高職院校工業(yè)機器人實訓室建設(shè)初探

趙鳳申,李愛芹

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院機電系,江蘇南通226010)

工業(yè)機器人具有高效、可靠的優(yōu)點,在自動化生產(chǎn)線中應用日益廣泛,如在汽車工業(yè)中完成焊接、搬運、噴涂和裝配等。此外,我國的民營企業(yè)也逐漸認識到了工業(yè)機器人的優(yōu)勢,對工業(yè)機器人的采用量也在逐年增加[1]。但這些企業(yè)存在著裝機量不高、人才流動性強和培訓不到位等問題,因而對工業(yè)機器人應用維護人才需求較強和要求較高。為相關(guān)企業(yè)培養(yǎng)急需人才是高職院校的主要任務(wù)。

工業(yè)機器人和加工中心作為機電一體化的典型產(chǎn)品,可用于學生了解機電系統(tǒng)構(gòu)成和綜合應用機電元件知識的訓練。很多高校的加工中心建設(shè)起步較早,取得了不錯的實訓效果,而工業(yè)機器人實訓室建設(shè)和課程建設(shè)則起步較晚且有待完善。

1 實訓設(shè)備定位

機器人實訓室的配置,目前主要有三種方案:①智能移動機器人由單片機和多傳感器構(gòu)成,主要用于單片機教學和機器人大賽;②工業(yè)機器人教儀具有工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)特征,設(shè)備價格低,可靠性較差,無工業(yè)現(xiàn)場感,主要用于演示。③真實工業(yè)機器人,能夠再現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程,設(shè)備穩(wěn)定可靠,但是價格較高。

考慮到主要為企業(yè)培養(yǎng)應用型人才,我院建設(shè)的實訓室的設(shè)備定位為方案③,即采用汽車企業(yè)常用的六自由度弧焊機器人。

2 機器人實訓室建設(shè)存在的矛盾

1)設(shè)備數(shù)量與教學需求量的矛盾

與PLC等相比,工業(yè)機器人價格較高,而高校經(jīng)費有限,實訓室里不可能有大的裝機量。但由于學生數(shù)量多,對機器人興趣濃厚,很容易出現(xiàn)僧多粥少的情況,影響教學效果。

2)理論與實踐教學的矛盾

工業(yè)機器人融合了電氣控制、變頻器、機構(gòu)設(shè)計、外圍設(shè)備接口、傳感器及現(xiàn)場總線等機電系統(tǒng)內(nèi)容。其理論包括機器人運動學、動力學、路徑規(guī)劃以及運動控制等知識點。而實踐技能訓練主要以機器人編程和維護為主。這兩部分的顯著差異在于:理論內(nèi)容多,難度大,而實踐技能偏重于操作,難度較小,因而學生在學習過程中感到難以融合。

3)機器人單機與生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)的矛盾

汽車制造業(yè)等大型工業(yè)企業(yè)采用多臺機器人構(gòu)成工業(yè)自動化生產(chǎn)線,聯(lián)網(wǎng)形成柔性制造系統(tǒng)。而高職院校中工業(yè)機器人與自動化生產(chǎn)線、PLC、氣動設(shè)備等分屬不同的實訓室,設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊不易實現(xiàn)。

4)機器人教學與設(shè)備保修的矛盾

工業(yè)現(xiàn)場要求工業(yè)機器人連續(xù)可靠運轉(zhuǎn),高效且易于操作維護,而實訓室的工業(yè)機器人故障案例應由學生動手維護,以培養(yǎng)維護技能。為使學生掌握機器人結(jié)構(gòu)和維護方面的知識,需要將其拆開并了解其內(nèi)部傳動鏈和減速系統(tǒng)等構(gòu)造。此外,工業(yè)機器人拆解具有一定的危險性,機器人手臂較重,拆解中由于剎車失效、學生的誤操作等可能傷及學生。

3 解決方案

1)重視機器人軟環(huán)境建設(shè)

工業(yè)機器人須配套模擬仿真軟件,用于構(gòu)建虛擬機器人的工作環(huán)境。學生編程驗證后將該軟件下載至機器人本體中運行,可克服了機器人數(shù)量的不足,又降低了誤操作對機器人的損傷。此外,該軟件應具備通用數(shù)據(jù)接口(如IGES格式),能夠?qū)雽I(yè)CAD/CAM 軟件(如UG、Pro/E)設(shè)計的三維造型,體現(xiàn)工業(yè)機器人與機械設(shè)計、制造的結(jié)合性,體現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程,使學生了解虛擬示教的概念。

2)購買其他類型機器人輔助教學

一般來說,工業(yè)機器人系統(tǒng)封閉,其D-H參數(shù)和電機控制協(xié)議都不開放,無法依賴工業(yè)機器人驗證正反運動學。解決辦法是考慮購買組合式機器人,構(gòu)建自動導引車AGV和PUMA560結(jié)構(gòu)的組裝機器人。AGV主要完成物料搬運,與工業(yè)機器人配合使用;組裝機器人的D-H參數(shù)可由學生自行計算,可利用其驗證正反運動學和理論示教等。同時,也可以購買淘汰的同型號機器人,以便于學生拆裝,讓其掌握一些工業(yè)機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和維護相關(guān)知識。

3)合理安排實訓項目

將理論知識融合到實訓教學中以解決工業(yè)機器人理論知識較難而實踐知識較易的矛盾。表1為我院部分實訓項目理論和實踐知識融合對照表。

表1 部分實訓項目理論實踐融合對照表

4)加強與供應商及用人單位合作

我們應要求供應商提供工業(yè)機器人的應用視頻以豐富教學內(nèi)容;提供足夠的培訓機會以強化師資,提供較長的保修期限以解決維護問題,提供較快的響應速度以緩解設(shè)備故障對教學進程的影響;提供工業(yè)機器人組網(wǎng)方案,以實現(xiàn)與PLC、自動化生產(chǎn)線實訓室的聯(lián)網(wǎng)通訊等。

5)強化教師隊伍的培訓

供應商應提供充分的產(chǎn)品培訓,使教師掌握設(shè)備的操作和維護要點;授課教師更應深入了解機器人在船舶、汽車、電子元件裝配和焊接等行業(yè)中的應用;教師還應深入企業(yè)調(diào)研,了解不同企業(yè)工業(yè)機器人應用的差異,從而不斷補充和修正授課內(nèi)容,提高授課質(zhì)量。

4 結(jié)語

我院在機器人實訓室建設(shè)中,采用低價位的安川SSF2000型六自由度弧焊機器人,配備送絲機構(gòu)、真空吸盤、氣動手爪、數(shù)字焊機和焊槍等。配套的動態(tài)模擬軟件為MOTOSIM-EG和通訊軟件MOTOCOM-32,可以實現(xiàn)虛擬仿真功能;采用北京博創(chuàng)“創(chuàng)意之星”組合式機器人套件,可以方便的搭建出AGV和組裝機器人,輔助工業(yè)機器人教學。

實踐教學證明,該實訓室建設(shè)方案可行,設(shè)備總體價格低,利用率高,項目設(shè)置合理,理論與實踐結(jié)合性強,學生學習效果良好。

[1] 趙臣,王剛.我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀調(diào)研報告[J].北京:機器人技術(shù)與應用,2009(2):8-13

[2] 曹京生.機電類專業(yè)“3+2+1”教學模式研究.北京:實驗技術(shù)與管理,2008(12):137-139