探究式学习在弧焊机器人实践教学中的应用

乔 佳，高党寻，姚启明，王龙兵

（清华大学基础工业训练中心，北京100084）

0 前言

近年来，随着我国劳动力成本的逐渐提升，以廉价劳动力为支撑的“中国制造”经济模式难以为继，越来越多的加工制造企业关注以焊接机器人为代表的焊接自动化技术[1]。根据国际机器人联合会（IFR）2015年的统计数据，截止2020年，工业机器人将达到26.8万台，约30%的工业机器人会被应用到焊接领域[2]。焊接作为工业中的“钢铁裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量好坏对产品质量起决定性作用，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接工作环境非常恶劣。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品的自动化、柔性化与智能化成为必然趋势，采用机器人焊接成为焊接技术自动化的主要标志[3]。

机器人焊接技术经过十几年的应用实践，已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。对于清华大学基础工业训练中心材料成型实验室KUKA弧焊机器人实践教学而言，仅仅让学生掌握弧焊机器人基本操作与编程远远不够，探究式学习尤为重要。因此，在此基础上加入基本焊接工艺参数调节环节，不仅使学生了解KUKA弧焊机器人的组成和功能，以及基本操作与编程，还可以让学生通过调节焊接工艺参数来了解其对焊缝成形质量的影响，进而更全面、更深刻地认识机器人弧焊。

1 教学方案与实践内容

1.1 KUKA弧焊机器人实践资源与设备

弧焊机器人实训室自2015年开建，目前占地面积近百平方米，设备资产300余万元，实训室场地规划如图1所示。该弧焊机器人实验室有3个弧焊机器人工作站，如图2所示，并设有大吨位单、双轴变位机，柔性工作平台等辅助机器人完成复杂焊接工艺。弧焊方法涉及CO2焊、MIG/MAG焊。

图1 弧焊机器人实训室场地规划

1.1.1 工作站组成及系统功能[4]

（1）单机器人弧焊工作站配备1台KUKA-KR5 ARC机器人；1台KEMPPI-KP 350惰性气体保护焊电源（带送丝机、防撞焊枪），可以焊接铝合金；1个工作台（配平焊对接焊接卡具）；1台KUKA DKP-400双轴焊接变位机。

图2 弧焊机器人工作站

（2）双机器人弧焊工作站配备2台KUKA-KR5 ARC机器人；2台KEMPPI-KS 300二氧化碳气体保护焊电源（带送丝机、防撞焊枪）；2个工作台（分别配装平焊和角焊焊接卡具）；1台KUKA单轴焊接变位机。

（3）多机器人弧焊工作站配备3台KUKA-KR5 ARC机器人；2台KEMPPI-KS 300二氧化碳气体保护焊电源（带送丝机、防撞焊枪）；1个工作台（配装平焊和角焊焊接卡具）；其中1台机器人配备气抓并且带地轨，可实现移动抓取。3台机器人通过PLC控制，协作完成管板焊接。

1.1.2 弧焊机器人实训室设备配套

（1）平台可实现焊接过程的实时监控，有效分析焊接过程中的熔池形状。较为先进的激光焊缝跟踪技术可实现高品质焊接，具有智能焊接过程的重要特征。

（2）对机器人控制系统同时开发了弧焊功能软件，实现在激光视觉传感焊缝跟踪下的中厚板多层多道焊接。保证教学安全，建设多种安全防护系统、机器人防碰撞装置。

1.2 KUKA弧焊机器人实践具体内容

1.2.1 实践教学内容与目的

实践环节分为4个阶段。第一阶段为基本理论讲解，主要目的是使学生了解KUKA弧焊机器人基本概念、发展现状、特点及应用；第二阶段为基础编程操作讲述，目的是使学生掌握KUKA弧焊机器人示教在线编程，具备完成机器人焊接任务的技能，以及安全意识的培养；第三阶段为分组进行信息收集、工艺探索、实验操作，以“任务驱动”模式完成焊接，最终得出不同材料、不同板厚、不同接头形式的较为合理的焊接工艺参数，是实践环节的最重要阶段，主要目的是使学生在操作过程中体会焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响；第四阶段为总结讨论，针对实践过程进行成绩评定，目的是使不具备熟练焊接实操能力的本科生通过弧焊机器人更深刻地认识焊接工艺参数，加强学生探索精神、团队协作能力、工程意识的培养。

1.2.2 教学模块及时间占比

探究式学习课程模块分为：KUKA弧焊机器人基本概念、示教在线编程学习、基本操作技能训练、焊接工艺参数探索、团队协作能力及工程意识锻炼。课程时间占比如图3所示，课程内容流程如图4所示[3]。

图3 时间占比

图4 课程内容流程

1.2.3 分组操作环节具体实施

实践中最为重要的环节是模块三——分组操作，目的是使学生更直观地了解焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响，具体实施如下。

（1）布置任务。

将学生分为4组，低碳钢变焊接电流组、变电弧电压组、变焊接速度组以及铝合金变板厚组，分别完成不同板厚、不同接头形式的焊接。

（2）分组讨论、资料收集。

提供相关焊接工艺参数表，学生筛选、收集资料，并根据资料讨论焊接工艺参数范围。

（3）实验操作、工艺探索。

各组根据得到的参数范围进行实验探索，找到较为合理的焊接工艺参数，如电流、电压、焊接速度等。

（4）填写实习任务书。

将得到的参数填入表内，进行不同接头形式、厚度、材料之间的对比。任务书如图5所示。

图5 任务书

2 探究式学习过程

在探究式学习中，学生自主探究过程也是其积累知识、掌握科学研究方法和提高能力的过程。为此，在弧焊机器人实习过程中应特别重视探究过程各个实施细节的设计，更有效地提高课程的学习质量[5]。

（1）提出探究问题。

在弧焊机器人实习过程中提出“焊缝成形质量与焊接工艺参数有怎么样的关系”这一问题，原因在于学生在手工焊接实习过程中由于缺乏熟练的焊接操作技术并且实习时间较短，无法深刻地认识到焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响，在此利用弧焊机器人对这一问题进行探究。先使同学们认识焊缝成形（熔宽、熔深、余高），以及MIG/MAG焊焊接工艺参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度、送丝速度、焊接位置、热输入等）。然后让学生们进行假设和猜想，据此形成具体的实验方案。对于非焊接专业的本科生，只进行焊接电流、电弧电压、焊接速度对焊缝成形质量影响的探究。

（2）培养基本实验技能。

为保证后续探究活动的顺利进行，指导老师在探究活动开展前集中讲解弧焊机器人的一些基本知识以及焊接指令的示教在线编程。为了培养学生的基本实验技能，将学生分成小组进行操作练习，在短时间内掌握基本示教在线编程。

（3）生成实验方案。

为生成实验方案展开各抒己见、集思广益的讨论，不仅有益于顺利生成具有可行性的实验方案，而且有助于学生在相互启迪中形成正确认识[5]。在讨论“焊缝成形质量与焊接工艺参数有怎么样的关系”问题时，学生们提出采用“定多变一”的方法进行分组实验。将学生分为4组，分别为4 mm低碳钢变焊接电流组、变电弧电压组、变焊接速度组以及铝合金变板厚组（都为平焊对接），然后进行编程焊接，最后记录汇总数据。

（4）实验结果讨论。

根据记录汇总进行讨论与总结，最终得出：电流越大、熔深越大，电弧电压越大、熔宽越宽，焊接速度越快、余高越高，这些变化都发生在一定范围内。在实际生产焊接时应综合这些变量，通过一系列合理的焊接工艺参数设置才能得到符合要求的焊缝。为使学生深刻地认识到这一点，有了下一步的实验结果优化环节。

（5）优化实验结果。

在实习过程中不仅要通过“定多变一”的方法完成“焊缝成形质量与焊接工艺参数有怎么样的关系”这一问题的探究，还要使学生对不同材料、不同焊接接头形式有一定的认识。因此，让学生利用上一环节的探究结果继续探索3 mm、5 mm低碳钢平焊对接，以及4 mm低碳钢、4 mm铝合金角接形式的较为合理的焊接工艺参数，较为全面地认识焊接。

（6）指导老师积极引导、适时点拨。

在整个探究过程中，学生是知识建构的主人。因此，指导老师要特别注重学生主体作用的发挥，尤其注意留给学生足够的思考和讨论时间，不要过早、过多地加以干预。对于探究过程中的关键点以及出现的一些问题，指导老师要善于与学生一起交流和探讨，并在必要时画龙点睛地进行一些点拨引导、概念提升和知识深化，以促进实验探究的顺利进行和深入开展[5]。

3 探究式学习的意义与效果

随着对焊接质量、效率要求的提高，焊接机器人系统由于能够提高焊接生产效率、降低人力成本、获得更优的焊缝质量，逐步开始代替传统的人工焊接技术，应用于工业生产中。

将科学探究引入到实践教学中，其目的是希望学生能独立地通过探究活动来获得知识，同时培养其科学态度，而不是由教师安排好一切，让学生顺着一定的途径“走”下去或将学生径直引向答案。换言之，探究的出发点在于学生方面，教只是为了服务，而不是学服从教。教学中的探究强调的是在学习过程中学生提出问题、收集资料和解决问题[6]。

在焊接实践环节中，没有焊接实操技能的本科学生要真正理解焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响具有一定难度，而借助弧焊机器人能够很好地避免人为客观因素对焊接过程的影响，再利用探究式学习可以更深刻地认识焊接工艺参数。

引入探究式学习的效果显著，具体如下：

（1）培养科学探究能力。

学生从信息收集、工艺探索到实验操作，完成各组任务，再到最终得出不同材料、板厚、接头形式的较为合理的焊接工艺参数。在这些环节中，会带着问题去思考、真正地理解，类似科学工作者解决问题的思路，从而培养了学生的科学探究能力。

（2）激发实践学习兴趣。

通过任务驱动教学模式，学生分工合作，每个人都主动参与其中，经过不断探索完成任务，体会成功的喜悦，激发不断探索实践的兴趣。

（3）增加课程挑战度。

每个小组的任务不同，都需进行信息收集、工艺探索，不断反复的实验操作，寻找适合各组工件的相关焊接工艺参数。从而增加课程挑战度，同时培养学生敢于挑战的探索精神。

（4）提高综合素质。

采用探究式学习，学生在做中学，在思考中学，注重学生之间的协作、讨论、反思，建立民主、宽松的教学环境。提高学生实习效果，激发实践兴趣，培养科学探究能力、团队协作能力以及工程素质。

4 结论

随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化成为必然趋势，采用弧焊机器人成为焊接技术自动化的主要标志。弧焊机器人实验室是清华大学基础工业训练中心重点建设实训室，在此基础上将继续建设更科学、更智能、更数字的弧焊机器人实训室，开发更有效、更有吸引力的弧焊机器人实践课程，不断探索其在人才培养、科研服务上的思路，为建设一流大学添砖加瓦。