基于CDIO理念的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程教學(xué)探索
——以“馬鞍型”焊縫焊接仿真為例

宋 杰

(濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261041)

0 引言

自2013年起，中國已成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人銷售市場。預(yù)計未來10年，我國的機(jī)器人市場還將持續(xù)保持30%以上的高速增長[1-2]。在此形勢下，如何培養(yǎng)符合“中國制造2025”要求的技術(shù)技能型人才成為高職院校機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的首要任務(wù)。

CDIO(Conceive Design Implement Operate)是現(xiàn)代工程教育領(lǐng)域新興的一種先進(jìn)教育理念，秉承“以學(xué)生為中心”的教學(xué)宗旨，以完整的工程項目為載體，學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式，通過構(gòu)思-設(shè)計-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作4個環(huán)節(jié)，在工程項目研發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、個人能力提升、團(tuán)隊能力協(xié)作及工程研發(fā)能力培養(yǎng)。相對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，CDIO工程教育模式鼓勵教師在教學(xué)實(shí)踐中采用多種主動學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的方法，以增強(qiáng)對學(xué)生的吸引力、提高學(xué)生實(shí)踐操作能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，并取得了顯著的效果[3-4]。

CDIO在高校工業(yè)機(jī)器人課程中的應(yīng)用也已展開，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心通過引入CDIO項目式教學(xué)法進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐課程的改革[5]。蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院將CDIO教學(xué)模式應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程，得到學(xué)校教師與學(xué)生的認(rèn)可[6]。此外，CDIO理念在信息論與編碼、電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多個課程領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文以企業(yè)調(diào)研為基礎(chǔ)，借鑒成功的教學(xué)案例，進(jìn)行基于CDIO理念的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程教學(xué)研究。

1 工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)

為滿足人才需要，許多高校(特別是高職院校)開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)和課程，但是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)昂貴，實(shí)訓(xùn)設(shè)備維護(hù)成本高，且數(shù)量難以滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要。因此，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中尤為必要。工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。鑒于高職學(xué)生對機(jī)器人的認(rèn)知程度不高、缺乏相應(yīng)的知識經(jīng)驗(yàn)，本課程在教學(xué)過程中，結(jié)合企業(yè)調(diào)研情況，參照有效的CDIO教學(xué)模式，設(shè)計、引進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人應(yīng)用案例。

因此，這門課程教學(xué)設(shè)計的基本思路是把知識點(diǎn)、技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)融入具體的工作任務(wù)中，以CDIO的模式展開，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合，以學(xué)生關(guān)注的點(diǎn)為基礎(chǔ)，在傳授知識過程中注重工程應(yīng)用能力培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生的自學(xué)能力與分析，解決問題的能力。本文將以“馬鞍型”焊縫的仿真教學(xué)為例，具體闡述。

2 “馬鞍型”焊縫焊接仿真教學(xué)實(shí)例

以“馬鞍型”焊縫仿真教學(xué)項目為例，對上文提出的方案進(jìn)行說明，并對該項目實(shí)施中學(xué)生的知識獲取和綜合能力提升狀況進(jìn)行分析。

2.1 項目設(shè)計

管件的相貫焊接形式在高壓容器、管道工程中普遍存在，焊縫形式多為復(fù)雜的“馬鞍型”空間曲線，本節(jié)就以“馬鞍型”焊縫仿真項目貫穿整個課程教學(xué)。

題目：“馬鞍型”焊縫焊接仿真

任務(wù)：①使用RobotStudio中的三維建模功能進(jìn)行貫穿管件的建模，獲取“馬鞍型”空間曲線；②通過軌跡路線的生成、焊接目標(biāo)點(diǎn)的調(diào)整、運(yùn)動參數(shù)修改等，最終“馬鞍型”焊縫的軌跡仿真。

要求：根據(jù)圖1所示流程，使用RobotStudio機(jī)器人仿真軟件對“馬鞍型”焊縫焊接軌跡進(jìn)行模擬仿真。

圖1 “馬鞍型”焊縫焊接軌跡模擬仿真流程

所用知識：RobotStudio三維建模、創(chuàng)建仿真工作站、焊接路徑生成、目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整、軸配置參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)修改、運(yùn)動軌跡生成、仿真運(yùn)行。

2.2 項目實(shí)施

根據(jù)項目任務(wù)，將主項目分解成三維建模和軌跡仿真兩個子項目，下面進(jìn)行詳細(xì)說明。

子項目1：利用RobotStudio進(jìn)行三維建模

根據(jù)提供的圖紙，利用RobotStudio中的建模功能進(jìn)行模型創(chuàng)建，如圖2所示。主要考察學(xué)生讀圖識圖能力及RobotStudio中建模功能的掌握情況。

圖2 貫穿管件的三維模型

子項目2：焊接軌跡仿真

(1)任務(wù)構(gòu)思。①將貫穿管件相交線提取，作為焊槍運(yùn)動軌跡曲線，并將此曲線轉(zhuǎn)換為焊槍運(yùn)動軌跡路徑。如圖3所示；②對仿真過程中自動生成的目標(biāo)點(diǎn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整(調(diào)整各目標(biāo)點(diǎn)的X、Y、Z軸)，使各目標(biāo)點(diǎn)均在機(jī)器人的可及范圍之內(nèi)；③為達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人可能存在多種關(guān)節(jié)軸組合情況，因此，需要為自動生成的目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整軸配置參數(shù),并通過運(yùn)動指令，觀察機(jī)器人運(yùn)動；④完善程序，仿真運(yùn)行。為軌跡添加起始接近點(diǎn)、軌跡結(jié)束離開點(diǎn)及安全位置HOME點(diǎn)，調(diào)整運(yùn)動的類型、速度、轉(zhuǎn)彎半徑等參數(shù)，最后進(jìn)行仿真設(shè)定。

圖3 焊槍軌跡曲線路徑

(2)方案設(shè)計。以小組形式，按照不同目標(biāo)點(diǎn)姿態(tài)調(diào)整角度和軸配置參數(shù)調(diào)整數(shù)值進(jìn)行分工，通過不同小組機(jī)器人運(yùn)動軌跡，讓學(xué)生理解目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整和軸配置參數(shù)的原因，掌握調(diào)整方法。

(3)任務(wù)實(shí)現(xiàn)。教師向?qū)W生灌輸機(jī)器人仿真過程中的嚴(yán)謹(jǐn)性與規(guī)范性，引導(dǎo)其養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，并對仿真過程中出現(xiàn)的問題給予指導(dǎo)。

(4)運(yùn)作階段。教師檢查學(xué)生的仿真結(jié)果，并將各小組的結(jié)果進(jìn)行分析，并提出路徑最優(yōu)的發(fā)散性問題。

2.3 效果分析

以“馬鞍型”焊縫仿真項目為載體，將知識融入實(shí)踐，相比于之前的教學(xué)方法主要在以下兩方面得到改善：

(1)“馬鞍型”焊縫仿真工作站的創(chuàng)建基于之前所學(xué)的RobotStudio建模與工作站的構(gòu)建，迭代式的學(xué)習(xí)和實(shí)踐有助于加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和運(yùn)用，進(jìn)一步掌握基本理論和方法。

(2)以工程項目為載體，結(jié)合具體的工程背景進(jìn)行項目設(shè)計與實(shí)施，有助于學(xué)生從理論走到實(shí)踐，積累書本上難得的工程知識和項目經(jīng)驗(yàn)。

(3)構(gòu)思-設(shè)計-實(shí)施-運(yùn)作的CDIO四階段知識學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用，有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生主動性，提升自主學(xué)習(xí)能力，鍛煉思維能力、溝通能力與操作能力。

3 結(jié)語

將CDIO理念引入工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)課程，以工程項目為載體，既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，鍛煉了思維能力、溝通能力、操作能力，又有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式與實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)用人脫節(jié)問題，讓學(xué)生從理論走到實(shí)踐。CDIO教學(xué)模式的應(yīng)用，在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合等問題上進(jìn)行了有益探索，做法與經(jīng)驗(yàn)可供以后參考。