高职《工业机器人安装与调试》课程建设与探索

丁健 郭琼 胡俊平

摘要：本文详细介绍了《工业机器人安装与调试》课程建设思路、课程教学内容和教学方法。通过对该课程知识学习领域和职业能力目标的探究，自主研制直角坐标机器人、六轴机器人和AGV三种工业机器人教学设备，进而按照工程教育理念凝练教学内容，设计四个实际工程教学项目以及典型工作任务。教学组织采用“任务分析、小组讨论、任务实施、小组考评”的方式，以此提高学生学习的主观能动性和课程教学质量。

关键词：工业机器人；安装与调试；典型工作任务

中图分类号：G714 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）02-0262-03

一、引言

工业机器人是一种可重复编程的多功能操作机，可用于完成加工搬运等作业任务，涉及计算机、机械工程、控制论、仿生学、信息与传感技术、人工智能等多学科领域[1]。随着《中国制造2025》的实施及产业转型升级的需求，我国工业机器人产业将会面临重大的发展机遇，根据工信部的发展规划，到2020年，我国工业机器人装机量将达到100万台，需要20万左右的各类工业机器人技术应用型人才[2]。然而，当前许多工业机器人的安装与调试还只依靠企业产品手册和培训材料，所以结合高职院校教学特色建设《工业机器人安装与调试》课程显得很有意义。

通过对工业机器人产业岗位进行调研，目前人才需求主要集中在本体及零部件设计与加工制造、安装与调试、操作与编程、系统集成、产品销售和技术支持等岗位[3]。因此，高职院校工业机器人技术专业目标应定位于培养从事工业机器人及其相关设备的安装、编程、调试、系统集成、运行维护等工作的应用型技术技能型人才。但是，由于许多高职院校开设该专业时间较短，专业课程体系尚未健全，专业人才培养质量不高[4]。所以，本文根据高职工业机器人专业培养目标，对照工业机器人安装与调试职业功能和工作内容，探索与建设《工业机器人安装与调试》课程，通过前期工业机器人安装与调试实训室建设，开发“教学做一体化项目”和“典型工作任务”课程，以提高学生的综合职业能力、专业素质和创新意识。

二、课程建设思路

根据高职工业机器人技术专业的培养目标，基于“工学结合、项目引导和任务驱动”的建设思路，该课程依托直角坐标机器人、六轴机器人和AGV（自动引导运输车）三种典型工业机器人，将工业机器人安装调试知识与技能点融入典型教学项目任务中。学生将在工业机器人装调实训室完成三种典型工业机器人安装与调试的全过程，同时坚持知识传授与操作训练为一体、多维考核与素质拓展为一体，突出职业技术教育实践能力培养，将高职院校“做中学、做中教”的教育理念贯彻于课程设计的全过程。课程教学项目由若干个工作任务组成，每个任务按照“知识学习、任务描述和任务实施”进行，以完成相应任务知识和技能要求为目标，注重工业机器人安装与调试职业能力培养，重点加强工业机器人常用传动机构安装、电气与伺服控制系统安装调试、机电联调和应用编程等方面应用能力培养，淡化机器人机构学、运动学以及动力学等理论教学内容。

三、课程建设内容

在企业充分调研和毕业生跟踪调查的基础上，本课程遵循可行性、覆盖性、趣味性、典型性和实施方案多样性原则，以三种典型工业机器人为载体，与企业合作设计开发若干教学做一体化的项目，如图1和表1所示。

1.工业机器人认知。工业机器人是一种可重复编程的多功能操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。该项目知识学习涉及工业机器人基本概念、组成与分类、现状与发展以及相关应用领域，任务实施侧重于工业机器人本体和控制柜认知，以及工业机器人操作规范。例如，了解工业机器人常用链传动、带传动、齿轮传动、螺旋传动等机械传动结构，认识典型六轴工业机器人的基座、大臂、小臂、腕部和手部结构，熟悉工业机器人控制柜常用电气元件及其工作原理，掌握机器人安全操作以及维护保养规范，使学生掌握工业机器人安装调试过程中需遵循的基本方法和技术。

2.直角坐标机器人安装与调试。该项目以直角坐标工业机器人作为教学载体，三轴直角坐标工业机器人安装在铝合金导轨式实训工作台面上，X轴、Y轴和Z轴是相互垂直的滚珠丝杆直线运动机构，可以实现滑台的平移运动，三轴运动都由相应的伺服电机驱动，机器人在工作台面上可以完成设定的写字绘图任务，其执笔装置必须按照一定的运动轨迹行走。由于直角坐标机器人基本涵盖和表现工业机器人的典型技术，学生可进行机器人单轴丝杆传动机构机械安装、电气控制安装与调试、PLC编程与调试、伺服系统安装与编程和轨迹运动规划等多种不同技能训练，其可开设的实验项目既有演示性与验证性实验，也有设计性和综合性实验，能激发学生的学习热情和主观能动性，有利于学生掌握工业机器人的工作原理和提升机器人的操作维护技能。

3.六轴机器人安装与调试。六轴机器人是一种模拟人手臂、手腕和手功能的机电一体化装置，可以精确控制物体运动的位置、速度和加速度，从而完成某一工业生产的作业要求。在前面两个项目学习基础上，进一步学习六轴机器人的工作原理与安装调试方法，重点掌握机器人轴关节和末端工具手安装、电气与控制系统安装和机器人示教编程方法。例如，可以进行指定轴关节伺服电机、行星减速机、交叉滚子軸承、轴承压盖和连接臂的安装，机器人吸盘工具手和气爪工具手气路中气管、电磁阀、气缸、过滤器和分离器等部件的安装与调试，亦可根据教学需求设置机器人工具手工件搬运、码垛和装配示教编程任务。在接近实际工业项目任务操作中进行探索、训练和总结，能够确保学生掌握典型六轴工业机器人的安装与调试技能。

4.AGV安装与调试。AGV小车作为一种智能工厂的运输工具，装配有电磁或光学自动导引系统，可以按规划的导引路径行走，在工业生产和物流管理中起着至关重要的作用。利用自主开发的磁引导AGV教学平台，学生可以学习AGV充电系统、导航系统、信号采集系统和控制系统工作原理，主要掌握AGV小车上部运输机构和传感控制系统安装与调试。例如，带传动中主动轴、从动轴、同步带传动机构、皮带和张紧轮等部件的安装，信号采集控制系统中磁导传感器、直流电机及其驱动器的安装和调试。另外，可进一步设置AGV循线前进、后退、转弯、加减速等应用编程任务，帮助学生认识典型AGV机器人的基本概念和原理，并在此基础上拓展一些无线通信、系统监控和智能直流调速控制等较复杂的任务。

四、教學方法探索

通过前期《PLC应用技术》、《电气控制技术》和《工业机器人技术基础》相关专业课程学习，本课程依据CDIO（构思、设计、实施和运作）工程教育模式[5]，以接近实际工程项目为载体，按照“知识学习—任务导入—任务实施”的方式展开，具体方法如下。

1.引入自制教学设备，凝练典型工作任务。为了有效提高教学效果和学生学习兴趣，课程团队自主开发三种典型工业机器人实训平台，在教学过程中将工业机器人安装调试知识和技能要点融入项目任务中，任务设置强调典型性、实用性、趣味性和启发性。例如，将“写字绘图”的创意融入直角坐标机器人教学设备，学生既能完成机器人基础性丝杆传动机构和电气安装与调试，有助于学生理解一般工业机器人系统的基本组成和工作原理，同时还能开展机器人末端轨迹绘制和轨迹复现等应用编程任务，从而增强学生学习的趣味性，寓教于乐。

2.改进课程组织方式，提升课程教学质量。教学组织是课程目标得以实现的重要环节和师生互动的主要方式，坚持以学习者为中心的教学理念，以教、学、训、做、评相融合的高职教育组织方式，将学生以5—6人为单位进行分组，并让各小组推荐一名小组长，学生以组为单位进行“任务分析、小组讨论、任务实施、小组考评”，在此过程中，一方面教师与学生一同进行任务剖析、小组讨论和交流意见，另一方面教师将项目任务中的知识和技能点融合于项目任务分析、小组讨论和教师点评过程中，这种组织方式不仅可以充分发挥学生的能动性和创新性，还能提升教师自身业务能力。

五、结语

由于高职工业机器人技术专业发展时间较短，专业课程体系尚不完善，通过对工业机器人产业岗位需求充分调研的基础上，探索与建设《工业机器人安装与调试》专业核心课程。该课程突出工程教育思想，通过引入自制教学设备来构建教学做一体化项目式教学内容，按照学生为中心的理念来组织教学过程，从而保证该课程实施后能有效促进学生工业机器人安装与调试职业能力的全面提高，同时对高职工业机器人专业其他课程建设具有一定借鉴意义和推广价值。

参考文献：

[1]张建国.工业机器人实训基地的构建与探索[J].机械职业教育，2016，（6）：40-42.

[2]李福运，林燕文，魏志丽.工业机器人安装与调试教程[M].北京航空航天出版社，2016.

[3]曾欣，朱涛，陈琪，王赛.高职院校工业机器人技术专业的专业课程构建探讨——以宜宾职业技术学院为例[J].教育教学论坛，2017，（17）：254-255.

[4]冯海杰，余正泓.德国双元制职业教育模式对工业机器人技术专业人才培养的启示[J].机械职业教育，2017，（9）：28-31.

[5]曾志斌.基于CDIO模式的工业机器人技术专业工程能力提升研究[J].中国职业技术教育，2017，（33）：117-120.

Abstract：This paper introduces detailed construction ideas，teaching content and teaching methods of the "Industrial Robot Installation and Debugging" course.By studying the knowledge learning areas and professional competence goals for this course，three typical industrial robots that contain cartesian robots，six-axis robots and AGV are self-developed.And then according to engineering education concept，four practical engineering teaching project and typical tasks are designed.The teaching organization uses the methods of "task analysis，group discussion，task implementation，and group evaluation"，which aims to improve the subjective initiative and course teaching quality for the students.

Key words：industrial robot；installation and debugging；typical tasks