淺談高職院校工業(yè)機(jī)器人校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)

張明河，譚本軍，鄧建南

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 張家界42700）

0 引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是“中國制造2025”戰(zhàn)略重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一[1]。高職院校作為技術(shù)技能型人才的重要供給側(cè)，是解決工業(yè)機(jī)器人行業(yè)人才結(jié)構(gòu)性短缺的重要途徑之一[2]。全國職業(yè)院校專業(yè)設(shè)置管理與公共信息服務(wù)平臺網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示：截止2019年7月，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)招生備案高職院校已達(dá)634所[3]。在該專業(yè)建設(shè)過程中，校內(nèi)實訓(xùn)基地的建設(shè)是關(guān)鍵問題之一。校內(nèi)實訓(xùn)基地的建設(shè)水平，直接影響專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。因此，研究高職院校工業(yè)機(jī)器人專業(yè)校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)的總體思路及建設(shè)內(nèi)容，并提供一種可行的建設(shè)案例供參考，具有重要的理論和實踐意義。

1 專業(yè)校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)總體思路

1.1 指導(dǎo)思想

高職院校工業(yè)機(jī)器人校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)，首先應(yīng)服務(wù)國家制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略?！爸袊圃?025”戰(zhàn)略明確將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)列入重點發(fā)展領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的建設(shè)，包括實訓(xùn)基地建設(shè)，勢必服務(wù)于該戰(zhàn)略。其次，該專業(yè)實訓(xùn)基地建設(shè)應(yīng)契合國家職業(yè)教育發(fā)展改革思路。2019年1月，國務(wù)院出臺的《國家職業(yè)教育改革實施方案》明確提出打造一批高水平實訓(xùn)基地。因此，該專業(yè)校內(nèi)實訓(xùn)基地的建設(shè)，應(yīng)當(dāng)高度契合《國家職業(yè)教育改革實施方案》，體現(xiàn)該方案的思想。再次，該專業(yè)實訓(xùn)基地建設(shè)應(yīng)符合院校自身發(fā)展實際。工業(yè)機(jī)器人實訓(xùn)基地建設(shè)，資金投入量大但辦學(xué)效益不一定高，因此各高職院校應(yīng)結(jié)合自身發(fā)展實際來建設(shè)，切忌盲目貪多求新，好大喜功。

1.2 建設(shè)原則

高職院校工業(yè)機(jī)器人校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)，首先應(yīng)遵循科學(xué)系統(tǒng)性原則[4]，即建設(shè)前應(yīng)充分論證可行性，建設(shè)方案應(yīng)科學(xué)合理，系統(tǒng)規(guī)范，杜絕“拍腦袋”式?jīng)Q策，杜絕“走一步看一步”式建設(shè)。其次，應(yīng)遵循實用性原則，即實訓(xùn)室建設(shè)應(yīng)符合專業(yè)實踐教學(xué)的要求，符合專業(yè)人才培養(yǎng)方案的要求，符合學(xué)院自身辦學(xué)理念的要求，切忌華而不實，盲目追求設(shè)備和技術(shù)的先進(jìn)性。最后，應(yīng)遵循前瞻性原則，即充分考慮本校該專業(yè)的發(fā)展前景及行業(yè)發(fā)展趨勢，最大限度做到模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，為后續(xù)系統(tǒng)升級改造做好技術(shù)儲備。

1.3 建設(shè)體系

高職院校工業(yè)機(jī)器人校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)中，技術(shù)基礎(chǔ)實訓(xùn)室是基礎(chǔ)，虛擬仿真實訓(xùn)室是潤滑劑，操作編程實訓(xùn)室是紐帶，典型工程應(yīng)用實訓(xùn)室是核心，系統(tǒng)集成實訓(xùn)室是升華，機(jī)器視覺實訓(xùn)室是拓展[5]。在實際的建設(shè)過程中，應(yīng)結(jié)合院校實際，分期分批建設(shè)，或?qū)⒁陨蟽蓚€功能密切聯(lián)系的實訓(xùn)室合二為一，或依據(jù)辦學(xué)特色適當(dāng)增添專業(yè)實訓(xùn)室。

2 校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)具體思路和內(nèi)容

2.1 建設(shè)具體目的、意義及思路

校內(nèi)實訓(xùn)基地、校外實習(xí)基地是高職工科學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)的兩大最主要的實訓(xùn)場所。相對于校外實訓(xùn)基地，校內(nèi)實訓(xùn)基地一般由高職院校投資興建，由專業(yè)師資使用、管理與維護(hù)，是專業(yè)建設(shè)的核心內(nèi)容之一。工業(yè)機(jī)器人校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)，旨在服務(wù)人才培養(yǎng)方案，體現(xiàn)本校人才培養(yǎng)特色，加強(qiáng)學(xué)生動手實踐能力。本實訓(xùn)基地的建設(shè)，除了功能工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教育實訓(xùn)外，還可以供機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動化技術(shù)、智能控制技術(shù)等電氣類專業(yè)的教學(xué)實訓(xùn)；同時還可為相關(guān)專業(yè)教師從事科研工作提供支撐，為優(yōu)秀學(xué)生參加各類機(jī)器人技能競賽提供實訓(xùn)條件。此外，該校內(nèi)實訓(xùn)基地還可承擔(dān)招生宣傳、中小學(xué)生科普教育、城鎮(zhèn)下崗職工及農(nóng)民工培訓(xùn)等任務(wù)。本實訓(xùn)基地的建設(shè)，在經(jīng)費充足的情況下，力求科學(xué)、實用、完備，讓實訓(xùn)環(huán)節(jié)貫穿于學(xué)生所需專業(yè)技能的各個環(huán)節(jié)，讓每門專業(yè)課都有實訓(xùn)項目可開展，讓該專業(yè)每一位學(xué)生都有充分的時間親自實踐。工業(yè)機(jī)器人校內(nèi)實訓(xùn)基地至少應(yīng)包括以下6類專業(yè)實訓(xùn)室：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人操作編程實訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用實訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成實訓(xùn)室、工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)實訓(xùn)室。各實訓(xùn)室根據(jù)技能對應(yīng)原則，分別用于培養(yǎng)學(xué)生某一方面的具體技能，對應(yīng)1～2門專業(yè)課程。需要指出的是，以下各類實訓(xùn)室，并不指實際建設(shè)時就是一間實訓(xùn)教室。實訓(xùn)基地內(nèi)各實訓(xùn)室集中統(tǒng)一管理，資源共享，分工協(xié)作，組成一個有機(jī)整體，共同完成各項任務(wù)。

2.2 各組成實訓(xùn)室建設(shè)具體內(nèi)容

一是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實訓(xùn)室。該實驗室應(yīng)配備典型機(jī)電設(shè)備模型或?qū)嵨?、典型機(jī)構(gòu)示教板、典型傳動示教裝置、常用機(jī)械零部件示教板和典型工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型等。該實訓(xùn)室主要用于工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)論課程，是所有專業(yè)課程的基礎(chǔ)。

二是工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實訓(xùn)室。按照每班定額40名學(xué)生，再預(yù)留5臺左右備用，該實訓(xùn)室應(yīng)配備計算機(jī)至少45臺，另外配置教師用大屏臺式機(jī)一臺。同時配備投影儀、白板等并接入互聯(lián)網(wǎng)。配備工業(yè)機(jī)器人編程及仿真、工裝夾具機(jī)械設(shè)計、系統(tǒng)集成設(shè)計等相關(guān)軟件。在建設(shè)資金充足時，應(yīng)盡可能提高計算機(jī)硬件配置。該實訓(xùn)室主要用于工業(yè)機(jī)器人建模與虛擬仿真、工業(yè)機(jī)器人工裝夾具設(shè)計、工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成等課程。該實訓(xùn)室的投資相對較少但功能多，使用靈活，性價比高，是專業(yè)實訓(xùn)基地的潤滑劑。

三是工業(yè)機(jī)器人操作編程實訓(xùn)室每班分兩批輪流實訓(xùn)，按照每小組3人，該實訓(xùn)室配備典型的單體工業(yè)機(jī)器人和簡單的外圍輔助作業(yè)工具7～8套，用于工業(yè)機(jī)器人操作編程課程，訓(xùn)練學(xué)生機(jī)器人的單機(jī)基本操作，如示教器操作，I/O配置、程序數(shù)據(jù)創(chuàng)建、軌跡規(guī)劃、基本程序編寫和調(diào)試等。此實訓(xùn)室是培養(yǎng)學(xué)生動手實操能力的紐帶，是后續(xù)課程的基礎(chǔ)。

四是工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用實訓(xùn)室。該實訓(xùn)室應(yīng)配備典型的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)，包含工業(yè)機(jī)器人搬運、碼垛、裝配、弧焊、噴涂等。某些應(yīng)用系統(tǒng)可以合并，如搬運與碼垛共用一臺機(jī)器人。限于實驗場地及經(jīng)費投入，同時教學(xué)時可交叉實訓(xùn)，每種應(yīng)用系統(tǒng)可配置1～2套，提高設(shè)備利用率。為減少投資，一些輔助設(shè)備可以適當(dāng)簡化，但應(yīng)保證實訓(xùn)師生的安全。該實訓(xùn)室主要用于工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成等核心專業(yè)課程。

五是工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成實訓(xùn)室該實訓(xùn)室應(yīng)配置各種典型的工業(yè)機(jī)器人工作站，如碼垛機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人和分揀機(jī)器人等工作站。該實訓(xùn)室主要用于工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)維護(hù)等核心課程，學(xué)生可以學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)成站技術(shù)，各種典型的作業(yè)工藝、典型的通信接口技術(shù)等。該實訓(xùn)室可以與典型應(yīng)用實訓(xùn)室合并建設(shè)，每種應(yīng)用系統(tǒng)可單獨占用一間實訓(xùn)室，也可以獨立建設(shè)。

六是工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)實訓(xùn)室。該實訓(xùn)室作為專業(yè)能力拓展的平臺，容易被忽視。該系統(tǒng)包括小型工業(yè)機(jī)器人、氣動夾具、光源、鏡頭、工業(yè)相機(jī)、計算機(jī)、標(biāo)定板、圖像處理軟件、工業(yè)機(jī)器人編程軟件等。該實訓(xùn)室一般與操作編程實訓(xùn)室合并建設(shè)，也可獨立建設(shè)，主要用于工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成等課程。若與操作編程實訓(xùn)室合并建設(shè)，則該實訓(xùn)室同樣配備7～8套工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)；若只配置視覺系統(tǒng)，不涉及工業(yè)機(jī)器人動作，因每個工位占地面積較小，則可以配置13～15套，每個工位不超過3人。

3 工業(yè)機(jī)器人實訓(xùn)基地建設(shè)案例

工業(yè)機(jī)器人專業(yè)校內(nèi)實訓(xùn)基地在實際的建設(shè)中，往往受到招生規(guī)模、資金投入、師資力量等因素限制，難以一次性投入巨資完成上述6類專業(yè)實訓(xùn)室建設(shè)。為保證該專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不打折扣，讓學(xué)生完成各類實訓(xùn)課程，在專業(yè)開設(shè)初期，可以對實驗室建設(shè)方案做出適當(dāng)調(diào)整，合并重組部分實訓(xùn)室。提出一種經(jīng)濟(jì)型建設(shè)方案，供相關(guān)高職院校參考。

3.1 方案概況

本方案是考慮到實訓(xùn)基地建設(shè)經(jīng)費有限、場地不足、招生不多等限制因素，分三期建設(shè)方案中的第一期方案。后續(xù)的第二期、第三期建設(shè)可視專業(yè)開設(shè)的具體情況，不斷優(yōu)化調(diào)整，既避免一次性建設(shè)中因人才培養(yǎng)方案的大改動導(dǎo)致實訓(xùn)室的整體改造，又可以充分考慮到行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢。

該方案中涉及到的實訓(xùn)室可稱為“工業(yè)機(jī)器人綜合技能實訓(xùn)室”，建設(shè)方式為新建，由10套工業(yè)機(jī)器人綜合實訓(xùn)工作站與相關(guān)組件以及配套資源組成，按照每班學(xué)員40名，每兩名學(xué)生共用一套系統(tǒng)，每班分兩批實操。同時配備投影儀或大屏觸控電腦、白板，講桌，并接入互聯(lián)網(wǎng)，教師可實現(xiàn)示范教學(xué)。項目直接經(jīng)費預(yù)算207萬，為：設(shè)備采購每套約人民幣20萬元，運輸、安裝與調(diào)試每臺約5 000元，使用及維護(hù)初級培訓(xùn)約每人次5 000元，4人次參與培訓(xùn)。項目實訓(xùn)室占地不低于80 m2，設(shè)置10個工位，并設(shè)計有前后門及安全通道。實訓(xùn)室內(nèi)配備煙霧報警裝置，并配備足夠數(shù)量滅火器。實訓(xùn)室管理制度、安全操作規(guī)范、實訓(xùn)指導(dǎo)教師崗位職責(zé)、學(xué)生實訓(xùn)守則等規(guī)范文件需張貼于實訓(xùn)室墻壁明顯位置。

3.2 工作站簡介

該工作站示意圖如圖1所示。其主體結(jié)構(gòu)由方通支架和鋁合金導(dǎo)軌實訓(xùn)臺面組成。臺面搭載有小型六軸工業(yè)機(jī)器人（ABB IRB1200）、分層送料機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)供料機(jī)構(gòu)、矩形放料裝置、CNC模擬機(jī)構(gòu)、視覺分揀定位系統(tǒng)、軌跡跟蹤區(qū)、工具坐標(biāo)練習(xí)機(jī)構(gòu)、工件坐標(biāo)練習(xí)機(jī)構(gòu)、氣缸模組、皮帶模組、PLC及觸摸屏控制系統(tǒng)、工控電腦及視覺檢測系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等構(gòu)成。實際工作實訓(xùn)中，根據(jù)需要搭載模組部件，除工業(yè)機(jī)器人外，其他模組均可拆卸。視覺分揀定位模組如圖2所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人綜合實訓(xùn)工作站示意圖

圖2 視覺分揀定位模組示意圖

該工作站可以自由拆分組合，不同機(jī)構(gòu)的配置輔以不同的配線，形成多種功能的教學(xué)實訓(xùn)項目。整個工作站選用氣動元器件、真空組件、步進(jìn)馬達(dá)、視覺控制單元等，結(jié)合PLC、觸摸屏形成聯(lián)動控制機(jī)制，各控制單元通過以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。

利用本工作站，可以實現(xiàn)基本結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)操作、參數(shù)配置、在線示教編程等項目的實訓(xùn)；結(jié)合工具架、基礎(chǔ)實訓(xùn)工作臺、綜合實訓(xùn)工作臺可實現(xiàn)工具更換、復(fù)雜軌跡規(guī)劃及編程、典型工藝應(yīng)用的綜合編程實訓(xùn)；利用I/O及PLC實訓(xùn)單元實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成實訓(xùn)；利用視覺系統(tǒng)及自動化相關(guān)執(zhí)行元件，可以完成視覺識別與抓取實訓(xùn)。

3.3 工作站特點

本工作站的特點之一是高度集成。以小型工業(yè)機(jī)器人為主體，集成了視覺系統(tǒng)及自動化相關(guān)執(zhí)行元件（氣缸、氣爪、真空組件、步進(jìn)馬達(dá)）和控制元件（PLC、觸摸屏、視覺控制器等），并配備工控機(jī)，基本可以滿足工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)論、建模與虛擬仿真、操作編程、典型應(yīng)用，系統(tǒng)集成，機(jī)器視覺等課程的要求。其特點之二是模塊化設(shè)計。操作機(jī)臺為鋁合金槽板，可方便拆卸與安裝實訓(xùn)所需部件。實訓(xùn)平臺可拆裝組合，控制電路可自行接線，具有較高開放性和靈活性，適合于現(xiàn)場實訓(xùn)教學(xué)。模塊出現(xiàn)故障，只需更換對應(yīng)模塊，維修維護(hù)成本低。其特點之三是安全高效。該設(shè)備自帶線路保護(hù)裝置。線路保護(hù)裝置位于平臺下方柜體中，平臺正面設(shè)置有學(xué)生專用接線端口。保護(hù)裝置能有效的防止因?qū)W生接線錯誤而導(dǎo)致設(shè)備損毀。

4 工業(yè)機(jī)器校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)應(yīng)注意的問題

4.1 科學(xué)規(guī)劃，量入為出

工業(yè)機(jī)器校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)，應(yīng)科學(xué)規(guī)劃，量入為出，做到技術(shù)先進(jìn)性與實用性的統(tǒng)一。建設(shè)中常出現(xiàn)的問題可能有：無建設(shè)總體規(guī)劃，“走一步看一步”式建設(shè)；因人才培養(yǎng)方案大的變動導(dǎo)致實訓(xùn)基地建設(shè)方案搖擺不定；建設(shè)途中因經(jīng)費或場地不足而被迫中途停工等。為避免類似問題出現(xiàn)，建設(shè)前應(yīng)充分調(diào)研，充分考慮可能的未知因素，形成書面的報告并請專家組審議；建設(shè)的資金和場地，應(yīng)通過學(xué)校黨政高層決議，并以書面文件作為依據(jù)，防止陷入空口無憑的尷尬境地。

4.2 以我為主，突出特色

工業(yè)機(jī)器校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)，投入經(jīng)費動輒上百萬，被各利益方視為大蛋糕。在項目咨詢階段，各類科技教育企業(yè)、各供應(yīng)商會敏銳嗅到商機(jī)，主動上門游說，提供所謂的“免費幫助”。這些企業(yè)或找到學(xué)校職能部門變相推銷，或以本公司的產(chǎn)品與服務(wù)為基礎(chǔ)推進(jìn)方案。這時，方案決策者一定要保持定力，不受外界因素干擾，以專業(yè)需求為依據(jù)，突出學(xué)校特色，拿出一份科學(xué)合理的方案。

4.3 慎簽合約，管控過程

工業(yè)機(jī)器校內(nèi)實訓(xùn)基地建設(shè)，涉及到物資采購、技術(shù)服務(wù)等合作協(xié)議，有些院校甚至將建設(shè)項目完全外包，讓企業(yè)提供“交鑰匙”工程。對于物資采購協(xié)議，因工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)等設(shè)備一般是出廠標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，注意按照合同注明的技術(shù)參數(shù)詳細(xì)核對驗收即可。對于“交鑰匙”類協(xié)議，因校方在技術(shù)上處于劣勢，應(yīng)該讓專業(yè)教師仔細(xì)審讀合同中的技術(shù)細(xì)節(jié)，明確技術(shù)規(guī)范，消除技術(shù)上的模糊點，避免施工中出現(xiàn)爭議。在實訓(xùn)基地建設(shè)過程中，校方一定要有專人專責(zé)監(jiān)管，確保施工有序進(jìn)行，各項工序規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)，所用設(shè)備、材料質(zhì)量安全可靠。

5 結(jié)束語

中國制造2025戰(zhàn)略已為工業(yè)機(jī)器人行業(yè)指明了發(fā)展方向。作為專業(yè)建設(shè)重要內(nèi)容，高水平的實訓(xùn)室對培養(yǎng)行業(yè)所需高質(zhì)量技術(shù)技能人才，破解當(dāng)前用工荒具有重要意義。提出的建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容及建設(shè)中應(yīng)注意的問題，可供相關(guān)高職院校實訓(xùn)基地建設(shè)提供決策咨詢；給出的一種經(jīng)濟(jì)型建設(shè)案例，可供相關(guān)院校選用。