工业机器人编程与操作实训教学探索

    黄桂琴 姚永玉 李素芳

    摘? 要 论述工业机器人编程与操作实训课程的教学现状、实训内容的选定、实训教学的组织与实施，在实施过程中采用项目式教学和“学做教”一体化教学相将结合的教学方法，使学生在项目中熟悉在线编程的步骤与指令系统，掌握示教盒的各功能键、机器人与其他设备的协同工作等相关操作，以培养学生的动手能力，使其尽快融入相关企业。

    关键词 工业机器人;实践教学;编程;实训设备;教材

    中图分类号：G642? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）10-0127-03

    Abstract Discussing the current teaching status of training of Indus-trial Robot Programming and Operation， and the selection of the xtraining content， the passage states the organization and implemen-tation of the course. Project-based teaching mode and “learn to teach”，a combined teaching method would be applied in the teaching prac-tice， which makes students more familiar with the steps of online programming and instruction system in the project， getting the point of the function keys of the teaching box， the collaborative operation between robots and other devices， and operations like that. The pur-pose is to cultivate students practical ability so that they can be integrated into related enterprises as soon as possible.

    Key words industrial robot; practical teaching; programming; experiment equipments; textbook

    1 前言

    我國已经成为世界的制造业中心，国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型时期，用机器人技术改造传统产业，是提高企业市场竞争力的有效方法之一[1]。对于应用型高校，为国家培养工业机器人应用技术型人才的任务十分紧迫。近年来，很多应用型高校已开设机器人相关专业，或者开设相关课程，并购买了不同类型的机器人实验设备。但作为新开课程，部分教师还缺少相关的教学经验，不能形成符合应用型高校培养特点的教学方法。因此，对这门课程进行教学内容和教学方法的探索是十分必要的。

    2 课程教学现状及存在的主要问题

    教学现状? 作为应用型本科，学生的培养目标是既要有一定的理论知识，还要有较强的动手能力。机器人应用技术和机器人编程与操作训练是机械电子工程专业的专业方向特色课程，也是工程实践性很强的课程，在强化学生专业知识、培养学生动手能力、提高综合运用所学知识和技能去对接工作实际需求等方面，发挥着重要作用。洛阳理工学院机械学院机器人应用技术课程开在第七学期，通过理论学习，学生需要了解工业机器人运动学、动力学的基本概念，掌握机器人本体基本结构和控制系统的构成，了解机器人轨迹规划和关节插补的基本概念与机器人编程语言，了解工业机器人工作站及生产线的基本组成和特点等理论知识[2]。

    理论课结束后，开始工业机器人编程与操作训练，为期一周，针对学院设备开展实际操作训练。

    存在的主要问题

    1）缺乏适合的教材。应用型本科院校以本科教育为主，面向区域经济社会，以学科为依托，以应用型专业教育为基础，以社会人才需求为导向，培养高层次应用型人才，要求学生掌握本专业相关技术，具有较强的实践能力。现有的工业机器人相关教材，有的偏重理论讲解，有的流于产品说明或用户指南[3]，而真正合适的教材应是内容与设备类型匹配。目前市面上还没有和学院的实验设备类型完全匹配的教材，选用的教材在实际使用过程中需要对部分内容进行删减和相应补充，给教学带来诸多不便。

    2）实训设备偏少。目前的工业机器人产品缺乏规范性，品牌繁杂且互不兼容，开放程度较低。因此，如何选择具体的工业机器人进行实践教学，也是应用型高校面临的一个难题。而且机器人造价不菲，受资金和场地等条件的制约，构建专门的机器人实验室成本过高，造成目前这门课程的实践条件缺乏[3]。洛阳理工学院机械学院虽有几种工业机器人，但台套数偏少，实践环节难以实现人人熟练掌握。

    3）教师缺乏工业机器人应用技能的实践经验，教学方法单一。实际操作的教师应该具有一定的实际操作工艺应用经验，而目前国内工业机器人产业仍处在发展初期，专业教学教师严重缺乏。只能是学校现有的教师通过短期培训，再加上自己利用空余时间不断地去操作训练，上课时才可以边讲解边演示，处理突发问题的能力有限，让学生自由探索的机会偏少。

    3 实训内容的选择与项目设计

    实训内容的选择? 将培养学生的综合素质和创新能力作为培养核心，在加强学生对基础理论知识理解的同时，更注重培养学生的实际动手能力和创新能力[3]。洛阳理工学院机械学院在专业建设初期，对不同企业工业机器人的应用类型进行了调研，在经费与场地有限的情况下，购买了两台固高的GRB3014A四自由度直角坐标机械手，两台新松的SRT10C 6自由度机器人，一套由两台6自由度码垛机器人、一台传送装置和一个储物架组成的小型工作站，一台深圳优旺特自动搬运车（AGV），再加上其他部门的可供参观的设备，基本可以满足学生对工业机器人多品种应用方面的练习和了解。

    同时，根据机器人编程与操作训练的教学大纲要求，进行教学设计。实训一共设计五个大项目的教学环节：四自由度直角坐标机械手，6自由度机器人编程与操作，码垛编程与操作及机器人协同工作，自动搬运车（AGV）编程与操作，认识不同用途的工业机器人。每个项目下又分为若干个任务，任务难度逐渐增加，将学生需要掌握的知识与技能融入其中，并与生产实际相结合，保证教学知识与技能的针对性和实用性。为保证教学的顺利进行，针对这些设备，根据设计好的项目编写《工业机器人编程与操作实训教程》作为内部教材，学生练起来有了指导依据，也解决了缺乏合适教材的问题。

    实训项目任务设计? 根据现有实验设备，设计小项目及任务。

    1）四自由度直角坐标机械手。其中小项目有单轴点位运动控制、单轴PT运动控制、单轴PVT运动控制和多轴插补运动控制，分别从点位控制、连续轨迹控制和同步控制这三种运动控制着手，从易到难实现应用，让学生理解点位运动等相关概念，掌握运动控制实现方法和各个参数的含义及设置。

    2）6自由度机器人编程与操作。其中小项目有机器人系统基本介绍、直线运动轨迹的编程与执行、圆弧运动轨迹的编程与执行、不同轨迹间连接方法的编程与执行。在这些项目中熟悉在线编程的步骤、方法与指令系统，掌握示教盒的各功能键和利用报警信息发现解决现场问题。

    3）码垛编程与操作及机器人协同工作。其中小项目有码垛机器人操作、机器人及传输线I/O口的分配分析、1号机器人作业编程、1号后台作业即传输线作业编程、2号机器人作业编程。通过这些项目学习码垛子程序的应用，各设备间输入输出信号的匹配，机器人与其他设备协同工作的相关操作与编程，如何防止各机器人间及机器人与其他设备间发生干涉而产生重大事故。

    4）自动搬运车（AGV）编程与操作。在地上铺设轨道，轨道上设置五个节点，每位学生在节点设置不同的动作，编写程序并执行。通过此项目学习AGV的动作、相关操作、编程方法与应用，为AGV小车与其他设备协同工作做好准备。

    5）参观学习机器人学院不同类型工业机器人工作站及流水线。应用六自由度机器人的工作站有冲床上下料工作站、数控机床上下料工作站、打磨工作站夹持工件、焊接机器人工作站及大型码垛机器人。流水线是光机电一体化机器人彩色小球分装流水线，该线中有SCARA机器人和直角坐标机器人传递工件，有视觉机器人检测工件、Delta机器人分拣工件，多种机器人的结构原理不同，在生产线中作用不同。通过此项目认识到生产中的哪些问题可以用工业机器人解决，如何选择不同类型的工业机器人，使理论学习与生产实际结合更紧密。

    这样设计教学项目，把所有设备都充分利用起来，能够尽可能地扩大学生视野。

    4 教学组织与实施

    组织形式? 在“学做教”一体化教学过程中，以项目（任务）化实训法[4]中的项目任务为驱动，以工作过程导向为主要教学方法[5]，以协作团队的形式，把学生分成若干小组，每个小组选一个组长，可以一人操作时，其余人在旁边观摩并互相学习。为防止安全隐患和便于学生观摩学习，每组人数不宜太多。教师在教大家时重点把组长教会，组长在练习时，组员再次观摩学习，再由组长指导组员、组员指导组员，本组指导好的可以指导下一组，每人有一次学、做与教的机会。每人在操作时会出现不同的状况，小组成员共同协商，找出解决办法;解决不了找教师，教师也解决不了的咨询厂家。这样不仅可以锻炼学生通过自主学习、协作学习和指导学习的方式掌握课程必备的理论知识和技能，也能提高学生学习积极性和团队协作能力，以及分析、解决问题的能力，从而进一步培养学生的创新意识。对于教师教学相长，提高也更快。

    实施方案

    第一步，先对学生进行分组，每五人一组，选一组长，然后给每个小组分配项目任务。根据任务引导学生思考在已有知识的基础上如何往下一步开展，自主提出解决方案，教师和学生一起讨论方案的可行性，指出存在的问题。

    第二步，教师编写示教程序并运行，发现问题后，结合报警提示，分析问题出现的原因，并找出解决问题的办法。

    第三步，在保证安全的前提下，鼓励学生动手尝试，最后展开讨论，总结问题与收获。

    通过这个过程，学生的自我学习、探索和动手能力可以得到有效培养[3]。

    同时，为克服设备偏少的问题，在方案实施过程中有两个教师分别讲解演示。前四个项目讲完后，所有组均可开始自己的项目。每组完成一个项目后，可以轮流到下一项目。这样设备同时开启，学生可以有更多的练习机会，但教师的指导难度加大，教师要在此之前熟悉所有设备并充分准备，以应对出现不同的问题。

    5 结语

    洛阳理工学院机械学院机器人项目式教学和“学做教”一體化教学相结合的教学方法，已应用于16级的四个班，教学效果良好。学院准备将此经验用于后续更多班级的教学中，进一步验证其优越性。同时需要根据教学过程中存在的一些问题，如工位不足、项目较少、任务单一等，进行逐一改进，并不断提升教师的实际应用水平，以更好地服务于教学。

    教学改革是一个与时俱进的过程。随着学院新机房西门子UG软件的安装和智能制造生产线的建成，逐步把工业机器人的离线编程，机器人在智能制造生产线中与立体仓库、数控机床、3D打印等设备协同工作等内容加入实训中，坚持在以后的教学过程中不断改进和完善，更好地培养出符合社会发展特点、适合生产实际需求的人才。

    参考文献

    [1]周冬妮，王睫.“工业机器人操作与编程”一体化教学改革与实践[J].求知导刊，2018（33）：115-116.

    [2]于楚泓.《工业机器人技术》课程教学改革探索[J].科技风，2017（8）：54.

    [3]黎萍，刘保军，于楚泓.《工业机器人技术》课程教学改革[J].教育教学论坛，2018（25）：74-75.

    [4]吴放.基于工作过程的工业机器人技术信息化教学的探索[J].信息周刊，2018（6）：27.

    [5]刘小斐，郝巧梅，贺长春.基于过程导向的工业机器人操作与编程课程开发与实践[J].现代职业教育，2017（30）：

    158-159.