淺談工業(yè)機(jī)器人專業(yè)在高職院校的培養(yǎng)

丁鐸

摘 要：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是結(jié)合了機(jī)械工程理論、控制理論、電氣工程技術(shù)、數(shù)學(xué)方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的高新技術(shù)的集合。隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)也成為一個(gè)衡量國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的標(biāo)志。近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，很多高職院校也相繼開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)。面對(duì)這樣的新興專業(yè)，本文將淺述該專業(yè)在高職院的培養(yǎng)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高職院校；工業(yè)機(jī)器人；人才需求

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.004

1 工業(yè)機(jī)器人的概念及分類

1961年美國(guó)Unimate公司生產(chǎn)了第一臺(tái)可用于上下料等簡(jiǎn)單工作的商用工業(yè)機(jī)器人，標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人誕生。直到80年代初，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)才開(kāi)始較快的發(fā)展。盡管工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但各國(guó)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人至今沒(méi)有統(tǒng)一定義，因此該部分將列舉不同工業(yè)機(jī)器人的定義及分類。

1.1 工業(yè)機(jī)器人的概念

在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，只有易于再編程的裝置才是機(jī)器人，而通過(guò)手動(dòng)裝置或者固定順序的機(jī)器人都不認(rèn)為是機(jī)器人，即通過(guò)人來(lái)驅(qū)動(dòng)裝置或者需要安裝強(qiáng)制啟停驅(qū)動(dòng)器才能運(yùn)動(dòng)且運(yùn)動(dòng)順序固定很難更改的都不認(rèn)為是機(jī)器人。而在工業(yè)領(lǐng)域一些數(shù)控機(jī)床也可以實(shí)現(xiàn)編程后的功能實(shí)現(xiàn)，因此也要區(qū)分?jǐn)?shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的區(qū)別。當(dāng)一臺(tái)機(jī)械設(shè)備通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)多種用途則可能被稱作工業(yè)機(jī)器人，而當(dāng)一臺(tái)設(shè)備通過(guò)編程只能執(zhí)行同一類型任務(wù)的則稱為專用自動(dòng)化設(shè)備。目前工業(yè)機(jī)器人的定義普遍形成以下基本論述：該設(shè)備可以將預(yù)先編排的程序存入存儲(chǔ)裝備，靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，且受人指揮，操作程序能自動(dòng)重復(fù)的一種自動(dòng)化設(shè)備。

1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類

由于工業(yè)機(jī)器人沒(méi)有形成較為統(tǒng)一的定義，因此機(jī)器人的分類也不盡相同。不同國(guó)家、不同協(xié)會(huì)甚至不同企業(yè)分類方法也也有差異。根據(jù)日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（the Japanese Industrial Robot Association， JIRA）的定義，將機(jī)器人分為六大類：分別是人工操作裝置、固定順序機(jī)器人、可變順序機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人 、數(shù)控機(jī)器人、智能機(jī)器人，而根據(jù)美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（ the Robotics Institute of America， RIA）的定義，只將以上最后四類認(rèn)定為機(jī)器人裝置。而歐洲各個(gè)國(guó)家對(duì)機(jī)器人的定義分類表述各異。

目前，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)其發(fā)展理論及運(yùn)動(dòng)控制分析大致分為四種形式。第一種是基于直角坐標(biāo)系變換的機(jī)器人，該結(jié)構(gòu)由三個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)組成，運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，沒(méi)有耦合，運(yùn)動(dòng)算法簡(jiǎn)單且自身結(jié)構(gòu)有很多限制，自由度不夠高。第二種是球坐標(biāo)式機(jī)器人，該機(jī)器人工作空間大，占地面積小，但自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第三種是圓柱坐標(biāo)是機(jī)器人，該機(jī)器人可進(jìn)行空間上的上下及水平伸縮運(yùn)動(dòng)，具有較大的靈活性，但末端執(zhí)行裝置由于受到自身結(jié)構(gòu)的限制，精度不好控制。第四種是關(guān)節(jié)式機(jī)器人，這種機(jī)器人目前在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，一般由三個(gè)或三個(gè)以上的自由度組成。該機(jī)器人類似于人的上半身，具有運(yùn)動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。

2 工業(yè)機(jī)器人在高職院校的培養(yǎng)

2.1 工業(yè)機(jī)器人專業(yè)在職業(yè)院校的培養(yǎng)目標(biāo)

2000年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人保有量?jī)H為3500臺(tái)，而到了2013年我國(guó)機(jī)器人銷售量則高達(dá)3.6萬(wàn)多臺(tái)一舉超越日本成為世界上工業(yè)機(jī)器人銷售市場(chǎng)占比最高的國(guó)家。2016年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)需求增長(zhǎng)至9.2萬(wàn)臺(tái)。隨著我國(guó)人口紅利的消失以及“中國(guó)制造2025”、“智能轉(zhuǎn)型”的提出催生了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的快速發(fā)展。在未來(lái)一段時(shí)間，機(jī)器人制造廠商及其集成商需要大量制造、設(shè)計(jì)集成、安裝調(diào)試、銷售及技術(shù)研發(fā)人員及服務(wù)人員。而機(jī)器人用戶也需要大量的工作人員進(jìn)行日常的維護(hù)、調(diào)試與保養(yǎng)等工作。以上工作人員都是職業(yè)院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。由于職業(yè)院校受制于招生、科研等客觀因素的限制，且工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)由多學(xué)科組成的高新技術(shù)，因此職業(yè)院校在人才培養(yǎng)上一方面要進(jìn)行機(jī)器人的理論的學(xué)習(xí)，為今后在該領(lǐng)域發(fā)展的打好基礎(chǔ)，另一方面要將更多的教學(xué)精力集中在設(shè)備的維護(hù)、調(diào)試及簡(jiǎn)單的維修等方面。

2.2 工業(yè)機(jī)器人專業(yè)在職業(yè)院校的培養(yǎng)內(nèi)容

目前，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在眾多行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，尤其在沖壓、壓鑄、鍛造、機(jī)械加工、焊接、熱處理、噴涂、倉(cāng)庫(kù)堆垛等工業(yè)環(huán)境中運(yùn)用廣泛。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)一般都包含機(jī)器人軀干、示教器編程器、機(jī)器人控制柜等。圖1為六軸機(jī)器人軀干簡(jiǎn)圖，其中軸1、4、6為三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，每個(gè)軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并經(jīng)過(guò)減速器減速來(lái)達(dá)到增大輸出扭矩進(jìn)而來(lái)帶動(dòng)各旋轉(zhuǎn)軸及其以后各部件繞該電機(jī)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而根據(jù)功能的不同，軸6的末端執(zhí)行器會(huì)安裝不同的設(shè)備，比如噴槍、焊槍、抓手等。軸2、3、5為擺動(dòng)軸，由減速器連接電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。示教編程器是一個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部件，是用來(lái)注冊(cè)和存儲(chǔ)機(jī)械運(yùn)動(dòng)或者處理記憶的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)在線編程，該設(shè)備由電子系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行?，F(xiàn)階段職業(yè)院校機(jī)器人專業(yè)可通過(guò)以下三個(gè)層次進(jìn)行培養(yǎng)：第一，機(jī)器人集成應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)；第二，機(jī)器人操作及基礎(chǔ)編程學(xué)習(xí)；第三，通過(guò)焊接工作站、碼垛工作站、及噴涂工作站等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目對(duì)工業(yè)機(jī)器人的操作學(xué)習(xí)。

（1）機(jī)器人集成應(yīng)用系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中都是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的。機(jī)器人集成應(yīng)用系統(tǒng)的學(xué)習(xí)很大程度上就是在了解機(jī)器人控制柜的原理。該系統(tǒng)主要通過(guò)PLC、PLC模擬量的輸出模塊、電磁閥、對(duì)射開(kāi)關(guān)、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備對(duì)電機(jī)或者伺服電機(jī)進(jìn)行方向、轉(zhuǎn)速以及位置的控制。在實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，PLC作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化程序的控制核心，該課程可作為工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的核心課程之一。變頻器通過(guò)整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、監(jiān)測(cè)微處理單元來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。變頻器的內(nèi)部是靠IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，因此電力電子技術(shù)也是該專業(yè)一個(gè)核心課程。伺服驅(qū)動(dòng)器是控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要部分，由于涉及矢量控制電流、速度、位置等閉環(huán)算法，因此對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器的學(xué)習(xí)在職業(yè)院校不宜進(jìn)行深入的理論學(xué)習(xí)，只要達(dá)到能靈活運(yùn)用的目的即可。最后，通過(guò)觸摸屏及其相關(guān)編程軟件的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制。

（2）機(jī)器人的操作及基礎(chǔ)編程。第二階段的學(xué)習(xí)則是一個(gè)以實(shí)踐為主學(xué)習(xí)過(guò)程。在掌握各元器件及PLC的應(yīng)用基礎(chǔ)上，首先實(shí)現(xiàn)通過(guò)變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多段速控制、位置控制及速度控制。實(shí)現(xiàn)上述控制以后，通過(guò)自學(xué)引導(dǎo)方式掌握485通信、Modbus協(xié)議等，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)PLC對(duì)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器的通信來(lái)達(dá)到控制電機(jī)目的。最后一個(gè)階段可嘗試PLC之間的相互通信，學(xué)會(huì)PLC之間主站、從站的設(shè)立。進(jìn)入該部分學(xué)習(xí)，可進(jìn)行2至3人的小組分配學(xué)習(xí)方式進(jìn)行。

（3）機(jī)器人實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。焊接工作站、碼垛工作站及噴涂工作站等項(xiàng)目基本涵蓋工業(yè)環(huán)境當(dāng)中所遇到的機(jī)器人操作情形。每個(gè)工作站的建立，除了機(jī)器人軀干以外，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同，需對(duì)工作站進(jìn)行不同單元的調(diào)整。以焊接工作站為例，除了機(jī)器人本體以外，還包括電源單元、焊槍單元、焊接工作臺(tái)、夾具單元、機(jī)器人底座、自動(dòng)清槍單元等。通過(guò)一個(gè)工作站的學(xué)習(xí)可以做到了解機(jī)器人工作站的構(gòu)成，在掌握好理論和做好安全防護(hù)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單機(jī)器人操作。在實(shí)訓(xùn)的同時(shí)聯(lián)系機(jī)器人集成系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)機(jī)器人工作站工作原理的進(jìn)行探索。

3 機(jī)器人專業(yè)在高職院校的培養(yǎng)方向的總結(jié)

工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)器人軀干、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)、傳感器等幾個(gè)部分組成。而其中的高精度減速機(jī)、高性能的直流伺服驅(qū)動(dòng)器和穩(wěn)定的控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)還沒(méi)很好的掌握。因此未來(lái)一段時(shí)間我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展將集中在對(duì)基礎(chǔ)零部件的、制造能力提升、設(shè)計(jì)理念的更新以及對(duì)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的規(guī)范、整合等。作為高等職業(yè)類院校，在掌握機(jī)器人理論的基礎(chǔ)之上，可以更加注重人機(jī)互訪環(huán)境的學(xué)習(xí)，嘗試機(jī)器人的在線/離線等編程的教學(xué)。另外，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢(shì)必需要相應(yīng)的機(jī)器人管理、銷售、營(yíng)銷等人才，高職院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)也可以進(jìn)行相關(guān)人才的培養(yǎng)。最后，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)更新快的特點(diǎn)，一方面在校教職工要不斷的在學(xué)習(xí)，積極去企業(yè)學(xué)習(xí)最新的機(jī)器人技術(shù)，另一方面在教學(xué)中也要及時(shí)的更新設(shè)備與教材，保證培養(yǎng)出該專業(yè)的學(xué)生就業(yè)后可快速上崗操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]王杰.六自由度機(jī)器人本體設(shè)計(jì)及軌跡規(guī)劃與虛擬仿真[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]Saeed B.Niku.Introduction to Robotics：Analysis，Control， Applications，2nd Edition，2013.

[3]John J.Craig.Introduction to Robotics Mechanics and Control，2005.