《焊接機(jī)器人操作工》職業(yè)技能培訓(xùn)教材框架及內(nèi)容研究與開發(fā)

劉偉，黃瑞生，郭廣磊，徐楷昕，方乃文

1.中國(guó)焊接協(xié)會(huì)機(jī)器人焊接（廈門）培訓(xùn)基地 福建廈門 361023

2.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

3.廈門市集美職業(yè)技術(shù)學(xué)校 福建廈門 361023

1 序言

當(dāng)前，我國(guó)已成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)，越來(lái)越多的企業(yè)將焊接機(jī)器人應(yīng)用于加工制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，“機(jī)器換人”浪潮不斷掀起。隨著“中國(guó)制造2025”的逐步深入，企業(yè)對(duì)機(jī)器人焊接技能人才的需求日趨迫切。為此，中國(guó)焊接協(xié)會(huì)受中國(guó)就業(yè)培訓(xùn)技術(shù)指導(dǎo)中心及中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社委托，組織成立教材編委會(huì)，充分發(fā)揮在焊接產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)和人才優(yōu)勢(shì)，研究開發(fā)與《國(guó)家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)——焊工》（以下簡(jiǎn)稱“《焊工》”）對(duì)接，與產(chǎn)業(yè)需求和企業(yè)生產(chǎn)相融合、適用教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的職業(yè)技能培訓(xùn)教材系列叢書。

2 教材開發(fā)的依據(jù)和編寫思路

2.1 以《焊工》標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)

依據(jù)《焊工》國(guó)家職業(yè)鑒定技能標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋焊接機(jī)器人操作工全部條款內(nèi)容，且不超出其要求范圍，全面反映機(jī)器人焊接的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝和新方法。

2.2 與職業(yè)院校課程體系貫通與融合

1）力求符合職業(yè)教育特點(diǎn)和課程標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人焊接理論與實(shí)踐一體化實(shí)訓(xùn)要求，與中職、高職和應(yīng)用本科階段的技能實(shí)訓(xùn)課程有機(jī)銜接，反映不同學(xué)歷階段的焊接機(jī)器人操作工所必須具備的職業(yè)能力。

2）符合教育部推出的“1+X”的課證融通理念，能與之形成有機(jī)銜接。

2.3 反映機(jī)器人焊接職業(yè)技能特點(diǎn)

焊接機(jī)器人操作工所實(shí)施的機(jī)器人焊接工作體現(xiàn)出很強(qiáng)的工藝性，要求操作人員既要懂機(jī)器人操作，又要懂機(jī)器人焊接工藝，懂得如何匹配好機(jī)器人的軌跡、姿態(tài)、速度、焊接參數(shù)，才能獲得合格的焊縫[1]。因此，機(jī)器人焊接從業(yè)人員需要具備以下兩方面的基本能力。

（1）機(jī)器人操作 主要指操作焊接機(jī)器人進(jìn)行示教編程，包括：移動(dòng)機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)和角度、正確運(yùn)用各種機(jī)器人指令、坐標(biāo)系切換、TCP點(diǎn)校準(zhǔn)與補(bǔ)償、機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，以及示教方法的正確性和安全操作等內(nèi)容。

（2）焊接工藝 主要指機(jī)器人焊接工藝，包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度等焊接參數(shù)的選擇，以及焊槍角度、運(yùn)槍方向、焊絲伸出長(zhǎng)度等工藝要素，另外還有焊接方法、焊接電源、焊接模式和焊接材料的選擇等內(nèi)容，還包括對(duì)焊接機(jī)器人應(yīng)用軟件的運(yùn)用。

2.4 解決“教”與“學(xué)”的問題

近年來(lái)，很多職業(yè)院校購(gòu)買了焊接機(jī)器人設(shè)備，然而一些學(xué)校卻忽略了焊接機(jī)器人應(yīng)用的工藝屬性，走入了“重操作、輕工藝”的誤區(qū)，面對(duì)焊接機(jī)器人工藝應(yīng)用，不知道該怎么學(xué)、怎么教，造成很多設(shè)備閑置，浪費(fèi)了教學(xué)資源。因此，開發(fā)符合《焊工》的《焊接機(jī)器人操作工》培訓(xùn)教材對(duì)于職業(yè)院校開展科學(xué)、規(guī)范的焊接機(jī)器人教學(xué)，培養(yǎng)具有“精準(zhǔn)、快速、協(xié)同、規(guī)范”職業(yè)素養(yǎng)的焊接機(jī)器人應(yīng)用高素質(zhì)人才具有非常重要的意義。

筆者作為《焊接機(jī)器人操作工》培訓(xùn)教程的編寫組長(zhǎng)，在此以該教程為樣例，對(duì)國(guó)家職業(yè)技能等級(jí)認(rèn)定培訓(xùn)教程的框架和內(nèi)容體現(xiàn)形式進(jìn)行研究與探索。

3 《焊接機(jī)器人操作工》培訓(xùn)教材框架結(jié)構(gòu)

3.1 建立逐級(jí)提升的課程培訓(xùn)體系

根據(jù)《焊工》條款規(guī)定，《焊接機(jī)器人操作工》職業(yè)技能對(duì)職業(yè)等級(jí)、工作內(nèi)容、技能和相關(guān)知識(shí)逐級(jí)遞進(jìn)的總體要求，教材將焊接機(jī)器人操作工分為5個(gè)等級(jí)共17個(gè)職業(yè)模塊，見表1。

表1 焊接機(jī)器人操作工職業(yè)等級(jí)和相應(yīng)內(nèi)容

以弧焊機(jī)器人為例，對(duì)5個(gè)職業(yè)等級(jí)的基本要求如下。

1）初級(jí)工：焊接機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)；在平面工件上進(jìn)行操作和焊接；焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)；通過評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和自評(píng)。

2）中級(jí)工：機(jī)器人基本控制理論；按各類指令編制機(jī)器人弧焊工作程序；平/橫/立焊接位置的對(duì)接、搭接、角接焊縫機(jī)器人弧焊示教編程；弧焊工裝夾具的檢查和調(diào)整等基本技能。

3）高級(jí)工：較復(fù)雜焊縫和容器工件的焊接；中厚板焊接接觸傳感的原理及操作方法；按照生產(chǎn)流程和操作規(guī)程步驟完成各類碳素鋼工件的焊接；無(wú)損檢測(cè)及密封性試驗(yàn)方法。

4）技師：機(jī)器人高級(jí)設(shè)定；機(jī)器人與外部軸協(xié)調(diào)、機(jī)器人離線編程、建模及程序?qū)雽?dǎo)出；電弧傳感技術(shù)以及多層多道焊接[2]；有色金屬的焊接；低壓容器焊接；特殊工裝夾具的裝調(diào)；論文編寫及焊接技術(shù)管理。

5）高級(jí)技師：多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的操作；機(jī)器人與外部設(shè)備通信設(shè)置；焊接工藝優(yōu)化；金相檢測(cè)；焊接工藝指導(dǎo)書編制；機(jī)器人焊接工藝試驗(yàn)及人員培訓(xùn)等。

3.2 教材框架結(jié)構(gòu)

教材將《焊工》標(biāo)準(zhǔn)的“職業(yè)功能”作為教材的一級(jí)目錄，稱作“職業(yè)模塊”；將標(biāo)準(zhǔn)中的“工作內(nèi)容”作為教材的二級(jí)目錄，稱作“培訓(xùn)項(xiàng)目”；標(biāo)準(zhǔn)中的“技能要求”是三級(jí)目錄內(nèi)容，稱作“培訓(xùn)單元”。以《焊工》標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人弧焊中級(jí)工條款內(nèi)容為例，相關(guān)條款見表2。

表2 機(jī)器人弧焊中級(jí)工標(biāo)準(zhǔn)條款

標(biāo)準(zhǔn)中的“相關(guān)知識(shí)要求”作為技能項(xiàng)必備的理論知識(shí)內(nèi)容，將技能要求編寫成操作項(xiàng)目。以機(jī)器人弧焊中級(jí)工為例，內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人弧焊中級(jí)工內(nèi)容結(jié)構(gòu)

4 教材內(nèi)容編排

4.1 指導(dǎo)思想

堅(jiān)持“以逐級(jí)遞進(jìn)的職業(yè)等級(jí)制劃分為基礎(chǔ)，以職業(yè)活動(dòng)為導(dǎo)向，以職業(yè)技能為核心”的指導(dǎo)思想，教材編排按照由初級(jí)工→中級(jí)工→高級(jí)工→技師→高級(jí)技師順序，先弧焊，后點(diǎn)焊，再激光焊，按照項(xiàng)目難度由低到高設(shè)計(jì)了技能操作項(xiàng)目108個(gè)。引用的機(jī)器人品牌十余個(gè)，使學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中參照這些操作項(xiàng)目學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)習(xí)過程具有針對(duì)性和實(shí)用性。同時(shí)，方便各種不同品牌機(jī)器人參照學(xué)習(xí)。

4.2 編寫內(nèi)容

（1）機(jī)器人弧焊 該模塊在初級(jí)工到高級(jí)技師均有講述，由于不同品牌的機(jī)器人雖操作原理相近，但操作方法不同，運(yùn)動(dòng)指令和焊接指令各異，給學(xué)習(xí)者帶來(lái)一定不便，因此為增加教材的普適性和針對(duì)性，便于學(xué)習(xí)者進(jìn)行識(shí)別和比較，教材羅列了各類不同品牌弧焊機(jī)器人插補(bǔ)指令和弧焊指令[3]，見表3。

表3 弧焊機(jī)器人插補(bǔ)和弧焊指令匯總

技能操作部分按照《焊工》標(biāo)準(zhǔn)中“技能要求”條款進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)施步驟采用一步一圖的方式進(jìn)行編寫，使學(xué)習(xí)者能夠方便地掌握操作步驟和方法。以機(jī)器人弧焊中級(jí)工為例，操作名稱為管-板組合件焊接[4]，如圖2所示。

圖2 管-板組合件焊接

管-板組合件焊接的操作實(shí)施步驟為零件準(zhǔn)備→表面清理→劃線→組對(duì)→定位→示教編程→焊接參數(shù)設(shè)置→焊接→焊后清理。

管-板組合件前立板和側(cè)立板的立焊位示教點(diǎn)A→B→C及焊槍角度如圖3所示。

（2）機(jī)器人點(diǎn)焊 機(jī)器人點(diǎn)焊模塊為中級(jí)工到技師的學(xué)習(xí)內(nèi)容，參照汽車車身焊裝生產(chǎn)中多臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人協(xié)同作業(yè)特點(diǎn)[5]，設(shè)計(jì)雙機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)，以一把C形焊鉗和一把X形焊鉗共同對(duì)工件實(shí)施點(diǎn)焊的項(xiàng)目，如圖4所示。

焊后，將操作者的機(jī)器人點(diǎn)焊接頭質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果對(duì)照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（3）機(jī)器人激光焊 激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，已被越來(lái)越多的企業(yè)所采用。教材中機(jī)器人激光焊模塊為中級(jí)工到技師的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以不銹鋼T形接頭平角位機(jī)器人激光焊為例，如圖5所示。

圖3 立焊位示教

圖4 雙機(jī)器人點(diǎn)焊

圖5 不銹鋼T形接頭激光平角焊

通過機(jī)器人示教盒對(duì)激光焊參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，LASER-SET[6]在程序中的顯示如圖6所示。

圖6 不銹鋼T形接頭激光焊程序

在對(duì)機(jī)器人激光焊操作者評(píng)價(jià)過程中，需將安全操作列為重要的考核內(nèi)容。

（4）焊接機(jī)器人離線編程 該項(xiàng)內(nèi)容是技師和高級(jí)技師在弧焊、點(diǎn)焊、激光焊模塊中的學(xué)習(xí)內(nèi)容，機(jī)器人離線編程是通過在計(jì)算機(jī)上對(duì)焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后操作機(jī)器人進(jìn)行編程形成仿真程序，能夠測(cè)試機(jī)器人動(dòng)作可達(dá)性及生產(chǎn)節(jié)拍，具有不占用機(jī)器人設(shè)備、遠(yuǎn)離作業(yè)場(chǎng)所、提高工效等特點(diǎn)，其應(yīng)用越來(lái)越廣。例如：管角接構(gòu)成的馬鞍形相貫線焊縫，由于機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)示教難度大，因此用時(shí)長(zhǎng)、效率低。如果用離線編程進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)建模和仿真分析，能達(dá)到提高示教效率和焊接質(zhì)量的目的。馬鞍形焊縫軌跡點(diǎn)坐標(biāo)位置特征[7]，如圖7所示。

圖7 馬鞍形焊縫軌跡點(diǎn)的位置特征

根據(jù)馬鞍形焊縫的軌跡點(diǎn)坐標(biāo)位置特征，為保證焊接質(zhì)量，提高效率，采用機(jī)器人雙持雙軸變位系統(tǒng)[8]，如圖8所示。

示教過程必須使焊縫始終處于最佳的焊接位置，讓機(jī)器人與變位機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，然后將離線程序進(jìn)行標(biāo)定，再導(dǎo)出到實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證和焊接。

（5）焊接技術(shù)管理 該模塊是技師和高級(jí)技師的必備知識(shí)，主要講述焊接生產(chǎn)管理、技術(shù)文件編制、焊接質(zhì)量驗(yàn)收、焊接安全、焊接施工管理，以及質(zhì)量檢查與管理等內(nèi)容。其是機(jī)器人焊接高技能人才必須具備的綜合素養(yǎng)，也是機(jī)器人焊接生產(chǎn)的技術(shù)和安全保障。

圖8 機(jī)器人雙持雙軸變位系統(tǒng)

（6）培訓(xùn)與指導(dǎo) 該模塊是技師和高級(jí)技師的必備知識(shí)，主要講述理論培訓(xùn)和技能指導(dǎo)方面的內(nèi)容，包括授課計(jì)劃編寫、培訓(xùn)教案編寫、機(jī)器人焊接作業(yè)指導(dǎo)書編寫以及焊接技能示范培訓(xùn)及指導(dǎo)。

以該模塊對(duì)技師的要求為例，根據(jù)《焊工》中關(guān)于“機(jī)器人焊接操作工”對(duì)應(yīng)于（技師）培訓(xùn)的有關(guān)條款，其相關(guān)知識(shí)要求及權(quán)重見表4。

表4 焊接機(jī)器人操作工（技師）相關(guān)知識(shí)要求及權(quán)重

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）匯集資源 中國(guó)焊接協(xié)會(huì)自2011年在全國(guó)范圍內(nèi)建立機(jī)器人焊接培訓(xùn)基地以來(lái)，在開展機(jī)器人焊接培訓(xùn)、行業(yè)認(rèn)證、交流及技能競(jìng)賽方面取得了良好成效，深化產(chǎn)教融合機(jī)制，總結(jié)出一套科學(xué)、規(guī)范、可借鑒的機(jī)器人焊接培訓(xùn)教學(xué)模式。其中，筆者所在的廈門基地利用10年時(shí)間，主編出版了7本焊接機(jī)器人系列教材，積累了編寫經(jīng)驗(yàn)。成功舉辦了4期“全國(guó)職業(yè)院校教師機(jī)器人焊接操作員資格取證培訓(xùn)班”，為《焊接機(jī)器人操作工》教材匯集資源提供了基礎(chǔ)條件。

（2）凝心聚力 《焊接機(jī)器人操作工》編寫小組于2019年6月4日在哈爾濱啟動(dòng)成立，共計(jì)12人，分別來(lái)自高校、企業(yè)、科研院所和職業(yè)院校。之后，組織了北京審綱會(huì)、廈門研討會(huì)，參加了南昌評(píng)審會(huì)等工作會(huì)議，12名參編人員依靠中國(guó)焊接協(xié)會(huì)強(qiáng)大后盾，辛勤耕耘、凝心聚力，歷時(shí)17個(gè)月，終于完成了這套培訓(xùn)教程上下冊(cè)的編寫工作，并順利通過專家評(píng)審。其中，上冊(cè)為初、中、高級(jí)工內(nèi)容，下冊(cè)為技師、高級(jí)技師內(nèi)容，全書約80萬(wàn)字。

綜上所述，在我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的過程中，對(duì)焊接機(jī)器人的需求將快速增加，為此，《焊工》系列叢書之《焊接機(jī)器人操作工》教材的出版發(fā)行，將會(huì)極大地促進(jìn)機(jī)器人焊接職業(yè)技能人才的培養(yǎng)和成長(zhǎng)。希望這套教材能夠早日與讀者見面，使之成為推動(dòng)焊接機(jī)器人操作工職業(yè)技能人才成長(zhǎng)和成材的有力工具。