智能化汽车产线教培实训系统构建的研究——以长春汽车工业高等专科学校为例

■徐洪亮

（长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130013）

自2012年长春汽车工业高等专科学校首开工业机器人技术专业，截至2018年,工业机器人技术专业在高职院校专业布点数达536个[1]；而在2020年1—12月，全国工业机器人完成产量为237068台，同比增长19.1%；2020年12月，全国工业机器人完成产量为29706台，同比增长32.4%[2]。通过上述数据，足见工业机器人技术领域培养人才之多，需求量之大。更由于工业机器人应用领域极为广泛，无论汽车、高铁等重工业，还是在电子、化工等轻工业，乃至食品加工业都有工业机器人的身影，由此工业机器人职业技能标准制定的重要性不言而喻。自2017年1月，机械工业职业技能鉴定中心制定《工业机器人操作调整工》《工业机器人装调维修工》行业试运行标准开始，相继出台了一系列工业机器人技术方面的国家职业技能标准。此类标准的制定为工业机器人专业课程建设指明了方向，尤其《高等职业学校工业机器人专业教学标准》的制定，为工业机器人技术专业课程建设制定了框架、提供了规范，也为理实一体化教学的实训系统提出了要求。

一、工业机器人教学实训系统现状

（一）标准统一、设备有别

1.规范一致、指导统一

《高等职业学校工业机器人技术专业教学标准》（简称《标准》）在第六、第七、第八项中给出了培养工业机器人技术专业学生的基础性规范。其中包括：培养规格、课程设置及学时安排和教学基本条件。现将《标准》规范中对工业机器人教学实训系统建设具有指导性的规范进行总结归纳。

（1）知识、技能培养

①知识培养。掌握工业机器人技术基础、工业机器人编程、工业机器人辅具设计与制造的相关知识及工业机器人应用系统集成的相关知识，熟悉工业机器人典型应用及系统维护相关知识[3]。

②技能培养。能够安装调试工业机器人机械与电气系统，能进行工业机器人应用系统电气设计，能进行工业机器人应用系统三维模型构建，能使用视觉系统进行尺寸检测与位置检测等，能熟练对工业机器人进行现场编程与离线编程及仿真，能组件工控网络与编写基本人机界面程序，能按照工艺要求对工业机器人典型应用系统进行集成、编程、调试、运行和维护，能编写工业机器人及应用系统技术文档[3]。

（2）课程设置

专业课程一般包括专业基础课程、专业核心课程、专业拓展课程，并涵盖有关实践性教学环节。《标准》指出，可以根据实际情况学校自主确定课程的具体名称。与工业机器人本身相关的课程所涵盖教学内容应包括：工业机器人技术基础、工业机器人系统应用建模、工业机器人系统离线编程与仿真、工业机器人现场编程、工业机器人视觉技术及应用、工业机器人系统集成、工业机器人应用系统调试运行、工业机器人系统维护等[3]。专业核心课程主要教学内容如附表1所示。

附表1 专业核心课程及主要教学内容

2.实力差距、设备各异

经调研走访长三角、珠三角以及东北等地区部分高等职业院校发现，目前各大职业院校工业机器人技术专业的课程体系建设存在一定差别，教学所用实训系统的各个设备品牌、数量也有所不同，能够实现的实训工艺差别很大。造成这种差别的主要原因在于：各地经济发展水平参差不齐，地方产业特色各异，工业机器人技术专业在各高职院校所占的比重不同，专业的积淀厚度不同。

以长三角地区为例，该地区轻工业与重工业发展均衡、速度迅猛，经济极为发达，各省市企业高度重视智能产业的发展，工业产线多采用工业机器人作为执行机构，这为该地区工业机器人技术方面人才提供了便利的就业机遇。该地区各省市政府、企业高度重视智能产业的发展，以工业机器人技术为代表的智能制造类高职专业得以迅速发展，政府出政策，企业投资金、投设备，积极扶持高职院校建设智能制造职业教育基地。职业院校为反哺地方、助力企业发展，培养了大量企业所需的技术技能型人才，实现毕业即就业，就业即生产，打造校企无缝对接。

以浙江省为代表，政府、企业、院校合力协同，为该省高职院校工业机器人技术专业的发展提供了极大的助力。工业机器人技术专业所使用的实训系统多以企业应用较为广泛的KUKA、ABB、发那科等四家家族机器人为主要工学设备，所用的PLC控制系统则以西门子、三菱等国际品牌的新型号设备为主，国产机器人和控制系统为辅。实训系统建设的过程中，以实训教学的实际需求为依据，建设不同的实训教室，保证完成工业机器人基础教学、工业机器人工艺实训、工业机器人系统集成和工业机器人维修维护，以及技能大赛。专业的实训设备相对齐全，数量充足，能够较好地为当地企业培养所需的技能人才。

而其他地区的高等职业院校，由于专业成立时间较短积淀不足，或院校投入有限等原因，导致其工业机器人技术专业实力相对薄弱。其工业机器人实训系统多以国产工业机器人和国产PLC为主要教学设备，KUKA、ABB、发那科等机器人和新型西门子、三菱等PLC为辅助教学设备。其实训项目基本以工业机器人基础技能教学和简单的搬运、码垛等基础工艺为主，难以实现其他的工艺实训，贴近企业生产需求的工业级实训更是无法实现。

（二）平台相近、工艺单一

现代职业教育的快速发展，既有利于缓解当前社会就业压力，又有助于解决高技能人才短缺。但是由于各地区职业院校工业机器人技术专业水平参差不齐，难以整体提高工业机器人技术人才培养质量。为加快培养国家发展急需的各类技术技能人才，强化供给、储备新科技革命和产业变革所需的高素质复合型技术技能人才，推进新时代职业教育改革发展势在必行。2019年国务院印发了《国家职业教育改革实施方案》（简称“职教20条”），为贯彻落实这一精神，拓宽技术技能人才持续成长通道，自2019年，启动了职业院校、应用型本科高校“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点（简称“1+X”证书制度试点）工作。

为助力“1+X”证书制度试点工作有序进行，以江苏汇博、山东栋梁、华东数控等企业为主的机器人系统集成厂家，相应地推出了“1+X”工业机器人技术教学实训系统，为各地区职业院校工业机器人技术专业水平稳步提升、培养高质量人才提供了有效的平台。

各机器人系统集成厂家推出的设备虽然各有不同，但整体工艺流程相近，多以搬运、码垛、装配等工艺为主，其工艺相对单一，没有设置标准中所规范的焊接（点焊、弧焊、激光焊）、涂胶等工艺。

以江苏汇博机器人技术有限公司推出的“1+X”工业机器人技术系统集成教学实训设备为例，此机器人工作站主要实现电机装配工艺，该系统主要包括：ABB120型工业机器人、西门子1200型PLC、海康视觉采集系统、触摸屏、电机装配工具及相关配套装配设备等（如图1所示），以及“1+X”工业机器人技术系统集成Robot studio仿真平台（如图2所示）。

图1 “1+X”工业机器人技术系统集成实训设备

图2 “1+X”工业机器人技术系统集成robotstudio仿真平台

此“1+X”工业机器人技术系统集成教学实训设备能够满足工业机器人技术基础、工业机器人仿真、工业机器人现场编程、工业机器人视觉技术及应用、工业机器人装配系统集成等教学培训任务，但不能实现《标准》中要求的焊接、打磨、涂胶等工艺的教学任务，无法适用于汽车生产制造的焊装、涂装等核心技术。更由于本套工作站主要功能为机器人装配工艺教学，《标准》中要求的机器人系统维修保养等技术技能任务无法保证开展施行。该系统虽然整体上推动了工业机器人技术专业发展水平，也在一度程度上解决了各高等职业院校工业机器人硬件水平参差不齐、教学内容千差万别的问题，但是对于严格遵循《标准》，培养技术技能较为全面的工业机器人高素质人才而言，该系统仍有很大的改进空间。

（三）红旗工厂汽车智能化生产制造现状

吉林省作为中国汽车产业基地，汽车产业是吉林省传统支柱产业，对地方经济发展起着举足轻重的作用。目前，一汽红旗、一汽解放以及一汽大众、一汽丰田等合资品牌汽车生产车间均以高度自动化、智能化、模块化的工业设备新建与改造产线，在很大程度上，推动了汽车生产的智能化、无人化进程[4]。

通过对一汽集团各工厂的走访调研，发现一汽红旗工厂总装车间采用数字化网联：物流系统获取现场生产信息，依据各工位需求选用部件，通过AGV车进行自动配送，利用机械手实现物料搬运或转移；柔性节能的输送系统自定位、主动跟随、同步举升RGV合装轮胎装配、玻璃涂胶设备、工业机器人与视觉采集系统协同配合，完成整车装配；三维视觉采集系统监测与检验组装完成的车体情况，整个车间基本实现生产无人化[5]。

不仅如此，数字化网联应用于设备预测性维护、质量预测分析等方面，通过对现场数据的实时采集，技术人员可以了解各工位设备的工作情况，实现维护保养预警和远程故障报警，及时维护维修设备；在生产过程中，了解各工位的生产情况，分析生产质量，便于及时纠错、修复，如采用工业相机采集汽车焊缝检测系统，实现对产线车辆部件焊缝尺寸的自动、精准检测[6]。工厂内冲压、焊装、涂装、总装各车间、各工位的工艺数据，互联互通，不仅有效地提升了生产效率、提高了产品质量，更大大降低了运维成本。

红旗工厂智能化、无人化车间的推行，在一定程度上也降低了人工成本与风险，但从企业用人的长远角度，是进一步推动了高技能、高素质的复合型人才培养的发展。

二、构建智能化汽车产线教学培训实训系统合理化建议

职业教育主动适应供给侧结构性改革需要为大势所趋，这要求高等职业院校培养人才具有服务地方经济的方向性，制定的人才培养方案要具有倾向性，课程建设要具有针对性。结合一汽集团产业特色与笔者所在院校培养红旗工匠的理念，以《高等职业学校工业机器人专业教学标准》指导为依据、红旗工厂为蓝本，围绕冲压、焊装、涂装、总装整车四大工艺等核心技术，构建一套既适用于学校教学，又适合企业培训的智能化汽车产线模拟系统，即红旗汽车微型产线。此系统分为两部分：智能化汽车产线教学培训仿真实训系统和智能化汽车产线教学培训实体实训系统，仿真系统完全呈现实体系统。由于仿真基于实体，因此在教学过程中可达到相辅相成的作用，而且在制作中降低成本，利于此系统在兄弟院校工业机器人技术专业的推行与实施，提升国内职业院校工业机器人技术专业整体发展水平，尤其对专业实力薄弱的院校，将受益良多。

（一）构建智能化汽车产线教学培训仿真平台建议

多数参与学习培训的校内学生、企业学员虽然了解工业机器人在汽车行业应用较为广泛，但在工业机器人技术方面的知识储备几乎为零。带领学生、学员走访企业现场逐一认识工业机器人技术的具体应用，不仅费时费力，还存在学员安全等隐患。智能化汽车产线教学培训仿真实训系统的设计、施用，将工业机器人在企业中的应用展现在学生、学员面前，使其后续的学习有的放矢。更重要的是能在保证工业机器人技术零基础学员安全的前提，通过智能化汽车产线教学培训仿真实训系统学习工业机器人相关技术。

1.了解汽车工业生产流程、汽车生产四大核心工艺、机器人系统的组成、汽车产线工艺设备的构成、安全设备实施的必要性等。

2.实施工业机器人的基础操作：工业机器人的布局，机器人的校准（零点校正），机器人TPC的设置，创建程序，编写移动指令、逻辑指令程序。

3.绘制、测量工业机器人相关设备三维模型等。

4.模拟工业机器人拆装：拆装实体设备危险极高，仿真系统剖析相关设备的各个细节，学生、学员通过仿真了解各个设备的详细构成及各部件的细节，并通过模拟安装体验真实的安装过程，提升自身的拆装技能。

通过智能化汽车产线教学培训仿真实训系统学习，仿真工业机器人搬运、装配、码垛、焊接、喷涂、装配等典型工艺，编写调试工业机器人典型工艺程序。其中，焊接、喷涂工艺危险系数较高，在没有相应知识、技能储备的前提下贸然从事，极易发生安全问题，而仿真不仅能够保证新入手学习相关工艺人员的安全，更为后续学习实体夯实基础，进而实现汽车生产实体系统的集成作业。

（二）构建智能化汽车产线教学培训实体训练技能方案

学生、学员在未来或当前工作中，使用的设备是实体而非虚拟，仿真系统只是为后续智能化汽车产线教学培训实体实训系统的教学奠定了基础。学生、学员已有良好的知识储备和一定程度上的技能储备，在学习、训练实体设备时，驾轻就熟，能更快地掌握实体设备的操作技能，提高学习、训练的效率，快速提升自身技能。由于软件仿真训练与实体操作存在一定的差异性，仿真多是理想化，而实际的现场所面临的情况更为复杂，增加了更多的不可预知性。通过实体操作训练，学员不仅能够巩固仿真所学，了解真实的生产现场，更能够熟练操作机器人及相关工艺设备，提升解决现场实际问题的能力。

1.ABB工业机器人基础操作技能。（1）与仿真同，校准方法、编写移动指令、逻辑指令程序、备份与还原方法等，但实体操作更为复杂；（2）与仿真异，工业机器人示教器操作、机器人点位示教、机器人TPC设置、创建程序等，如点位示教软件中可以通过捕捉命令准确示教，而实操中却需要学员通过熟练的操作手法和精准的眼力找到准确的点位。

2.工业机器人网络安装与配置技能。ABB工业机器人与西门子PLC控制单元、外围传感器、工艺设备（夹爪、吸盘、焊钳、焊枪、胶枪、打磨机等）之间的连接与通讯等。

3.工艺设备使用和相关工艺参数调试技能。仿真结果多在误差较大的问题，需现场试验调整，直至可连续生产。

4.识读、绘制电气图纸技能。

5.工业机器人维修、保养技能。熟悉维修保养中所用工具、元件、试剂等用品及使用方法，熟练操作流程。

仿真与实体训练相结合，更利于学生理解、掌握工业机器人技术、汽车生产典型工艺及产线系统集成，为全面培养企业所需的高素质复合型技术技能人才提供了快速有效的平台，助力于一汽集团智能化生产，为红旗工厂培养一支能够打造民族汽车品牌的中坚力量——红旗工匠。

职业技能标准的制定，为工业机器人技术专业的人才培养指明了方向，为其课程体系建设制定了框架，为专业核心课程的建设提供了规范，但由于工业机器人在工业生产中作为执行机构，需遵从于工艺的实际需求，而各行业的标准又各有异同，培养工业机器人技术精湛、工艺掌握全面的技术人才难度极高，这背后需要技艺高超、能力全面的专业教师，配套齐全的工业机器人系统，更需要大量的教与学的时间成本，这在时间有限的核心专业课教学过程中并不可取。作为推动地方经济发展、服务于地方产业发展的高等职业院校，培养人才时，需看主要、抓重点，有侧重、有倾向，这不仅有利于学生掌握满足地方企业需求、适合自身发展的技术技能，更是我们建设专业核心课程所应把握的要点，尤其作为服务于汽车领域的工业机器人技术专业，更应如此。