器人的基礎(chǔ)之上進(jìn)行。所以，教師要給學(xué)生先提供機(jī)器人所在工作站的空間布局圖。

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

機(jī)器人抓手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各步驟時(shí)間：

①?gòu)脑c(diǎn)到抓取位上方t1；舉例：1軸轉(zhuǎn)動(dòng)30°左右、2軸轉(zhuǎn)動(dòng)15°左右（1、2軸最大速度一致，且同時(shí)動(dòng)作，1軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度比2軸大，所以計(jì)算用時(shí)取1軸用時(shí)，為提高可靠性，計(jì)算動(dòng)作用時(shí)一般取機(jī)器人最大速度的80%）：t1＝30/95/0.8＝0.395s＝395ms。

②慢速到達(dá)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(dá)放置位t5；

⑥放置后慢速提升t6；

⑦從放置位上返回原點(diǎn)t7；

⑧叉取氣缸伸出用時(shí)t8；

⑩壓箱氣缸伸出用時(shí)t9；

?壓箱氣缸縮回用時(shí)t10；

?叉取氣缸縮回用時(shí)t11。

抓手完成一次碼垛叉取、放置用時(shí)：

機(jī)器人抓取頻率：

節(jié)拍時(shí)間校核：fz≥5次/min。

機(jī)器人載荷校核：

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

無(wú)紙箱時(shí)：重心向一側(cè)偏移200mm。（載荷135kg）

對(duì)照機(jī)器人載荷說(shuō)明圖，向下0.4，向右0，機(jī)器人允許載荷為210kg，大于170kg；向下0.4，向右0.2，對(duì)應(yīng)機(jī)器人允許載荷是210kg，大于135kg。

故符合機(jī)器人使用要求。

4.托鏟式機(jī)器人抓手推箱氣缸選擇及校核

一般來(lái)說(shuō)，抓手的動(dòng)力源為氣動(dòng)，所以相對(duì)減速器，抓手設(shè)計(jì)更多的是選氣缸，而不是電機(jī)。氣缸根據(jù)所需夾爪力計(jì)算，選型，然后進(jìn)行校核，并確定工作壓力。

托鏟式機(jī)器人抓手在工作中，通過(guò)推箱氣缸帶動(dòng)托桿前后移動(dòng)：推箱氣缸帶動(dòng)托桿向前移動(dòng)時(shí)，托桿插入要碼垛的紙箱下面完成叉起工作；推箱氣缸帶動(dòng)托桿向后移動(dòng)時(shí)，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(dǎo)軌之間最大摩擦力。

氣缸需要克服的力計(jì)算：

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

系統(tǒng)工作壓力：P＝0.4MPa

5.托桿選擇及校核

傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)，一般都是對(duì)圓形截面的傳動(dòng)軸進(jìn)行校核設(shè)計(jì)。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(gè)空心矩形。型號(hào)為H30×B15×t1.5；材質(zhì)304不銹鋼；許用應(yīng)力[δ]＝118MPa；數(shù)量n＝14。

抗彎截面系數(shù)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(xué)模式改革

籌建理實(shí)一體化的設(shè)計(jì)室。學(xué)校有機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室一間，自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室一間。將工業(yè)機(jī)器人方向的課程設(shè)計(jì)室設(shè)置在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室旁邊。改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法（老師講解，學(xué)生設(shè)計(jì)）。

首先帶學(xué)生參觀機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室和自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，引導(dǎo)學(xué)生觀察機(jī)器人不同類(lèi)型末端工具的工作方式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并幫助學(xué)生拆裝末端抓手。對(duì)著正在工作的生產(chǎn)線講解底座是如何配合機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一系列動(dòng)作規(guī)劃的。讓學(xué)生首先對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象有一個(gè)定性的概念。

然后讓學(xué)生先分析相關(guān)設(shè)計(jì)需求和參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生查閱機(jī)器人手冊(cè)，選取合適的機(jī)器人。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是邊計(jì)算邊畫(huà)二維草圖。在此，推薦學(xué)生采用如下流程：先繪制二維方案圖，后面一邊計(jì)算設(shè)計(jì)，一邊借助SolidWorks軟件對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行三維建模。畢竟，三維模型相對(duì)二維圖形而言，更直觀，更容易檢查出錯(cuò)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(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)。這些抓手如果有比較好的創(chuàng)新，可以直接用這些模型參加相關(guān)大賽，申報(bào)專利，一舉多得。如果建模過(guò)程中，經(jīng)過(guò)校核發(fā)現(xiàn)有誤，可以應(yīng)用軟件的智能尺寸直接修改驅(qū)動(dòng)。這些機(jī)器人末端工具的三維模型經(jīng)校核無(wú)誤后，直接生成二維工程圖。

（三）考核方式改革

1.常規(guī)考核

課程設(shè)計(jì)以五級(jí)制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）計(jì)分，正常的考核方式是綜合考查學(xué)生平常的表現(xiàn)（包括考勤、查閱資料），獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力和學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算水平（包括圖紙、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、答辯情況）。

2.課賽通融

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，真正體現(xiàn)學(xué)以致用的原則。設(shè)定滿足下列條件的學(xué)生可以免修（錄入成績(jī)良好）該門(mén)課。

①在機(jī)器人創(chuàng)意大賽中取得國(guó)家級(jí)三等獎(jiǎng)及以上；

②共融機(jī)器人挑戰(zhàn)賽（機(jī)械臂組取得國(guó)家級(jí)三等獎(jiǎng)及以上）。

課程組教師在教研活動(dòng)中每學(xué)期開(kāi)展兩次教研活動(dòng)：專門(mén)探討機(jī)器人行業(yè)賽、省級(jí)賽和國(guó)家級(jí)大賽的比賽規(guī)程、任務(wù)設(shè)計(jì)、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)等要素，不斷豐富可以以賽代考的賽事。

五、結(jié)束語(yǔ)

我校從2017年開(kāi)始工業(yè)機(jī)器人方向，對(duì)該屆學(xué)生的課程設(shè)計(jì)教學(xué)按照論文所述選題到內(nèi)容，到指導(dǎo)方式，到考核方式進(jìn)行改革。其他專業(yè)方向的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)還是采用傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和模式。從學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽、就業(yè)競(jìng)崗三方面來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人方向的學(xué)生在做結(jié)構(gòu)方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，得心應(yīng)手，上手很快，畢業(yè)論文質(zhì)量較高。在學(xué)科競(jìng)賽中，機(jī)器人方向的學(xué)生一枝獨(dú)秀，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，在很多賽事上多次獲獎(jiǎng)。該方向?qū)W生的就業(yè)崗位非常多，就業(yè)率達(dá)到95%以上。從這些事實(shí)可以看出，該課程設(shè)計(jì)的改革是非常成功的。

作者單位：陳愛(ài)平 畢思 李皓 肖科星 嚴(yán)育才

武昌工學(xué)院 智能制造學(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

[1]陳愛(ài)平，黃麗，趙小娟，等.風(fēng)機(jī)方向《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》教學(xué)改革的嘗試[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（11）：51-53.

[2]曹東江，王強(qiáng)，王寧.雙臂搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真分析[J].測(cè)控技術(shù)，2021，40（02）：32-36.

[3]左德陽(yáng). 移動(dòng)式提板檢測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2020.

[4]孟祥鑫. 分揀機(jī)械手抓取策略研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2021.

[5]鐘鳴.“1+X”證書(shū)制度下新工科專業(yè)“三教”改革的探索：以蘇州市職業(yè)大學(xué)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)為例[J].科技與創(chuàng)新，2022（17）：84-86，92.

[6]韓銳.新工科背景下工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐[J].時(shí)代汽車(chē)，2022（18）：98-100.

[7]劉涼，宋會(huì)，楊秀萍，等.同型異構(gòu)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2022，39（08）：130-136.

[8]盧愛(ài)臣，魏建宇，郭強(qiáng).以項(xiàng)目為牽引的機(jī)器人系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)實(shí)踐課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育，2022（08）：71-75.

[9]謝東江，劉奭奭，鐘榮林，等.基于項(xiàng)目教學(xué)的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2022，51（07）：137-140.

[10]蔣磊，張麗，閆俊，等.機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)踐課程教學(xué)改革探討[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（56）：76-79.

基金項(xiàng)目：本文系“2021年武昌工學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)2021JY32）和“湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：T201833）的研究成果。

陳愛(ài)平（1980-），女，湖北武漢人，副教授，研究方向?yàn)榱W(xué)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。