基于K5示教法的自動化焊接實踐教學改革初探

曲芳　沈斌　岳旭東　劉存憲　于海波　高路

摘要：在自動化焊接的學生實踐教學環(huán)節(jié)中，學校需投入大量的人力、物力和財力，以保障實踐教學工作的有序進行。然而，部分高校由于受到各方面條件的限制，不得不減少或取消實踐教學環(huán)節(jié)，這對于提高學生的實踐動手能力造成了很大的阻礙。擬利用黑龍江科技大學實訓中心現(xiàn)有設備：奧地利IGM公司的RTI330型自動化焊接機器人，針對該校材料學院焊接專業(yè)在校學生，采用K5示教器模擬實踐操作環(huán)節(jié)，通過人機交互界面以示教的方法讓學生更多地去感受實際焊接過程，使更多學生得到實踐鍛煉的機會，為自動化焊接實踐環(huán)節(jié)節(jié)省了材料和設備。在整個教學環(huán)節(jié)中，既發(fā)揮了教師的主導作用，又體現(xiàn)了學生的認知主體作用，真正實現(xiàn)了產學一體化，學做合一，為用人單位培養(yǎng)出適應行業(yè)發(fā)展的應用型焊接人才。

Abstract： In the segment of the students' automatic welding practice education， the universities need to investment in generous manpower， material and wealth in order to insure the practice education work to carry out smoothly. However， part of the universities are enslaved to the conditions in all direction， they have to reduce or cancel the segment of the practice education， this action creates impediment of enhancing the students practice manipulative ability. We plan to use the existing automatic welding robot equipment of the center of training and practice in our university， which is from IGM company of Austria with the version of RTI330， focuses on the students whose major is welding of Material Science Institute， use K5 demonstrate education implement to simulation the segment of the practice manipulation， by means of human-computer interaction interface and the demonstrate education method to let the students to feel the reality welding process still more， get more chances of practice and save more materials and equipments for the segment of the practice of automatic welding. In the segment of education we both exert the leading function of the teacher and reflect the cognition main part function of the students， realize produce and study unify indeed， study and practice unity， train applicative welding talent who are suit for the industry development for the employing unit.

關鍵詞： 示教法；模擬；實踐教學；自動化焊接

Key words： the demonstrate education method；simulation；the practice education；automatic welding

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0157-03

0 引言

2010年的《基礎教育課程改革綱要》明確指出，要全面實施素質教育，重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力[1]。由此，突出對學生實踐能力的培養(yǎng)也成為了工科專業(yè)基礎教育重要的任務和使命[2]。本著“用明天的科技，培養(yǎng)今天的學生，為未來服務”的育人宗旨，積極進行工科專業(yè)教學活動的實踐探索，對于基礎學科專業(yè)建設和培養(yǎng)學生的實踐能力都是十分有益的[3]。基于以上認識，黑龍江科技大學實訓中心針對材料學院焊接專業(yè)在校學生開展了關于自動化焊接實踐教學的改革活動，以培養(yǎng)寬口徑、厚基礎、重實踐、強能力和高素質的應用型人才為目標，以實踐教學改革為突破口，不斷深化實踐教育教學水平，凸顯科學創(chuàng)新精神[4-6]，提高自動化焊接人才培養(yǎng)質量、綜合職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)適應能力。

然而，在自動化焊接的學生實踐教學環(huán)節(jié)中，學校需要投入大量的人力、物力和財力，以保障實踐教學工作的有序進行，而部分高校由于受到各方面條件的限制，不得不減少或取消實踐教學環(huán)節(jié)，這對于提高學生的實踐動手能力造成了很大的阻礙。近年來，隨著示教演示和仿真模擬技術的不斷發(fā)展，我國部分高校已將示教仿真法引入自動化焊接專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)中，將數值模擬技術與物理模擬和人工智能技術相結合，以達到模擬實際焊接過程的目的。這一舉措不但為高校實踐環(huán)節(jié)節(jié)省了材料和資金[7]，使更多的學生得到了實踐鍛煉的機會，激發(fā)了學生的學習興趣[8]，避免出現(xiàn)各種安全事故，克服了初次焊接的恐懼心理，建立了學生的自信心[9]，全面提升了學生的素質水平[10]，實現(xiàn)了自動化焊接教育課堂化，目前在部分高校已取得了顯著的教學效果[11]。

1 教學方法的改革

黑龍江科技大學目前在自動化焊接實踐教學環(huán)節(jié)也存在著耗費較大的問題，且有為數較多的同學懼怕初次焊接，少數不聽講的同學在實踐環(huán)節(jié)出現(xiàn)了操作事故。鑒于以上情況，擬在該校材料學院焊接專業(yè)學生自動化焊接實踐教學環(huán)節(jié)引入K5示教法，以解決焊接實踐中遇到的問題。

所謂K5示教法，即針對該校實訓中心現(xiàn)有設備：奧地利IGM公司的RTI330型自動化焊接機器人，利用配套的K5示教器預先調整好焊槍姿態(tài)，再將焊件的焊接起始點、參考點、空間過渡點和結束點預先行走一遍，計算機便自動計算出各步點的位置和參數，并快速記錄并存儲下來各點的特性。當重新運行自動化焊接程序后，焊接機器人便會按照預先規(guī)劃好的路徑進行重復的示教位姿再現(xiàn)，將數值模擬技術與物理模擬和人工智能技術相結合，以達到模擬自動化焊接過程的目的。

這一教學方法的改革，既發(fā)揮了教師的主導作用，又充分體現(xiàn)了學生的認知主體作用[11]。為實踐教學環(huán)節(jié)節(jié)約了材料和設備，使更多的學生得到了實踐鍛煉的機會，有效幫助學生形成正確的焊接概念，掌握準確的焊接理論，在實踐中積累實戰(zhàn)經驗，克服初次焊接的恐懼心理，同時較好地滿足了焊接教育以就業(yè)為導向，產學研結合學做合一，課程與崗位零距離的教學要求。

2 教學模式的形成

2.1 教學內容的制定

自動化焊接實踐課程是一門在大二下學期開設的技術基礎課，是焊接專業(yè)學生練習自動化焊接的基本途徑和方法，實現(xiàn)由普通的手工電弧焊逐漸過渡到自動化焊接的一體化實踐教育，培養(yǎng)學生的工程素質和創(chuàng)新實踐能力，有助于學生形成良好的勞動觀念和理論聯(lián)系實際的科學作風，幫助學生建立起責任、安全、質量、創(chuàng)新、環(huán)保、社會和競爭等工程意識?；谝陨线@些教學目的和要求，擬選擇以下六個方面內容作為示教模擬實踐教學的重點內容：

①直線焊縫程序示教模擬；

②圓弧焊縫程序示教模擬；

③T字型焊縫程序示教模擬；

④電弧傳感尋蹤定位程序示教模擬；

⑤樣板焊縫程序示教模擬；

⑥1D步點域轉移操作示教模擬。

這些教學內容的制定同時也考慮到用人單位對畢業(yè)生的崗位需求，制定出適宜的人才培養(yǎng)方案和培訓內容，使學校的人才培養(yǎng)目標與企業(yè)崗位需求和就業(yè)要求緊密對接，做到有的放矢，避免了人才培養(yǎng)的盲目性。

2.2 教學設施的組成

黑龍江科技大學實訓中心的焊接機器人訓練室目前擁有：9個計算機終端和奧地利IGM公司專門設計生產的一套完整的數控焊接機器人培訓系統(tǒng)，可同時接納2～3個班級的學生進行上機示教模擬訓練。

該訓練系統(tǒng)包括：RTI330型焊接機器人一臺、RCI機器人控制系統(tǒng)一套和IGM脫機K5示教器系統(tǒng)九套。其優(yōu)點是模擬動作快，反應敏捷，且由于采用了高級的伺服控制系統(tǒng)，使得機器人能夠在最佳的加速方式下運行，節(jié)省在線工作時間。同時，與其它類型的焊接機器人相比，其動作范圍更廣，安全保護功能更高，操作靈活方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，便于學生使用。

其中，IGM脫機K5示教器是機器人控制器中人機交互的主要部件，它通過串行口與主計算機相聯(lián)，體積小巧，使用方便，且K5編程示教器的外型采用Solid Edge進行三維CAD設計，符合人體工學的標準，這也大大提高了K5編程示教器的操控性。

機器人控制系統(tǒng)的軟件部分，由機器人控制器的6個控制軸構成。機器人軸1—6的旋轉角度分別為540度、220度、290度、360度、270度和720度，這大大增加了機器人的工作空間和活動范圍。同時，軟件系統(tǒng)采用軟件工程的方法開發(fā)，完善了機器人控制系統(tǒng)的診斷功能，其系統(tǒng)結構清晰，可靠性高，便于對學生進行上機操作指導。

機器人控制系統(tǒng)的硬件部分，則采用多CPU計算機結構，分為主計算機和編程示教器兩部分。主計算機和編程示教器通過串口進行異步通訊，主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數字I/O等功能，而編程示教器則有效完成了信息的顯示和按鍵的輸入功能。

由此可見，焊接機器人訓練室具有良好的虛擬仿真試驗環(huán)境和現(xiàn)場實驗條件，具備完成教學改革的軟、硬件設施，且實踐指導教師有著豐富的實踐經驗，這些都為實踐教學工作改革的順利開展和實施，提供了強有力的支持和保障。

2.3 教學模式的形成

2.3.1 自動化焊接實踐教學轉變?yōu)樽詣踊附邮窘棠M教學

在材料學院焊接專業(yè)學生的自動化焊接實踐環(huán)節(jié)中，擬利用IGM脫機K5示教器，在RTI330型自動化焊接機器人上，教師先演示不同類型焊縫自動化焊接模擬操作的方法和過程，以及自動化焊接參數的設置，再讓學生親自上機在線模擬操作，幫助學生形成正確的自動化焊接概念，加深對自動化焊接的理解，將抽象理論與實際事物和現(xiàn)象聯(lián)系起來，使學生在示教模擬動手操作環(huán)節(jié)中積累寶貴經驗。

2.3.2 填鴨式教學轉變?yōu)閱l(fā)式教學

K5示教法不再拘泥于課堂上的填鴨式教學，轉而激發(fā)學生在K5示教器上。在線主動思考、主動探索、主動發(fā)現(xiàn)各種自動化焊接工藝、參數和焊件結構上存在的問題，并預測出產品的焊接質量，且學生產生的問題在課堂上及時予以解決，并啟發(fā)學生產生新的解決問題的方法和思路，給學生留下清晰、準確和生動的印象，加深對自動化焊接問題的理解。

2.3.3 自動化焊接實踐教學課程要有后續(xù)的跟蹤反饋體系

利用實驗法，對改革后的自動化焊接示教模擬教學方法，在該校材料學院焊接專業(yè)在校學生中進行分年級逐次實驗，根據學校的教學需求、學生的就業(yè)情況和用人單位反饋的人才培養(yǎng)質量，提出相應的整改方案，最終整理、完善并確定自動化焊接實踐教學改革的方法和途徑，利用K5示教法進行實踐教學改革的模型圖如圖1所示。

3 教學改革的效果

自2010年以來，我校實訓中心按照示教模擬實踐教學改革模式在材料學院的焊接專業(yè)在校學生中進行分年級的逐次實驗。并對2010屆教改實施前和2011屆、2012屆、2013屆、2014屆教改實施后的畢業(yè)生做了后續(xù)跟蹤反饋[12]體系，跟蹤、輔導、調研和匯總實踐教學改革的效果，如表1所示。

結果顯示：企業(yè)對我校培養(yǎng)的畢業(yè)生滿意程度明顯提高，對我校的自動化焊接人才培養(yǎng)模式高度認可，連續(xù)簽訂了校、企聯(lián)合培養(yǎng)焊接人才的認證合同，對我校自動化焊接專業(yè)課程體系建設形成良好的促進作用，對未來我校的招生就業(yè)工作形成良性循環(huán)，為我校的“大工程、大德育、大實踐”教育理念建設提供有益參考，為突出大礦業(yè)特色[5]，實現(xiàn)“一高一強”應用型專門人才培養(yǎng)目標作出應有貢獻。

4 總結

綜上所述，通過對K5示教法在黑龍江科技大學實踐教學中的改革與應用探討，以及對我校材料學院焊接專業(yè)在校學生的具體實施，結果顯示用人單位對該校2014屆畢業(yè)生的滿意程度達到80%，應屆畢業(yè)生就業(yè)率明顯提高。為落實學校本科畢業(yè)生就業(yè)工作作出應有貢獻，為其他高校焊接實踐教育工作探索出一條綠色通道，豐富了礦業(yè)特色院校自動化焊接專業(yè)和用人單位的溝通渠道與合作模式，有針對性地開展為地方經濟建設服務的工作，真正做到產學研結合，學做合一，課程與崗位零距離的要求。

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