焊接机器人实训教学现状分析

黄新然

（云南机电职业技术学院，云南 昆明 650201）

0 引言

焊接被称为“工业裁缝”，是工业加工中最重要的一种加工方法[1]，广泛应用于机械制造、航空航天、轨道交通、石油化工、船舶海洋及建筑等领域。全世界45%的钢铁和有色金属需要通过焊接加工成为可以使用的产品，现代工业生产的各行业都离不开焊接。由于焊接过程中会产生电弧光、烟尘、金属飞溅、噪音等危害，且工作强度大，近年来焊接人才持续快速流失。据统计，目前为止我国焊接方面岗位人才缺口超过300万，未来5～10年我国将面临焊接人才紧缺的状况[2]。

随着科学技术的发展，焊接从传统的金属构件连接和毛坯生产发展成为现代制造业中的一项基础工艺和一种加工精确尺寸产品的生产手段，传统的手工焊接已不能满足现代工业产品对质量和数量的要求。焊接机器人可实现焊接自动化生产，可以提高焊接的准确性和可靠性，是21世纪先进制造技术的重要组成部分。工业机器人能够长时间持续工作，应用焊接机器人进行焊接生产，可以代替人工从事焊接生产，并提升焊接生产效率。

目前，以智能制造为主导的工业机器人应用高速增长，广泛应用于工业、医疗、军事、科研及服务领域，焊接是工业机器人应用最多的领域之一，占到工业机器人整体应用的40%以上[3]。新形势产生新岗位，焊接机器人编程、操控、维护等岗位应运而生。作为培养高技能应用型人才的高职院校，积极响应国家政策、发挥职业教育功能，开设焊接机器人应用相关专业和课程，培养满足市场需求的焊接机器人专业应用型人才。

实训教学是高职院校技能应用型人才培养的重要环节，实训教学项目的合理设置及有效开展是技能应用型人才培养的关键。教育部《关于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见》（教职成〔2019〕13号）强调职业院校要强化实践环节，加强实践性教学，实践性教学学时原则上占总学时数50%以上。焊接机器人实训课是高职院校焊接专业的专业必修课，作为先进焊接技术的代表，焊接机器人及其应用是焊接专业学生必须掌握的专业知识和技能，开设焊接专业的高职院校必须切实抓好焊接机器人实训课的教学质量和效果。但通过教学实践发现，目前焊接专业人才培养中存在焊接机器人实训教学沦为理论教学、学生学习效果差、教学效果不理想、脱离复合型技术技能人才培养目标等问题。

1 焊接机器人实训教学中存在的问题分析

实训课程是理论知识向实际应用能力转化的重要环节，是培养复合型技术技能人才的关键。在焊接机器人及其应用的教学中，必须重视实训课程教学效果，通过实训课程教学使学生真正掌握焊接机器人应用的能力，成为焊接机器人应用型人才。但在实际教学中，由于教学条件的限制，目前焊接机器人实训课程沦为理论教学、学生的学习效果差，通过焊接机器人实训课程的学习后，多数学生没有掌握焊接机器人的应用能力，对焊接机器人的应用停留在会用层面，有少部分学生甚至在实训课程期间从不进行机器人操作练习，难以达到专业人才培养方案中培养复合型技术技能人才的目标。因此，导致焊接机器人实训课程教学出现上述问题的原因主要有以下几点。

1.1 焊接机器人设备不足

焊接机器人设备昂贵，开设焊接机器人课程的学校通常配置1～2台焊接机器人，用于30人教学班的实训教学，焊接机器人设备数量严重缺乏。根据当前高职院校人才培养方案实践课程设置情况，焊接机器人技能应用实训课程约为50个学时，教学班学生人均使用机器人的时间不足3个学时（约120分钟）。如图1所示，设备不足导致学生在焊接机器人实训课程中实际练习使用机器人的时间过短，不足以达到使学生掌握并能熟练操作焊接机器人的教学目标，学生对焊接机器人实训课程的学习兴趣较低，教学效果欠佳。对于没有购置焊接机器人设备的学校，培养学生焊接机器人技能应用能力的实训课程则停留在理论教学层面，以视频演示和教师讲解为主，焊接机器人实训教学沦为形式。

1.2 缺乏理论到实操的过渡

购置有焊接机器人设备的院校，具备在理论教学之后可展焊接机器人技能应用的实训课程的条件。通过理论课程的学习，学生初步了解焊接机器人的结构、原理及应用，但是理论层面的理解较抽象，在进行焊接机器人实操练习中容易出现不当操作，导致“撞枪”，而频繁“撞枪”会使机器人的使用寿命降低，严重时可能损坏机器人。焊接机器人设备昂贵，需由专业人员进行维修和调试，为保护焊接机器人设备安全，在实训安全教育中，教师会特别强调操作过程中禁止“撞枪”，部分学生因此产生畏惧心理，为避免操作失误损坏设备选择不动手、不操作，这严重影响教学效果。出现这个问题的根本原因在于焊接机器人技能应用实训教学缺乏理论到实操的过渡环节。近年来，模拟仿真技术快速发展，学生在实际操作机器人之前进行焊接机器人模拟仿真练习，既可以保证设备安全，又可以增加理论到实践的过渡环节，提高学生对焊接机器人实训课的积极性。

1.3 实训项目脱离生产实际的发展

高职院校人才培养的目标是培养与社会技术发展相适应，与时俱进的技术技能型人才。通过对上述两个问题的分析可知，当前焊接机器人实训课程教学因焊接机器人设备不足以及实训项目缺乏理论到实践的过渡环节而不能达到预期的教学目标，在有限的实训设备条件下、有限的实训教学时间内学生仅能掌握焊接机器人的基本操作和简单程序的编制，不能掌握实际生产中复杂焊缝的编程及焊接工艺调试，无法适应现代焊接生产实际的需要，教学内容缺乏实际应用价值。

2 关于焊接机器人实训教学的建议

引入焊接机器人模拟仿真教学可有效解决当前焊接机器人实训教学面临的问题。利用学校已有的机房资源，安装焊接机器人模拟仿真软件开展模拟仿真教学，不用增加设备投资即可解决焊接机器人实训教学设备不足这个根本问题，改善教学效果，达到培养满足现代焊接机器人生产需求的应用型技能人才的教学目标。

随着工业机器人科学技术的发展，已有多种关于工业机器人应用的仿真软件，这些仿真软件可以进行机器人的模拟操作、轨迹运动以及离线编程。在焊接机器人的实训教学中引入模拟仿真教学，学生在安装有焊接机器人仿真软件的计算机上即可进行焊接机器人的模拟操作、轨迹运动及离线编程练习，计算机机房一般配置50台计算机，可以保证教学班所有同学同时进行仿真练习，从而有效解决焊接机器人设备不足的问题。

引入焊接机器人模拟仿真教学，学生在实际操作焊接机器人前，可以在模拟仿真软件上全面了解机器人的构造原理、熟悉示教器的操作、进行手动操控机器人的模拟、进行焊接路径的规划以及熟悉焊接程序的编制，可有效避免学生在实际操作机器人的过程中的不当操作，同时也可克服学生对于操作重点稀有设备的恐惧心理，极大程度的激发学生大胆尝试的积极性，是焊接机器人技能应用理论教学向实训教学过渡的桥梁，可有效改善焊接机器人实训课程教学效果。同时，通过引入焊接机器人模拟仿真实训项目，学生在仿真软件上进行焊接机器人的手动操作、轨迹运动及编程练习，在焊接机器人设备上进行复杂焊缝的编程练习以及焊接工艺调试练习，确保实训项目能够适应生产实际的需要。

3 Ro b o t Stu d io软件在焊接机器人实训教学中的应用

RobotStudio是ABB公司研发的机器人仿真软件，通过该软件可以构建焊接机器人工作站，对焊接机器人的运动轨迹进行离线编程和仿真测试等。将RobotStudio软件安装在学校现有机房的计算机上，开展焊接机器人模拟仿真实训教学，每位学生可以单独操作一台模拟机器人，可大大提高生均使用机器人的学时，从而有效解决当前焊接机器人实训教学中存在的设备短缺问题，提高焊接机器人实训教学质量和效果，最大限度提高焊接机器人设备在提升学生焊接机器人应用技能方面的价值。

焊接机器人实训的首要环节是焊接机器人基本认知，主要教学目标是熟悉焊接机器人示教器，能够手动操作机器人。RobotStudio软件中的虚拟示教器和真实示教器具有相同的界面显示和操纵方法，利用该软件进行焊接机器人基本认知的教学可以极大程度上解决焊接机器人设备不足的问题。除此之外，在仿真软件进行焊接机器人认知实习，学生可以克服对使用重点稀有设备的恐惧心理，不用担心操作失误损坏设备，从而激发学生的学习积极性，大胆尝试，有利于帮助学生全面掌握示教器的使用、熟练掌握焊接机器人的手动操纵。直线轨迹、圆弧轨迹及复杂路径编程等项目也进行仿真练习，通过大量的模拟练习和操作，有助于学生熟悉弧焊机器人的编程要点，然后，再转入真实焊接机器人的操作练习，并结合实验室弧焊机器人实训项目进行真实焊接操作，学习成效显著增强。对于复杂焊缝的编程同样可以利用RobotStudio软件进行仿真练习，检验无误后再转入真实焊接机器人进行程序准确性及焊接工艺的验证。

4 结语

通过引入RobotStudio焊接机器人仿真软件进行焊接机器人实训教学，利用RobotStudio仿真软件搭建焊接机器人虚拟仿真工作站，可开展焊接机器人基本认知、可进行简单及复杂轨迹编程练习，可有效解决当前焊接机器人实训教学中存在的设备不足、缺乏理论到实践的过渡、实训项目脱离生产实际等问题，可有效提升焊接机器人实训教学效果，培养符合生产实际需要的高技能应用型人才。