基于ABB工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

潘洪坤

摘 要：工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用，引起了專業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人人才缺乏問題，而職業(yè)院校機(jī)器人專業(yè)或課程都剛剛起步，課程內(nèi)容設(shè)置并不完善，本文針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，以ABB機(jī)器人示教系統(tǒng)為研究對(duì)象，以柔性生產(chǎn)線機(jī)器人上下料為背景，通過分析機(jī)器人工作過程，ABB在線編程和離線編程的內(nèi)涵，總結(jié)出了工業(yè)機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出適合高職院校學(xué)生使用的教學(xué)項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；ABB 示教系統(tǒng)；機(jī)器人教學(xué)；項(xiàng)目設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.215

0 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

備受關(guān)注的“中國制造2025” “中國制造2025”列出了十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，其中，機(jī)器人概念備受關(guān)注。我國已經(jīng)是全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，2015年全國機(jī)器人市場(chǎng)銷量將突破8萬臺(tái)。 “機(jī)器換人”計(jì)劃為 “中國制造”插上了騰飛的翅膀。

國際上機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段，特別在工業(yè)機(jī)器人日本重點(diǎn)發(fā)展仿人和娛樂機(jī)器人，其各種機(jī)器人的保有數(shù)量全球領(lǐng)先，成為名符其實(shí)的機(jī)器人王國。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界前三位的美國和德國來說，機(jī)器人是他們發(fā)展經(jīng)濟(jì)的“先進(jìn)伙伴”。德國提出以“有形的手”引導(dǎo)“無形的手”，幾乎每四個(gè)就業(yè)崗位就有一個(gè)工業(yè)機(jī)器人。德國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化模式的主要特點(diǎn)在于分工合作，即將具備一定智能化的機(jī)器人個(gè)體，通過數(shù)據(jù)交互從而實(shí)現(xiàn)高度智能化。在這種模式下，不同的生產(chǎn)設(shè)備既能夠協(xié)作生產(chǎn)，又可以各自快速地對(duì)外部變化做出反應(yīng)。這完全是信息時(shí)代產(chǎn)生的大量個(gè)性化需求反映到生產(chǎn)端的結(jié)果，工業(yè)生產(chǎn)將告別上一個(gè)時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)化，走向個(gè)性化。美國著重發(fā)展智能機(jī)器人，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速并已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面。目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。

與工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展相比，工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才的培養(yǎng)卻處于相對(duì)滯后狀態(tài)。目前，本科院校培養(yǎng)的機(jī)器人相關(guān)人才，大多從事原理研究或本體開發(fā)及特種機(jī)器人開發(fā)等，而國內(nèi)大多數(shù)高職院校有工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用方面的對(duì)口專業(yè)較少，開設(shè)年限也僅為1～2年，從課程內(nèi)容設(shè)置到人才培養(yǎng)過程，還很不成熟。

基于以上問題，本文以ABB工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)為研究對(duì)象，以工業(yè)機(jī)器人上下料情景為研究背景，探索ABB機(jī)器人示教系統(tǒng)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置的可操作性和規(guī)律。

1 基于ABB工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.1 研究背景及方法

柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線中常采用機(jī)器人為其上下料，本為以此為研究對(duì)象。下圖為某型號(hào)教學(xué)用柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線，其中第五站就為上下料站。該站采用六軸機(jī)器人作為工件搬運(yùn)的設(shè)備，其主要功能是通過氣動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，將工件從上料檢測(cè)站搬運(yùn)到加工站。機(jī)械手通過電磁閥控制氣動(dòng)裝置完成抓取工件，此外搬運(yùn)站還有聯(lián)機(jī)控制裝置，上位機(jī)主要有電腦、PLC等。整個(gè)過程通過示教編程或離線編程，完成工業(yè)機(jī)器人的定位，通過PLC控制完成氣動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)工件抓取。在整個(gè)過程中可采用不同的搬運(yùn)路線，通過在線示教或離線編程的方式完成上下料的過程。

要完成該過程的控制，我們首先要理解機(jī)器人的操作過程。一般工業(yè)機(jī)器人都屬于“示教再現(xiàn)型”機(jī)器人，“示教”就是機(jī)器人學(xué)習(xí)的過程，在這個(gè)過程中，操作人員要“教會(huì)”機(jī)器人怎樣工作，機(jī)器人的操作系統(tǒng)會(huì)將這些工作程序和要領(lǐng)記憶下來，機(jī)器人按照記憶下來的程序進(jìn)行工作，這就是“再現(xiàn)”過程。目前示教的方式主要有兩種：

（1）直接示教，包括手把手示教和示教器示教項(xiàng)目開發(fā)。操作人員使用視角器直接對(duì)機(jī)器人的手進(jìn)行示教，示教時(shí)對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度用多通道記錄儀記錄下來，然后根據(jù)所記錄的信號(hào)讓機(jī)器人再現(xiàn)與這些關(guān)節(jié)角度一樣的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)人們對(duì)機(jī)器人的編程。

（2）離線示教，也稱離線編程。 離線示教不對(duì)實(shí)際作業(yè)的機(jī)器人示教項(xiàng)目開發(fā)直接進(jìn)行示教，而是脫離實(shí)際作業(yè)環(huán)境生成示教數(shù)據(jù)，間接地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教。在離線示教法中，通過使用計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的模型，不要求機(jī)器人實(shí)際產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并能在示教結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，從而確保示教內(nèi)容是否恰當(dāng)及機(jī)器人是否按照人們期望的方式運(yùn)動(dòng)。

1.2 基于ABB工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、項(xiàng)目及特點(diǎn)

通過ABB機(jī)器人的實(shí)際操作控制發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目至少要包括如下教學(xué)內(nèi)容：

（1）機(jī)器人硬件識(shí)別，機(jī)器人各軸、電機(jī)、連接接口、連接線纜；控制柜的硬件結(jié)構(gòu)了解和線纜連接介紹；

（2）示教器基本操作，示教器使用注意事項(xiàng)；坐標(biāo)系、示教、作業(yè)編輯、自動(dòng)執(zhí)行、系統(tǒng)設(shè)定、系統(tǒng)診斷、基本指令、報(bào)警信息等；

（3）外圍接口，線纜連接口；通訊接口；氣路接口；PLC連接接口；電腦連接接口；I/O口；

（4）碼垛應(yīng)用實(shí)操，機(jī)器人末端夾手的連接；機(jī)器人搬運(yùn)碼垛操作；

（5）機(jī)器人繪圖，機(jī)器人繪圖筆的連接；機(jī)器人繪圖操作；

（6）機(jī)器人裝配，機(jī)器人裝配系統(tǒng)配置認(rèn)知；機(jī)械裝配工藝的學(xué)習(xí)；

（7）機(jī)器人離線編程，ABB機(jī)器人離線編程的方法；編寫簡單的離線程序。

要學(xué)習(xí)這些內(nèi)容首先學(xué)生要具有了可編程控制器、變頻器、電機(jī)與電氣控制、機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用、液壓與氣動(dòng)、傳感器由于檢測(cè)技術(shù)等方面的知識(shí)。其次，就是教學(xué)項(xiàng)目的研究設(shè)計(jì)既要讓學(xué)生能在課堂上使用還要與機(jī)器人的工作崗位進(jìn)行對(duì)接。針對(duì)這些要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于ABB工業(yè)機(jī)器人示教系統(tǒng)的教學(xué)項(xiàng)目。表1為機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)項(xiàng)目。

這些教學(xué)項(xiàng)目符合高職院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)或方向，滿足機(jī)器人專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)即高端與技能型專門人才的需求，針對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線安裝、調(diào)試、維護(hù)、運(yùn)行、系統(tǒng)集成與故障診斷方面都有涉及。 項(xiàng)目內(nèi)容圍繞職業(yè)技術(shù)領(lǐng)域共性專業(yè)核心能力要求設(shè)置，每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目都承載著不同的知識(shí)、能力、素質(zhì)培養(yǎng)的責(zé)任，并達(dá)該課程教學(xué)目標(biāo)的要求。其設(shè)計(jì)思路按照由簡單到復(fù)雜的循序漸進(jìn)過程，符合知識(shí)認(rèn)知規(guī)律和能力從一般技能訓(xùn)練到綜合訓(xùn)練的教學(xué)規(guī)律。項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有如下幾方面的特點(diǎn)：

專業(yè)性：項(xiàng)目側(cè)重工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)操作與應(yīng)用。通過對(duì)機(jī)器人基礎(chǔ)示教、搬運(yùn)、繪圖等操作，讓學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人最基礎(chǔ)的操作和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成控制的基礎(chǔ)知識(shí)。只要掌握了這些工業(yè)應(yīng)用的控制要求，按要求編寫程序就可應(yīng)用在這些領(lǐng)域。同時(shí)學(xué)生有了ABB機(jī)器人的操作基礎(chǔ)，能夠更快的使用其他品牌機(jī)器人。

拓展性：所有項(xiàng)目設(shè)計(jì)都是以上下料應(yīng)用為背景，讓學(xué)生ABB機(jī)器人編程語言的使用和機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)。如果將工業(yè)機(jī)器人手部更換成吸盤或焊槍，就變成了噴涂、焊接、碼垛等機(jī)器人，由于學(xué)生有ABB的專業(yè)知識(shí)，很容易適應(yīng)工作崗位的需要。

二次開發(fā)性：可以讓學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)和改造機(jī)器人夾手，設(shè)計(jì)不同的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的功能，在提高其創(chuàng)新能力的同時(shí)，也培養(yǎng)了實(shí)際中的動(dòng)手能力。

2 結(jié)論

隨著國家的大力支持，職業(yè)院校開設(shè)機(jī)器人專業(yè)或課程以成為必然趨勢(shì)，工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)研究也蓬勃發(fā)展。本文基于ABB機(jī)器人示教系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用研究，結(jié)合機(jī)器人教育教學(xué)中遇到的問題，如相關(guān)理論知識(shí)薄弱、機(jī)器人理論知識(shí)較少、學(xué)生眼界較小、不敢想或敢想不知該怎么做、工業(yè)背景；操作性強(qiáng)，有的學(xué)生接受特別快，有的學(xué)生掌握很慢等問題。設(shè)計(jì)了適合高職學(xué)生使用的教學(xué)項(xiàng)目和教學(xué)內(nèi)容。這些項(xiàng)目正在小范圍內(nèi)試運(yùn)行。

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