工业机器人实训基地的构建与探索

张建国

【摘 要】工业机器人将成为中国制造2025重点战略任务之一，要使这一重点任务的落地，关键在于人才。培养造就当今企业急需的工业机器人应用与维护技术人才，学校建设工业机器人实训基地是保障。文章从对工业机器人的认知过程出发，系统地阐述了工业机器人实训基地的建设思路。

【关键词】工业机器人实训基地 建设架构 背景 必要性 特殊性

2014年6月，国家主席习近平在两院大会上指出：“机器人革命有望成为第三次工业革命的一个切入点和重要增长点，将影响全球的制造业格局。机器人是制造业皇冠顶端的明珠，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新与高端制造业水平的重要标志。”随着中国制造业的迅猛发展，工业机器人在制造业领域中的重要作用越来越凸显。中高等职业教育是培养新技术人才的摇篮，因此工业机器人实训基地的建设在人才培养中起着至关重要的作用。

一、实训基地建设的背景与现状

（一）实训基地建设的背景

据国际机器人联合会统计，2012年外资企业在华销售工业机器人总量超过2.7万台，较上年增长20%。2014年中国市场共销售工业机器人近5.6万台，占全球销量的四分之一，成为全球第一大工业机器人市场。国际机器人联合会预测，不超过2016年，中国全球机器人保有量有望超过13万台，同时也是全球需求最大的市场。伴随着我国大量工业机器人投入使用，另一个隐忧随之浮出水面，那就是工业机器人应用的高技能人才出现青黄不接的荒地。哈尔滨工业大学机器人研究所所长、教育部长江学者孙立宁教授指出：“按照目前中国机器人安装量增长速度，人才需求早处于干渴状态了。”首钢莫托曼公司的杨宝山经理表示：“不仅其客户需要工业机器人现场编程、应用操作及机器人自动化线维护等方面的人才，公司本身也需要大量从事工业机器人安装调试和售后服务等工作的专门人才。”鉴于国际、国内工业机器人市场的现状，笔者认为，要解决工业机器人的高技术人才匮乏，必须首抓人才的培养，而人才培养的主要途径靠学校，因此学校建设好相应的专业实训基地是当务之急。

（二）实训基地建设的现状

工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。由于工业机器人拥有着灵活的多关节机械手，其自由度相当大，因此人们可以直接使用预设流程的程序进行运行操控。随着工业机器人的不断进步，人工智能技术的成熟，工业机器人还可以自由判断其最有利的工作路径和方式，来提高工作效率和性能质量。为了使学生掌握工业机器人的应用与维护技能，目前多数学校利用原有的机械拆装实训室、电工电子装接实训室、PLC控制编程实训室、液压气动实训室及网络通信实训室作为基础实训室，再添加几台工业机器人工作站组建成工业机器人实训室或实训中心。这种实训室往往由于受到资金的限制，同一方案的机器人台数较少甚至只有一台，因此，实施技能教学想要学生人人动手，难度较大，教学效果不够理想。当然也有些学校为了降低设备的投入成本，选用了教学用的机器人。由于这种串联型机器人的控制系统采用步进电机等，与目前企业大多用的六关节机器人差距较大，缺少核心，显然很难做到实训教学与岗位工作无缝对接。

二、实训基地建设的必要性和特殊性

（一）实训基地的建设是培养高技术人才的重要基础

实训教学不仅是培养学生专业领域实际工作的基本能力、基本技能和职业素质的关键环节，也是培养学生创造能力、开发能力、独立分析和解决问题能力的有效手段，是职业教育实现以就业为导向，学生优质就业的根本途径。要使专业实训教学正常开展，学校必须提供与其专业相适应的具有一定职业环境的实训条件。

（二）实训基地的设备是制约人才培养的重要因素之一

笔者从对江苏、浙江、上海、广东等省市已开设工业机器人应用专业的学校调研情况看，与工业机器人相关的实训设备配套不足或对设备的选型不当，是制约工业机器人专业学生的培养质量重要因素之一。根据人力资源和社会保障部的专业培养目标，工业机器人应用与维护要培养具有在生产一线从事工业机器人设备的安装、操作、编程、调试与维护的应用型技术人才。要达到上述目标，除了对学生进行理论教学外，必须进行充分的基础技能训练与专业技能训练，而要达成实际操作训练要求，足量及适型的实训设备是保障。

（三）实训基地的建设是一个复杂的系统工程

工业机器人是一个复杂的系统工程，不是买来就能用的，需要对其进行编程，把机器人本体与控制软件、应用软件、周边设备等结合起来，组成一个完整的工作站，才能进行生产。而这个生产又不同于原有的生产，它常常是在一个闭环系统中进行，一旦设置调试完毕，它便周而复始地循环生产。即使学生通过仿真软件或示教器学会了编写机器人程序，但也不等于学生掌握了机器人的应用。因为机器人通常是生产系统中间环节的工具，不是终端，因此它的调试与应用都必须是在整个生产系统中进行。

三、实训基地的建设架构

在当前工业机器人急需操作与应用人才，而职业教育又面临滞后的情况下，要加快推动机器人专业人才的培养，单纯依靠学校的力量，已经显得较为薄弱。因此实训基地的建设采取校企联合、合作共建的模式，将企业的机器人实际应用方案、项目及案例与学校的教学模式相结合，共同推进工业机器人专业高技能人才培养。在建设校内实训室时应注意掌握以下原则：方便实训教学原则、循序渐进原则、模块化设计利于集成原则、项目源于工程原则、支持仿真教学原则。校内实训室建设以基础技能及工作站为主，综合应用为辅，统一规划，分步实施。

为使学生成为从事工业机器人设备安装、编程、调试的高级技能人才，笔者通过对嘉兴技师学院工业机器人实训基地建设的策划、探索与实践，采用了以下建设架构：

（一）通用技能实训室是基础

工业机器人是机电合一的高技术含量的产品，要驾驭其设备必须以机、电等基础技能为抓手。按照高技能人才培养的要求，本着“实际、实践、实用”为原则，设置通用技能实训室，如：电气控制实训室、电子装接室、传感器实训室、单片机室、PLC室、调速室、网络实训室、液压与气动室、CAD/CAM实训室、机械拆装室等。通过实训，使学生完成通用工作的基础技能操作并达到其要求，为工业机器人的基本技能实训打下良好的基础。

（二）微型机器人实训室是兴奋剂

为激发学生学习机器人的兴趣，提高学生的探究能力，创设微型机器人实训室。以微型机器人为实训对象，创新实训教学内容、方法和手段，全面引进先进教学实训模式，使学生能在“玩中学、学中玩”，提高学生的探究能力、创新能力和动手能力，提升整个教学实训水平，并不断地扩展和延伸，使之能够广泛适用于各个专业教学实践和创新要求。让学生在认识和学习机器人基础知识的过程中形成系统化的认识，并将所学到的机械、电路、信号、检测、控制、软件与系统等课程的内容融会贯通，理论联系实践。学生通过搭建各种自动机构与机械手等建立工程自动化机器和自动化系统，提升学生对零件、机构、机器、电气、编程及信息的理解与联系，为真正进入工业机器人的学习奠定扎实的基础。

（三）数字仿真实训室是润滑剂

工业机器人虚拟仿真实训室的建立，有利于提高学生的参与性，同时对经济的有效性及设备安全性均有较大的提高。通过建虚拟仿真实训室，可以缓解大量设备的投入所带来的经济压力，缩短上机时间，还可以避免因新学专业而对设备的撞击与破坏，也可以避免学生初次操作心理的恐慌与担忧。虚拟仿真又分两种方式，一种全虚拟的，另一种是半虚拟的。全虚拟即机器人本体、控制器及示教器全部是虚拟的；而半虚拟，除机器人本体虚拟外，其余部分是实体的，可以实施一机多台，这样学生操作时有手感并且将来适应面广。通过虚拟实训室的实训学生可以掌握机器人的运动模型创建、点到点与运动精度的控制，还可对末端夹具、节拍时间、工作范围等实施验证，从而不断优化解决方案，实现人机交互。

（四）工业机器人基本技能实训室是纽带

工业机器人的基本技能实训室是将原来单一专业方向的实习向复合方向实习过渡与转换的关键环节，通过简易单体的机器人操作，加强学生安全意识与规范意识的培养，让学生初步掌握如何与工业机器人“打交道”，知道如何使机器人动起来。在工业机器人基本实训中心，学生通过这个环节的实训，掌握工业机器人示教器的安全与规范操作，以及点位示教、基本运动指令编写、常用参数的设置、IO控制应用及多种场合下线面程序的编辑等操作本领。

（五）工业机器人应用实训中心是核心

工业机器人一般是工业生产中的中间环节，目前主要起到的作用大多是搬运功能，要想在生产中发挥更大的作用，就必须配合机器人的各种末端组成应用工作站，为此在规划工业机器人实训中心时有必要设置应用实训中心。通过中心的实训，学生从工业机器人的基本技能的初学者成长为具备一定知识与操作技能并能解决简单问题的“熟练工”。在这个实训环境中，主要通过工业机器人多种典型的工作任务，如分拣、码垛、上下料、焊接、装配和喷涂等基础应用单元的学习，让学生加强工业机器人硬件系统和配套软件的衔接，熟悉包含机器人本体以外的外设机电系统的应用与维护。在工作站中，要求学生掌握工业机器人本体与控制器的安装接线、工业机器人初始化与参数恢复、工业机器人与PLC的IO通讯、工业机器人的IO接线、工业机器人常见应用程序的编写与调试及工业机器人控制末端的选择等的操作与基本应用技术。

（六）工业机器人综合应用实训中心是翅膀

机器人工作站多数用在产品生产工艺简单的场合，对于产品工艺复杂的生产，常用综合应用中心或自动生产线，它可以实施多台机器人间的协作作业从而实现自动化生产。学生在工业机器人综合应用实训中心或生产线现场，可以通过大量的案例操作，学习到工业机器人在多领域应用的系统，其中包括机器人本体的装调、外设自动化机电设备的装调、单元程序的设计、控制电气单元的设计及末端控制器的选择、设计与调试等任务的学习。这时需要与真实加工生产线一致的多数量、多种类的工业机器人综合系统来进行“实战训练”，通过对真实的自动化生产线的操作、保养、维护及维修推动专业综合知识与技能的学习与提升。实现这个目标是一个渐进的过程，需要通过大量的实训、实习来获取技能，从而促进学生的综合分析能力与解决问题能力的全面提高。

机器人是集机械、电气、信息、传感器及气动于一体的集成产品，技术含量高，理论跨度大。要掌握应用与维护机器人必须从基础抓起，从理论认知规律出发，夯实实训基地的基础设施设备，优化一体化教学的实训环境，系统规划，高端引领，分步实施。

在“机器人革命有望成为第三次工业革命的一个切入点和重要增长点，将影响全球的制造业格局”的今天，工业机器人的实训基地建设尤为重要。笔者认为：如果实训基地的建设采用科学规划、合理造型、校企合作、产学研用一体，就能为快速培养出合格的企业急需的专业人才奠定基础，就能让职业教育更好地服务于工业的转型升级！

【参考文献】

[1]人力资源和社会保障部.全国技工院校专业目录（2013年修订）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2013.

[2]广州市机电高级技工学校组编，赖圣君主编.机电一体化专业（工业机器人应用与维护方向）人才培养方案[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]广东三向集团有限公司.工业机器人应用与维护专业建设整体解决方案[Z].