基于CBE+CDIO理念的工業(yè)機器人技術(shù)實訓項目設(shè)計

檀盼龍, 邵 欣, 張建新, 李云龍

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學 智能制造學院, 天津 300350)

2015年《政府工作報告》中指出中國要加快從“制造大國”向“制造強國”邁進[1]。隨著“中國制造2025”強國戰(zhàn)略的提出,作為支撐國民經(jīng)濟發(fā)展和構(gòu)建區(qū)域產(chǎn)業(yè)體系主體的制造業(yè)保持著良好的發(fā)展態(tài)勢[2]。2017年5月,李克強總理在國務(wù)院常務(wù)會議中強調(diào)以市場為導向、以企業(yè)為主體,深化改革,強化創(chuàng)新,把發(fā)展智能制造作為主攻方向,促進整個制造業(yè)智能化、綠色化和服務(wù)型升級,加快建設(shè)制造強國[3]。圍繞這一目標,工業(yè)機器人的發(fā)展和應(yīng)用,成為了中國制造業(yè)強國戰(zhàn)略的重中之重?？v觀市場現(xiàn)狀,市場競爭的加劇、勞動力成本的上升,使企業(yè)的運營受到了巨大的壓力[4]。為緩解壓力,越來越多的企業(yè)選擇購置自動化生產(chǎn)設(shè)備,搭建工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線替代人力生產(chǎn),提高產(chǎn)能、降低成本的同時還能有效提升產(chǎn)品質(zhì)量,增強企業(yè)的市場競爭力。

在國家戰(zhàn)略和市場現(xiàn)狀背景下,企業(yè)對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)人才的需求不斷增加,這就給職業(yè)教育提出了采用高效的教育模式加快培養(yǎng)出適應(yīng)市場需求、滿足企業(yè)需要,能夠在生產(chǎn)一線從事工業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)崗位的高質(zhì)量應(yīng)用技術(shù)技能型人才的要求[5-6]。

1 CBE、CDIO教育模式概述

能力本位教育 (competency based education,CBE)是一種以分析職業(yè)角色活動為起點,以崗位職責所需的職業(yè)能力培養(yǎng)為中心的教育模式[7]。CBE注重“做中學”,強調(diào)學生在學習過程中動手實踐的重要性,通過學生在技能培養(yǎng)和知識學習過程中的表現(xiàn)進行教學效果評價,健全反饋機制,及時完善內(nèi)容和方法的設(shè)計[8]。構(gòu)思—設(shè)計—實施—運作 (conceive,design,implement,operate,CDIO)是一種以全過程為載體,以工程項目設(shè)計為導向,以工程實踐能力培養(yǎng)為目標,學員以主動的、實踐的方式進行學習的高等工程教育模式[9]。CDIO強調(diào)以綜合方式使學員獲得工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力[10]。

CBE和CDIO教育模式具有相通之處,都強調(diào)了學生以動手實踐的方式學習知識和培養(yǎng)能力[11-12],教學活動中工程項目的設(shè)計以企業(yè)需求為導向,以職業(yè)角色活動為依據(jù),教學效果的評價以學生活動表現(xiàn)、企業(yè)用工評價等方式進行反饋,努力完善和健全教學設(shè)計,開發(fā)緊貼企業(yè)需求的教學內(nèi)容,采用多樣、靈活的教學方法加快培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用技術(shù)技能型人才。

本文將CBE與CDIO理論相結(jié)合,聯(lián)合北京賽佰特科技有限公司共同開發(fā) “智能制造技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用開發(fā)平臺”,在此平臺的基礎(chǔ)上,以“碼垛工作站的安裝與調(diào)試”實訓項目為例進行教學設(shè)計。

2 工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用課程實訓項目開發(fā)

通過走訪調(diào)研多家有關(guān)工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用崗位需求的企業(yè),了解到企業(yè)對工業(yè)機器人的人才需求分為操作維護崗位、應(yīng)用設(shè)計崗位與銷售崗位3個主要方向,需求情況如圖1所示。本文依托“智能制造技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用開發(fā)平臺”,主要針對技術(shù)崗位的技能需求進行實訓項目的開發(fā)。

圖1 工業(yè)機器人人才崗位需求

2.1 開發(fā)平臺結(jié)構(gòu)與功能簡介

工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用課程實訓項目開發(fā)所采用的“智能制造技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用開發(fā)平臺”如圖2所示。

圖2 智能制造技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用開發(fā)平臺

平臺包含6自由度ABB工業(yè)機器人、RFID信息識別系統(tǒng)、智能視覺檢測系統(tǒng)、PLC控制及顯示觸控系統(tǒng)、工具快換系統(tǒng)、自動供料系統(tǒng)、自動托盤庫、輸送系統(tǒng)、零件裝配系統(tǒng)、組件焊接系統(tǒng)、自動旋轉(zhuǎn)立體倉儲機構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的全方位實操實訓,包括工件上料、上托盤、工件輸送、檢測、識別、搬運、裝配、焊接、碼托盤、倉儲和遠程監(jiān)控等功能和操作?？梢允箤W習者快速學習工業(yè)機器人基本原理、伺服電機驅(qū)動控制、執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計與控制設(shè)計、工業(yè)機器人編程、變頻技術(shù)、PLC技術(shù)等方面的知識,適合學習工業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用、維護等知識,適用于培養(yǎng)相關(guān)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用人才。

2.2 實訓項目設(shè)計

將工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用課程實訓項目劃分成基礎(chǔ)模塊、專業(yè)模塊、綜合模塊3個不同的模塊,見表1。

表1 模塊化實訓項目

CBE教學模式特征之一是強調(diào)教學的基礎(chǔ)應(yīng)依據(jù)受教育者的能力設(shè)定[13]。通過能力分析確定能力標準,根據(jù)不同的能力標準轉(zhuǎn)換為模塊化的課程。在實際教學中,也必然存在學生基礎(chǔ)不一、水平差異大的現(xiàn)象。根據(jù)工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用人才培養(yǎng)的要求,開發(fā)分類清晰、層次分明的模塊化實訓項目,便于學生結(jié)合自身情況和應(yīng)用需求,在各自原有的基礎(chǔ)上自主選擇和組合化學習,以達到學生能力、素質(zhì)和個性培養(yǎng)的效果。

3 “碼垛工作站的安裝與調(diào)試”實訓項目設(shè)計

在飼料、化工、食品、飲料、建材、塑料等諸多自動化生產(chǎn)企業(yè),利用工業(yè)機器人實現(xiàn)各種箱裝、袋裝、灌裝等不同類型物料的碼垛作業(yè)任務(wù)非常常見,能夠顯著地提高生產(chǎn)效率、降低人力勞動強度和成本。

3.1 構(gòu)思：任務(wù)描述

碼垛指將形狀基本一致的產(chǎn)品按照一定的要求堆疊起來,碼垛機器人的功能是把料袋或料箱一層一層碼到托盤上。本實訓項目模擬飲料生產(chǎn)企業(yè)使用工業(yè)機器人將傳輸線上輸送來的飲料包裝箱(以塑料方塊模擬)在托盤上進行碼垛操作展開,包裝箱長45 mm、寬30 mm、高35 mm。碼垛機器人除了完成搬運任務(wù)外,還要將工件有規(guī)律地擺在托盤上。碼垛擺放如圖3所示。

圖3 碼垛擺放的示意圖

3.2 設(shè)計：方法設(shè)計

(1) 翻轉(zhuǎn)式課堂。以學生為核心,教師為教學設(shè)計者、指導者、幫助者和學習的伙伴。設(shè)計“學習任務(wù)單”明確學生課前自主學習內(nèi)容、目標和方法,并提供相應(yīng)學習資源,使學生取得自主學習實效。翻轉(zhuǎn)式課堂的教學方式有助于提高教學質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

(2) 拓展式教學。教師將學生需重復操作掌握的知識點和技能點錄制成微課視頻,將課堂現(xiàn)場示范教學內(nèi)容以精煉的片段化短視頻的方式呈現(xiàn)給學生,有利于學生記憶和模仿,同時也提高了學習效率。

(3) 拓展校外實踐基地。學校實訓平臺數(shù)量有限,開拓校外實訓中心與校企合作的企業(yè)作為實踐基地,聘請熟知企業(yè)需求的企業(yè)工程師與學校教師一同指導實訓項目內(nèi)容,增加工作化學習的真實性。

(4) 團隊式協(xié)作。團隊協(xié)作展開任務(wù)實施和討論尤為重要,任務(wù)完成既有分工，也有合作,遇到難題可以集思廣益進行探討,取得收獲能夠及時分享,有助于培養(yǎng)學生的個人與團隊能力。

(5) 任務(wù)式驅(qū)動。實訓項目以任務(wù)完成的形式進行設(shè)計。任務(wù)完成的過程即是學習的過程,樹立學生的工作意識,“做中學”的任務(wù)式驅(qū)動能夠增強學生學習的自信心與成就感。

(6) 行為式培養(yǎng)。注重培育學生的職業(yè)素養(yǎng),牢固樹立安全意識、責任意識、規(guī)范意識。我校規(guī)范要求學生進入實訓室進行實訓練習如同企業(yè)員工進入車間生產(chǎn)一樣,必須著工裝,嚴格遵守上課時間,禁止攜帶與課上無關(guān)的物品,實訓工具取放有位、課后打掃教室衛(wèi)生,安全檢查無問題后再離開工位。在行為和意識上讓學生形成規(guī)范的職業(yè)習慣和職業(yè)意識。

3.3 實施：任務(wù)實施

針對本實訓項目內(nèi)容,任務(wù)實施環(huán)節(jié)分為知識儲備、I/O板配置和信號創(chuàng)建、創(chuàng)建任務(wù)數(shù)據(jù)、機器人程序設(shè)計4部分。本實訓項目采用任務(wù)書完成方式展開,設(shè)計的項目任務(wù)書如表2所示。

表2 項目任務(wù)書

3.3.1 知識儲備

知識儲備部分主要是對安裝和調(diào)試工作站做準備工作。包括：

(1) 認識碼垛機器人末端工具。講解吸附式、夾板式、抓取式、組合式末端工具的特點及應(yīng)用范圍。

(2) 碼垛位置算法。完成碼垛任務(wù)需要對抓取點和包裝箱位置點進行示教。利用包裝箱尺寸基本一致,采用偏移尺寸的相對位置的方法進行示教,大大減少目標位置點的示教點數(shù),能夠簡化程序同時提高運行效率。

(3) 數(shù)組應(yīng)用與觸發(fā)指令。講解數(shù)組在常見碼垛垛型中的應(yīng)用,利用數(shù)組存放各個擺放位置數(shù)據(jù),程序中可直接調(diào)用。碼垛過程中會用到動作觸發(fā)指令TriggL完成位置輸出、激活中斷等動作,需要對TriggL的幾種指令進行講解。

(4) 中斷程序。中斷程序應(yīng)用在響應(yīng)緊急情況處

理,需要中斷當前執(zhí)行的程序,待處理完畢后返回執(zhí)行程序。

3.3.2 I/O板配置和信號創(chuàng)建

本工作站中,需要用到的數(shù)字輸入信號有傳送帶位信號、真空反饋信號等。在示教器中,根據(jù)所需信號選配IO通信方式,可以通過ABB標準IO板DSQC652進行配置。

信號配置的過程由團隊成員協(xié)作完成,分成配置、運行、排故幾個工作,由不同的成員負責。

3.3.3 創(chuàng)建任務(wù)數(shù)據(jù)

本項目碼垛末端工具選用吸盤式工具,需要完成工具坐標數(shù)據(jù)的創(chuàng)建；采用三點法示教創(chuàng)建碼垛托盤工件坐標數(shù)據(jù)；根據(jù)包裝箱的尺寸、重量等創(chuàng)建載荷數(shù)據(jù)；根據(jù)抓取和擺放的過程要求示教原點、抓取點、旋轉(zhuǎn)點等目標點。

3.3.4 機器人程序設(shè)計

碼垛過程的程序流程如圖4所示。執(zhí)行初始化程序后,檢測托盤是否放滿。若不滿,則繼續(xù)抓取工件,根據(jù)位置要求放置工件。碼垛計數(shù)不滿的繼續(xù)延時循環(huán)執(zhí)行,計數(shù)滿后結(jié)束程序。

圖4 碼垛過程流程圖

根據(jù)碼垛功能要求及程序流程圖,設(shè)計機器人程序包括手動示教目標點程序、主程序、初始化子程序、抓取子程序、放置子程序、計算放置點程序、中斷程序、位置點示教程序。程序設(shè)計不完全給出,一部分需要學生自己設(shè)計,一部分需要學生補全,開拓學生思維。

3.4 運行：評價分析

任務(wù)實施過程中,教師對學生團隊的知識和技能掌握情況進行客觀的記錄和評價。對學生整體成績和表現(xiàn)做出綜合分析,分類匯總比較突出的問題,總結(jié)出學生學習的難點,加強指導。拓展式教學中,聽取聘請的企業(yè)工程師對課程設(shè)計和學習效果的意見和建議,從而進行教學設(shè)計的修改完善。

4 結(jié)語

工業(yè)機器人的應(yīng)用是實現(xiàn)中國由“制造大國”邁向“制造強國”的強有力技術(shù)支撐。當今市場受人力成本影響,社會對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)人才的需求不斷增加,工業(yè)機器人替代人力生產(chǎn)是一種必然趨勢。本文簡要分析了CBE、CDIO教育模式概念,提出了CBE+CDIO理念的工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用課程實訓項目設(shè)計,旨在加快培養(yǎng)出適應(yīng)市場需求、滿足企業(yè)需要,能夠在生產(chǎn)一線從事工業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)崗位的高質(zhì)量應(yīng)用技術(shù)、技能型人才。