高职工业机器人示教编程实训教学模式探究与实践

邓斌

[摘           要]  在工业机器人示教编程实训教学中，依据对现场工业机器人应用企业及制造集成企业的充分调研，结合现场专业岗位能力需求，设立人才培养目标，以现场工作过程为导向，安排设计实训内容，遵循学习认知规律，设计优化了多样化分层递进的实训任务，明确了未来工业机器人示教编程实训教学的改进方向，形成一套贴近现场应用实际、符合专业人才需求、遵循实践教学规律的工业机器人示教编程实训教学模式。

[关    键   词]  高职;工业机器人示教编程;实训教学模式

[中图分类号]  TP242.2             [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2018）27-0146-02

工业机器人（Industrial Robots）是一种面向工业制造领域，模仿人的手臂运动功能，结合多种专用末端操作器，替代人工劳动，具备自动化、智能化特征，集成了密集的机电控制技术的机器设备。其现场典型应用主要包括工业机器人搬运、装配、码垛、点胶、焊接切割、激光打标、打磨抛光去毛刺、喷涂喷釉喷砂、自动化产品质量检测等。主要应用机型为6轴垂直关节型和4轴平面关节型。工业机器人技术作为智能制造技术浪潮崛起的关键，是世界制造大国争先抢占的第四次工业革命的制高点。《中国制造2025》和《机器人产业“十三五”发展规划》的出台，标志着我国对机器人技术发展做出了顶层规划。推进工业机器人的快速发展与装备应用，业已上升到国家产业战略的层面。工业机器人技术的推进发展与广泛应用，必将重塑整个现代工业，自然成为当前高职院校自动化类专业群优先重点发展的专业领域。

一、依据专业岗位能力需求，明确人才培养目标

平顶山工业职业技术学院于2009年开始在机电一体化专业开设《工业机器人技术》专业课程，于2012年与富士康科技集团校企共建工业机器人技术实训室，并派遣教師赴合作企业一线挂职锻炼，培育专业师资，设立工业机器人与自动化技术订单班，于2015年申报设立工业机器人技术专业，并经过充分考察与调研，引进工业机器人多功能快换系统和工业机器人柔性自动生产线，建成工业机器人实训中心。在此过程中，我们接触走访了多家工业机器人应用企业及工业机器人设计制造与系统集成企业（包括富士康新郑厂区和深圳观澜厂区、武汉华中数控、许昌森源电气、江苏汇博机器人等企业），了解到各类型企业生产一线对工业机器人高素质技术技能人才的真实客观需求。其中，广大机器人制造厂商（制造方）及其集成商（销售方）主要需求大量生产制造、设计集成、安装调试、销售及技术服务等专业领域工程师和技术员。同时，广大制造类企业作为使用工业机器人的客户（购买方），则需要大量操作与维护、编程与调试、维修与保养等应用工程师。

专业人才培养应符合行业对所需人才的培养要求和需求规模，依据上述调研结果，我们把高职阶段工业机器专业人才培养主要定位在以下三种培养难度适度但需求规模大的岗位：（1）工业机器人的操作与应用;（2）工业机器人工作站的安装与调试;（3）工业机器人的维修与保养。主要面向应用工业机器人及其周边自动化设备进行生产的制造类企业，培养专门技术人才，从事机器人及其相关机电设备的运行维护、安装编程调试和日常管理。因此，我们将工业机器人示教编程实训作为人才培养中的基础核心实践课程。

二、以工作过程为导向，确定实训教学内容

根据本人在不同应用企业参加设备操作培训和生产现场顶岗实践所得经验，综合校内工业机器人技术领域相关理论课程的讲授内容与开设进度，对照实际工作过程，将工业机器人示教编程实训的教学内容设计安排如下：

（一）工业机器人型号分类

工业机器人主要分为串联型和并联型两大类别。其中，串联型又可分为6轴垂直关节型和4轴平面关节型，此外还有利用连杆机构传动的专用码垛机器人。并联型机器人应用领域相对较狭窄，主要是一种悬挂安装的高速分拣型机器人。

（二）工业机器人设备组成

主要包括电控箱、示教器和机器人本体。电控箱和示教器作为控制部分，包含控制硬件和控制软件两方面，控制硬件主要由工控机、运动控制卡和伺服驱动器组成，控制软件则主要包含了路径规划、坐标转换、程式转译、VB/VC编程等技术。机器人本体作为运动执行部分，主要包括本体结构设计、伺服电机、减速器、轴承、高耐久性配线等核心组成部分。

（三）安全操作规程与注意事项

（1）工业机器人设备搬运安装注意事项及基座安装固定要求;（2）现场安全防护装置;（3）用电安全及工作现场的防水防尘防爆要求;（4）开机前检查事项及规范操作流程;（5）示教操作避障与危险状态下的紧急处置;（6）关机前注意事项及规范操作流程;（7）定期维护内容（主要包括关节机械零点校正、伺服系统编码器蓄电池更换、定期暖机润滑等）。

（四）工业机器人示教操作

（1）轴坐标示教;（2）直角坐标示教;（3）利用三点示教法自定义坐标参考系。

（五）工业机器人运动编程

1.编程基础

（1）直角坐标与轴坐标。（2）工作坐标参考系与工具坐标参考系。（3）插补控制：包括点对点运动、直线运动、圆弧运动等三种基本运动形式，三者共同遵守最短路径原则，即求出插补运动控制的最优解，使得机器人本体各关节在运动全过程中整体运动幅度最小。（4）目的点位到达确认方式（到达目标点的精度选择）：包括顺滑运动、定点运动、编码器数值确认运动三种精度等级，其顺序为精度递增顺序。（5）速度设定：分为外部速度设定和内部速度设定，其中内部速度又可分为全域速度（未设定时，默认为100%）和区域速度，均以百分比形式给出，将三项速度百分比连乘的结果作为速度设定的总百分比，再乘以最大速度，得出的便是实际运行速度。

2.基本运动指令

以FoxBot工业机器人为例，主要包括Move、Draw、Drive、DriveA等四条运动指令。

（六）工业机器人辅助功能指令与程序结构

主要包括有限次循环、带条件判断的循环、跳转、条件控制、变量的声明定义、IO通讯、计时、延时、显示、循环嵌套、分支嵌套、算术运算、逻辑运算等。

三、遵循学习认知规律，设计多样化分层递进的实训任务

实训教学，我们一直以来坚持理实一体化的教学理念，发挥学生在实践教学中的主观能动性，教中做，做中学，学中做，采用五步教学法，即明确任务、示范讲解、学生实施、学生自检、教师总结，充分体现学生为学习主体，也收到了较好的教学效果，基本达到了实践能力的培养目标。但具体到工业机器人示教编程的实训教学实施，因为工业机器人系统的技术综合性与复杂性，以及本身工业机器人设备操作中伴随极高的危险性，操作中稍有疏忽就可能造成机器人本体碰撞损伤，甚至造成人身体伤害事故，所以造成很多学生在实训操作练习中，主观畏难情绪浓重，急于应付完成任务了事，造成基础操作练习不扎实，为后续实训任务的开展埋下隐患，或另一种情况下，学生主观学习兴趣浓厚，急于上手操作，却未充分认识到操作风险，更未全面掌握操作技巧便急于操作，带来较大的操作风险。

针对以上出现的不良情况，我们重新分析梳理了工业机器人示教编程的全部实训操作项目，明确了工业机器人示教训练环节是获得操作技巧、降低操作风险的关键，并针对示教操作学习内容，重新设计了由易到难、分层递进的既简单又灵活多样的机器人示教操作任务。

工业机器人示教操作环节实训任务设计如下：

（一）轴坐标系下示教的基础自由练习

主要熟悉机器人本体各轴的分布位置、运动形式、运动方向、运动范围，明确工业机器人本体运动中可能出现的几种危险姿态。在实际应用设备示教操作时，避免运行到危险姿态附近，选择安全合理的关节运动路径，从而避免碰撞风险的发生。

（二）直角坐标下示教的规定图形练习

1.沿本体坐标系x轴、y轴，在x-y平面内，完成边长为100mm的正方形轨迹示教，主要训练运动方向的判别，坐标变化的计算与监视执行，以及使用“固定距离”的运动模式简便快捷完成规定尺寸图形的示教。

2.沿本体坐标系x轴、y轴，在x-y平面内，完成边长为100mm的等边三角形轨迹示教，主要训练利用几何方法，依据运动分解的思路，将任意方向运动分解设计为沿坐标轴方向运动的示教操作步骤，明确示教操作仅为确定关键点位的核心目的，区别于规定图形的编程运动轨迹。

3.沿本体坐标系的x轴、y轴、z轴，在x-y-z三维空间内，完成棱长为100mm的正方体轨迹示教。本任务主要是把刚才的二维示教训练成果及经验推广到更贴近真实应用问题的三维空间应用，着力强化空间想象能力和复杂路径的规划设计与示教执行能力，为在实际工业机器人应用系统中，设计合理安全、简便易行、平稳流畅的运动轨迹提供实践经验积累。另外，本任務的正方体运动轨迹没有唯一性，学生可设计出多种示教执行方案，具有较强的开发性与灵活性，大家执行展示过自己的示教运动方案后，可以展开分析与讨论，比较各种方案的优缺点，依据安全合理、简便易行、平稳流程的轨迹设计原则，不断淘汰有问题的方案，优中选优，优化示教运动方案。

（三）自定义坐标系

通过三点示教法，可完成任意运动方向和任意工作平面上的直角坐标系示教，主要包括工作坐标参考系（Work Frame，简记为WF）和工具坐标参考系（Tool Frame，简记为TF）两种基本类型，其中，工具坐标参考系是建立在机器人本体末端中心点或工具中心点（TCP）的动态坐标系。自定义坐标系方法的引入，为现场工业机器人设备的安装调试维护提供很大便利，比如工业机器人应用系统在现场安装后，设备实际安装位置与设计的理论值难免存在较大偏差，此时只用对自定义坐标系重新做三点示教即可，避免了对大规模运动点位重新示教。

四、教学模式改进方向

虽然目前我们的实训课程的开展在依据专业岗位能力需求、明确人才培养目标的基础上，以工作过程为导向，确定了实训教学内容，并进一步遵循学习认知规律，设计优化了多样化分层递进的实训任务，但工业机器人技术作为一门新兴的专业综合性较强的学科，现场应用推广迅速，新的应用方式和工艺方法不断涌现，需要我们不断走进现场应用一线，产教融合，校企合作，把现场对专业人才的新要求和现场应用的新技术、新工艺带回我们的课堂，指引实训教学不断改进。

参考文献：

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[2]柳燕君.以工作过程为导向的课程模式研究与课程开发实践[J].中国职业技术教育，2009（9）：75-79.

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