焊接机器人操作与应用课程教学改革与实践

郎绍程，方 舟，徐 建

（1.嘉兴南洋职业技术学院，浙江嘉兴314031；2.嘉兴禾东船业有限责任公司，浙江嘉兴314021）

焊接机器人操作与应用课程教学改革与实践

郎绍程1，方 舟1，徐 建2

（1.嘉兴南洋职业技术学院，浙江嘉兴314031；2.嘉兴禾东船业有限责任公司，浙江嘉兴314021）

根据高职院校培养高技能应用型人才的目标，依托嘉兴禾东船业有限责任公司，深化产学研人才培养方案，对船舶工程专业的焊接机器人操作与应用课程进行改革与实践，采取任务驱动法推进教学创新、将“现代学徒制”应用到教学实践、完善教学评价体系等途径，达到促进职业教育改革与智能制造技术相融合的目标，最终实现学生熟练掌握焊接机器人技术，全面提高其综合应用能力。

焊接机器人；船舶工程专业；现代学徒制；任务驱动法

在过去几十年里，由于政府的支持、廉价劳动力的供给以及稳定的汇率使中国的船舶制造业得到了快速发展。但是，近几年随着全球化经济的巨大变化、国内劳动力的成本不断提高，使得我国船舶制造行业面临着巨大产业转型和优化问题。而工业机器人的出现改变了传统意义上的工人作业活动，它可替代工人完成脏、累、危险或重复性的工作，具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好等特点，并能有效减小人为因素对产品质量的影响，提高了产品的市场竞争力。对于船舶行业来说，由于船舶构件庞大且一般为封闭结构，在船体焊接过程中所产生的烟、有毒气体和高温等问题对工人造成严重的身体伤害。为此，“机器换人”将成为众多企业，包括船舶行业的必然选择。

对于高职院校来说，为了适应社会发展的需求，实现与传统本科院校的错位竞争，将学校定位于培养高技能应用型人才，有必要开设工业机器人的相关课程，开发机器人的教育功能并发掘其教育价值。嘉兴南洋职业技术学院在2015年成功申报了嘉兴欣禾职教集团“嘉禾船舶2015现代学徒制试点班”项目，以嘉兴禾东船业有限责任公司为依托，深化产学研人才培养改革，不断推进教学创新，促进职业教育改革与智能制造技术相融合，对内河造船企业的技术创新和产业转型起到示范作用。

1 船舶焊接机器人的国内外研究进展

1.1 国外发展现状

自上世纪60年代，国外船舶制造行业对产品加工精度逐渐提高。目前，日本船厂的焊接机器人已经达到相当高的水平。日本石川岛播磨重工成功研制“平面分段和开口处理”造船系统，用于造船自动化；日立有明、广岛、千鹤等船厂在船体建造和管子加工中应用弧焊机器人；日本钢管津船厂采用自动高速旋转电弧焊，能很好地控制焊接精度并提高焊接速度。

韩国造船企业在20世纪90年代大量引进先进造船技术，利用机器人技术对现有的造船设备逐步加以改造。其中，韩国三星重工已广泛地在装配车间应用智能自动焊接系统的机器人装配船舶钢结构；韩国大宇重工玉浦船厂在1995年就建成焊接机器人平面分段生产线。

美国为了争夺在国际船舶制造市场份额，上世纪80年代其军船研究办公室联合纽波特纽斯船厂的造船专家、船级社和技术研发单位等提出了一种先进的双壳船建造技术概念，即遥控升降焊机，通过激光传感器将工作进程反馈给控制人员，从而在控制人员的操控下精确地完成焊接工作。

从国外船舶行业使用焊接机器人情况可见，其发展方向是将原有的造船机器人技术进一步完善来提高焊接过程中的控制能力和精度。同时，对于一些还未使用焊接机器人的船厂具有一定的示范作用，提高了企业竞争力。

1.2 国内发展现状

对于我国船舶行业来说，“机器人”的应用必将给船舶建造带来革命性的变化。随着劳动力成本不断攀升，船舶企业采用自动化焊接设备来降低人工和管理成本以提高造船效率和产品质量，赢得市场竞争力。目前，南通中远川崎船舶工程有限公司采用焊接机器人焊接船体结构以及分段；广船国际股份有限公司、广州文冲船厂有限公司和中船澄西船舶修造有限公司主要采用焊接机器人焊接船舶管系以及法兰；大连船舶重工集团有限公司联合唐山开元机器人系统有限公司，采用焊接机器人对船舶结构模拟工件实行平焊、横焊、立焊3项内容。

在当前经济形势下，部分高校也针对焊接机器人做了很多的研究和教学改革。江苏科技大学和昆山华恒焊接设备技术有限公司合作，研究焊接机器人在船舶管系和法兰焊接等构件中的应用，并将其在上海外高桥造船有限公司进行实践。同时，宁波工程学院、大连职业技术学院和长春汽车工业高等专科学校等对焊接机器人技术也做了课程教学改革与实践，取得了良好的教学效果。

2 焊接机器人操作与应用课程教学内容

焊接机器人所涉及的学科主要有机械制图、力学、材料、机械原理、现代控制理论等相关科目。对于高职院校的学生来说，从理论知识上学习焊接机器人技术，无疑增加了难度，容易造成学生由于不理解而导致厌学情况的发生。因此，引入“实训教学改革方法”，即任务驱动教学方法，此教学法不仅仅能够全面系统地向学生传授焊接机器人的使用方法，而且更注重指导学生正确操作焊接机器人及其相关设备，从而激发学生的学习兴趣、锻炼学生的实践能力，最终让学生在实际操作时具有处理和解决各种问题及故障的能力，并通过教学—实践—应用，检验教学效果。课程教学内容主要包括以下部分：

2.1 课程教学

由于船体大部分结构都采用钢板焊接而成，因此，学院以船舶工程专业学生为试点，大力开展与机器人技术相关的教学课程，结合机械、电子、计算机等相关学科，把涉及到的知识融入到焊接机器人教学中。充分利用各种教育资源，采取多种教学手段，如多媒体教学、模拟仿真训练等，从中穿插机器人认知等内容。

2.2 实验教学

以理论和实践相结合的形式，在实验课中设置综合性或开放性的问题，鼓励学生敢于实践，要求焊接过程全部由个人独立完成，并且操作机械设备尽可能熟练。最终，使学生掌握焊接机器人技术以及相关学科的内容。

2.3 认识与生产实习

学院船舶工程技术专业，以“嘉禾船舶2015现代学徒制试点班”项目为契机，以嘉兴禾东船业有限责任公司为依托，组织学生多次到禾东船业公司参观、实习，保证课程改革的顺利进行。

3 焊接机器人操作与应用课程教学研究

3.1 教学准备阶段

随着国家大力推动高技能人才培养新模式和提升高校科研能力，学院启动了科研发展规划，即在嘉兴市政府和船舶企业的支持下，成立科研建设小组，加强科研团队的建设，为科研与教学创造良好的环境。

学院为焊接机器人技术实训室提供了专门的教学场地，并在嘉兴欣禾职教集团“嘉禾船舶工程学院”产学研共同体项目的资金支持下，为实训室购置了日本川崎焊接机器人，保障了实训教学的顺利实施。同时，依托“嘉禾船舶2015学徒制试点班”项目，在教学方法改革和项目化课程开发方面提供了理论支撑。在购买焊接机器人设备的同时，设备厂商附带了相关的技术和培训文件，主要包括焊接机器人《操作手册》 《电弧焊操作》 《故障检查和排除手册》 《安全手册》等，以及配套设备的使用说明书。同时，通过网络查找相关焊接视频并借鉴其他高校的培养方案，学院提出一套适合本校学生的教学体系。

3.2 教学模式确定

在传统教学模式中引入任务驱动教学法，采用设备厂商所提供的材料重新编排教学进度表、教学大纲以及教学内容，并开发焊接机器任务书、收集典型焊接机器人应用视频、增加焊接机器人应用案例教学等。在课程教学改革过程中，通过布置任务，利用焊接机器人学习工作页和典型焊接机器人应用视频，调动学生学习的主动性、创造性和积极性，最终完成任务。通过课程学习，使学生在完成任务过程中理解焊接机器人的基础知识，如自由度、驱动和控制系统；掌握利用焊接机器人示教器进行编程，使学生从软件、硬件两方面均掌握焊接机器人应用技术。同时，不断完善教学内容，增加焊接机器人应用案例，促进焊接机器人操作与应用课程的教学改革。

3.3 课程学习任务书制订

由于传统教学方法与实际焊接机器人应用技术、能力培养模式相脱节，学生可以根据焊接机器人学习任务书了解焊接机器人操作与应用课程学习目标、内容和要求；同时，学生可以根据任务书中的引导性问题，发散思维、自主学习，针对给定的任务，提出解决方案、编写焊接机器人示教程序并在工作站进行实操验证。通过学习，不仅有利于学生对焊接机器人更深层的认识，也能激发学生学习兴趣、促进学生创新能力的培养、提高课程学习质量。

焊接机器人学习任务书的基本组成包括焊接机器人本体、控制器、示教器、焊接电源，送丝机构及焊枪、气瓶和焊机；主要技术参数有自由度、工作精度、工作范围、最大工作速度以及工作电流电压；示教器的使用方法包括学习示教器控制面板功能和焊接机器人示教器编程；电弧焊接操作包括对焊接机器人设备开启与关闭、电流与电压控制、示教器编程、辅助功能，以及焊接机器人日常维护与安全和一些引导性问题的学习。

3.4 课程案例教学设计

3.4.1 任务描述

第一，熟悉焊接机器人示教器的使用方法；

第二，掌握焊接机器人各手臂在各轴、基础和工具三种不同坐标系下的运动形式；

第三，通过给定任务，使用示教器编写焊接程序，通过调试和运行完成焊接任务。

3.4.2 任务实施

首先，让学生回顾焊接机器人的主要组成、相关设备功能以及操作方法，并简要讲解焊接机器人工作原理及工作过程。

其次，授课教师利用示教器演示焊接机器人在不同坐标系下各个轴的运动情况，帮助学生了解焊接机器人的运动方式、作业空间和相关问题。

第三，熟悉焊接机器人示教器上的按键功能。示教器是焊接机器人进行示教和编程的主要通信工具，在学习过程中，要求学生通过阅读示教器的使用说明了解其各种功能键，并要求学生利用示教器设定一个安全的速度去分别驱动焊接机器人轴上的每个电机，进一步加深理解焊接机器人的自由度和运动范围，为下一步的焊接任务做好准备。

第四，根据焊接任务提出一些发散性问题，如焊接过程中如何修改设置参数、三个坐标系下的机器人运行优缺点等，让学生分组讨论进行学习、记录并提出问题的解决方案。

第五，以嘉兴禾东船业有限责任公司为依托，安排参与焊接机器人培训的学生定期到船厂进行学习和实习。通过企业以师带徒的形式进一步完善学生操作技能，解决在焊接过程中遇到的问题，最终校企双方以及学生共同对教学质量进行考核和评定。

3.5 课程考核评价体系建立

考核评价是检验教学方法在教学体系中是否可行、能否作为以后考核标准来进一步优化的一种方式，若考核评价在该课程中不适用，则由其他考核方式来取代，但其常常成为被忽略的一个重要环节。从教师角度来看，运用合理的考核评价对学生的努力给予肯定，有助于学生建立起自信，激发其学习兴趣，同时也对学生的学习效果做出准确反馈，使其能够从中发现不足之处，解决问题，形成从理论到实践再到理论的学习方法，具有良好的学习效果。

考核评价的根本目的在于提高学生学习的积极性，提升教学质量。而传统的教学模式中，考核评价通常是以考试为主、平时成绩为辅，两者加权平均。这种考核评价方式存在以下问题：抄袭现象严重，导致学生的学习积极性下降；以最后考核为准，忽视操作过程，无法对学生的思考和操作过程做出正确评定；以老师为主导的教学方式，不利于引导学生自主学习，评价结果较差。为此，在引入任务驱动法教学的同时，应该重新建立与其相符合的更高效、更合理评价体系。

3.5.1 改变考核评价理念

以任务驱动法为核心的评价体系，将原有以“结果”为标准的评价方法改变为整个任务完成的“过程”。在完成过程中，以所涉及到的知识点作为评价准则，形成将静态化为动态的考核方式，进一步了解学生的学习情况。通过各个环节的指标加权对学生做出科学评定。

3.5.2 增加学生自评、互评

将以往以单一教师评价为主的评价方式，扩展到教师评价、学生小组互评、学生自评相结合的评价模式。其中，教师评价保证了评价的客观性、专业性和准确性；小组互评激发了各小组之间的竞争意识，进一步巩固和完善了课程知识。

3.5.3 增加企业师傅评价

根据企业师傅对学生在企业中实习情况进行评价，能够真实反映出学生对焊接机器人技术的掌握情况，以及企业对人才的需求。同时，基于评价情况修订原有的教学内容，形成良性循环，最终增强教师教学主体意识、提高学生的自身操作能力。

本文结合焊接机器人发展现状以及高职院校的人才培养方案，探索出适宜嘉兴南洋职业技术学院的焊接机器人操作与应用课程教学模式，提出了课程教学改革方法，即在焊接机器人操作与应用课程教学过程中，基于现代学徒制的“校企合作、工学结合、顶岗实习”的人才培养模式，以社会需求为导向，坚持以“学生为主体”的教学新观念进行教学改革。课程的教学改革，调动了教师和学生的积极性，丰富了教学内容，使学生在掌握焊接机器人相关知识的同时，提高了学生综合应用知识的能力、增强了个人就业优势。

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[5]陶海斌,彭永桂.“机器人”助船舶企业赢得市场[N].中国船舶报,2013-10-09(06).

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[7]邹家生,金玉嵌,严铿.船用管-法兰机器人焊接工艺技术研究[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2009(1)：23-26.

［责任编辑：刘 月］

Teaching Reform and Practice on the Course of Operation and Application of Welding Robot

LANG Shaocheng1,FANG Zhou1,XU Jian2
(1.Jiaxing Nanyang Polytechnic Institute,Jiaxing 314031,China;2.Jiaxing City Hedong Ship CO.,LTD,Jiaxing 314021,China)

According to the goal of cultivating high-skilled and application-oriented talents in higher vocational colleges and based on Jiaxing City Hedong Ship CO.,LTD,talent training of industry-college-research cooperation has deepened and the reform and practice on the course of operation and application of welding robot in Ship Engineering has carried out.For the goals ofcombining vocational education reform with intelligent manufacturing technology,and finally making students master welding robot technology and enhancing students'comprehensive practical abilities,the author adopts task-driven method to promote teaching innovation ,applies modern apprenticeship system into teaching practice and makes teaching evaluation system perfect.

welding robot;Ship Engineering;modern apprenticeship system;task-driven method

G710

A

2095-5928（2017）02-31-05

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2017.02.009

2017-01-10

嘉兴市欣禾职业教育集团2015年度集团现代学徒制试点项目（嘉欣职 [2016]1号）；嘉兴南洋职业技术学院2016年度校级课题（XL1603）

郎绍程（1987-），男，辽宁抚顺人，助教，硕士，研究方向：船舶焊接技术及船舶尾气排放与控制。

方舟（1983-），男，浙江乐清人，讲师，硕士，研究方向：船舶总体性能。

徐建（1991-），男，江苏扬州人，助理工程师，学士，研究方向：船体结构。