基于ABB工业机器人回原位程序设计的教学实践研究
2022-01-06郑直
郑 直
(上海信息技术学校,上海 200331)
0 引言
随着20世纪中期计算机、自动化技术的发展,第一代机器人诞生,开始成为人类生活中的现实。随后科技飞速发展,机器人的功能和性能不断改善和提高,目前正广泛应用于工业、农业、交通运输业和医疗行业等事业中[2]。
在工业机器人的应用中,在任何一个车间里面,都有可能因为供电的问题,网络的问题,环境的问题,甚至是误操作的问题,出现计划外停机的情况。当工业机器人出现突然停机的时候,它的原点位置作为待机的安全点位,需要工业机器人能够回到原位。
本文以广东三向教学仪器制造有限公司生产的ABB工业机器人典型应用工作站为载体,对手机装配产线中的工业机器人回原位程序设计应用课题[1]从教学分析、教学策略、教学过程等方面进行了设计。
1 教学分析
1.1 课程说明
《工业机器人典型工作站安装与调试》是工业机器人技术应用专业的一门专业核心课程,课程设置主要目的是培养学生具备工业机器人工作站安装、调试、运行与维护等应用能力。课程教学目标根据《工业机器人技术应用专业人才培养方案》设定。本次课针对工业机器人在手机装配生产线的典型应用,主要讲解回原位程序的编写与调试,这是工业机器人调试员(或工程师助手)岗位的必备技能。
1.2 学情分析
授课对象是四年制中职工业机器人技术应用专业三年级的学生。学生实践操作能力较强,但知识技能总结能力较弱,愿意对新的知识技能进行学习和探索。通过前期基础课程的学习,已掌握了工业机器人的基本操作,具备了一定的编程调试能力,包括本次课所用到一些程序指令和调试技能。但学生缺乏机器人实际应用岗位的工作经验,没有建立真实的岗位专业认知。
1.3 教学目标及重难点
根据教学内容和学生特点及职业能力的要求,确定以下教学目标:
(1)知识目标:知道工业机器人回原位程序的使用意义;能说出工业机器人回原位设计的关键步骤;熟知工业机器人安全操作规范。
(2)技能目标:能正确读取工业机器人位置数据;会编写与调试手机装配生产线工作站工业机器人回原位程序
(3)态度目标:根据ABB公司岗位要求,培养做事遵循规范的职业态度;养成不断完善,精益求精的职业素养;树立团队合作意识,协同亲和,共同进步。
根据岗位要求和学生基本情况,为了更好地实现教学目标,将“工业机器人回原位程序设计步骤”作为本次课的教学重点,将“工业机器人回原位程序中的分区判定”作为教学难点。
2 教学策略
采用任务驱动教学方法[3],由浅入深,层层递进,通过课前预习、课上学习、课后复习三个阶段完成知识技能的学习。
图1 教学策略
3 教学过程
3.1 教学活动
本次课程主要分为“问题提出”“基础任务”“进阶任务”“总结评价”和“拓展应用”五个活动过程。
3.1.1 活动一:问题提出
问题提出环节,创设学习情境,模拟手机装配产线突然停电导致工业机器人停机的状况,如图2所示,引出机器人回原位意义,使学生明确本堂课的学习目的和内容。
图2 模拟停机情境
3.1.2 活动二:基础任务—工业机器人从特定点位回到原点位置
基础任务环节,先让学生自主观察与讨论当前停机位置的特点,部分同学根据观察得出的回原位基本思路,与其他同学交流借鉴。然后各组同学根据任务书提供的参考程序,进一步规范机器人动作流程,制定初始方案。填写表1所示表格。
表1 初始方案制定
学生设计好初始方案之后,教师逐一确认可行性,确认无误后方可进入工位,完成编程调试。
根据基础任务完成情况,请同学上台分享设计思路。通过在电子白板上进行涂色划分,标记出本组程序的适用区域,引导学生进行思考:当机器人停机位置不确定时,如何解决回原点程序的通用性问题:分区处理的改进策略是什么?
3.1.3 活动三:进阶任务——工业机器人从任意点位回到原点位置
根据基础任务中引发的问题,启发学生对如何判定区域这一问题产生思考,现场邀请两位同学进行游戏互动,拿出坐标系教具进行空间坐标参照。通过游戏代入和教具辅助,逐步帮助学生建立区域判定的概念,再结合机器人位置数据读取指令,引导学生提取Y轴方向数值,从而判断机器人停机位置所在区域。如图3所示。
图3 进阶任务实施
在充分理解机器人位置判定的基础上,各小组进行第二轮实操,在基础任务上通过增加条件判断,补全程序。在机器人操作过程中,再次强调学生安全规范的意识。
完成程序调试的小组,通过运行程序使得机器人可以从任意点位回到原点,从而验证程序的通用性。
3.1.4 活动四:总结评价
在整堂课的实施过程中,通过学生任务书反馈、操作过程巡视记录等方法进行过程考核,最终生成如图4所示柱状图表直观表现,对学生掌握情况进行统计,最后通过总结归纳,对学生仍然存在的问题进行解答,对学生的学习情况进行巩固。
图4 学生完成情况统计
3.1.5 活动五:拓展应用
工业机器人的分区判定是本次教学的难点问题,通过本次课程的讲解大部分同学得以掌握,但实际生产岗位的复杂程度远远超出教学设备。因此,再结合出工况更为复杂的电子芯片分拣装配任务工作站,让学生进行区域划分,阐述实施步骤,扩展学生对于回原点程序编写的思路。
3.2 重、难点突破
通过学习情境创设,首先让学生深刻体会手机装配线工业机器人回原位程序的实际意义,采用任务驱动的教学方法贯穿整个教学过程,设置基础任务使得学生有回原位程序的概念,再通过游戏活动和辅助教具让学生更进一步了解回原位通用性问题,启发学生思考机器人回原位程序中的分区如何判定。通过两个任务的练习让学生逐步理解并掌握应用位置数据读取指令,完成机器人任意位置回原位程序的编写,突破了本节课的难点,实现教学目标。
3.3 教学过程中出现的主要问题及解决策略
基础任务实操编程中,有一组同学在完成编程运行之后,机器人最终回到的工作原点位置稍出现偏差,在检查程序过程中发现存在运动指令参数设置不当的问题,同学忽略了转弯数据的设定。该小组旁边的小组同学也出现同样问题,在听到对前面小组的指导之后,自己进行了及时改进。发现这一共性问题,我调出参考程序,集中讲解转弯数据对运动路径的影响,提醒大家将转弯数据减小到z0或者fine,从而保障回原位程序轨迹的运动点位精度。
进阶任务编程调试时,有些同学虽然知道了区域判定的关键是要提取当前位置数据的Y轴方向数值,但是不清楚Y值具体为多少是区域划分的界线。于是在小组工位上,借助设备实物,引导同学找到对应的关键分界线,并通过机器人的位置反馈功能得出具体数值,从而帮助学生完成程序编写。
4 教学效果
引入企业场景,让学生处理生产中可能出现的突发事件,培养学生的灵活应变能力。通过分组角色扮演,学生共同完成任务,在培养学生团队合作能力的同时,增加学生体验机器人调试工程师的职业氛围,加深对工作的感性认识。
通过两个工作任务的设定,逐步引导学生完成工业机器人回原位程序的编写和调试,学习内容通过任务进行拆分,从简到难,从浅到深,阶梯方式引导学生进行探索和实践,帮助学生解决实际问题,学会了从工程领域的应用角度来全面地考虑问题,学生所编写的程序更加贴近实际生产要求,符合工学结合、做学一体的职业教育理念。
5 教学反思
由于实训设备数量的限制,教学过程中,学习任务是以小组的形式完成的,每个同学虽然各有分工,但操作的有效时间仍然有限。因此,在后续教学过程中,会进一步加强工业机器人离线编程仿真软件的应用,在软件中创建真实的操作环境,让每位学生都有足够充分的训练时间,虚拟操作与设备实操同时进行,提高学习的有效性。