用項目引領(lǐng)工業(yè)機(jī)器人實操與應(yīng)用教學(xué)

伍倩蘭

工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、食品工業(yè)、物流等諸多領(lǐng)域。佛山作為制造業(yè)重地，機(jī)器人需求將持續(xù)穩(wěn)步增長，目前，佛山市制造業(yè)就業(yè)人數(shù)為253.23 萬人，機(jī)器人行業(yè)人才需求緊迫，需求數(shù)量大。

近年來，國內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)加大機(jī)器人技術(shù)研究與本體研制方向的人才引進(jìn)與培養(yǎng)力度，在硬件基礎(chǔ)與技術(shù)水平上取得了顯著效果，但現(xiàn)場調(diào)試、維護(hù)操作與運行管理等應(yīng)用型人才的培養(yǎng)力度依然有所欠缺。機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)人才又是市場緊缺的，所以培養(yǎng)此類人才符合市場需求。

為適應(yīng)社會及用人單位的人才需求，我校從2017年開始開設(shè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)。在2019年佛山市和順德區(qū)中職學(xué)校機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量第三方考核評價中，我校共有46名學(xué)生參加考核，其中25名學(xué)生參加佛山市第三方考核，21名學(xué)生參加順德區(qū)第三方考核。參加考核學(xué)生通過率100%，并取得佛山市第二、順德區(qū)第一的成績。本文結(jié)合筆者的教學(xué)實踐，以ABB工業(yè)機(jī)器人為例，通過五個項目探析如何用項目引領(lǐng)工業(yè)機(jī)器人實操與應(yīng)用教學(xué)。

一、項目一：認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人

（一）齊齊參與，揭開機(jī)器人面紗

機(jī)器人品牌和種類很多，如果教師一味滔滔不絕地介紹，學(xué)生聽著就沒有興趣了。為了讓學(xué)生能主動參與到學(xué)習(xí)中，筆者引入了第一個項目——認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人。在這個項目里，知識點分成三個模塊，將學(xué)生分成三個小組，并指定三名學(xué)生為小組長，由小組長決定組員名單及選定一個模塊查找資料，做成海報或ppt，在上課時分享給其他人。三個模塊分別是：工業(yè)機(jī)器人定義及應(yīng)用行業(yè);如何正確開、關(guān)機(jī)器人，有哪些安全注意事項;機(jī)器人由哪幾部分組成？各部分作用是什么？

通過這種方式，學(xué)生自己揭開機(jī)器人神秘的面紗;根據(jù)項目書的內(nèi)容，教師引領(lǐng)學(xué)生一步步走進(jìn)機(jī)器人的世界。課堂上，小組間相互展示，組員相互補充，課堂氣氛空前高漲，在愉快的學(xué)習(xí)中，學(xué)生掌握了機(jī)器人定義，了解了當(dāng)前機(jī)器人四大家族的名稱和品牌，了解了國內(nèi)機(jī)器人品牌及機(jī)器人發(fā)展史;并掌握機(jī)器人操作的安全要求，懂得如何正確開、關(guān)機(jī)器人;掌握機(jī)器人組成和各部分作用。

（二）現(xiàn)場展示，一睹機(jī)器人芳容

對機(jī)器人有基本認(rèn)識后，學(xué)生帶著項目書進(jìn)入機(jī)器人實訓(xùn)室。我校機(jī)器人操作室用的是ABB120機(jī)器人，共有11個工位。將學(xué)生分成11個小組，在機(jī)器人不通電的情況下，由小組長帶著組員先按項目書要求找到機(jī)器人各部分所在位置，并再一次認(rèn)識各部分名稱。然后筆者現(xiàn)場講解機(jī)器人實驗室安全操作要求，最后通電演示機(jī)器人的開機(jī)、關(guān)機(jī)、急停等操作。在講述工業(yè)機(jī)器人的組成時，筆者用類比法進(jìn)行總結(jié)。通過講解，學(xué)生進(jìn)一步掌握機(jī)器人的三大組成部分：①控制柜：是機(jī)器人的心臟，相當(dāng)于電腦主機(jī)。電源總開關(guān)、急停開關(guān)、電動機(jī)通電/復(fù)位開關(guān)及機(jī)器人狀態(tài)選擇開關(guān)，電磁抱閘開關(guān)都在控制柜上;同時，后面學(xué)習(xí)的io板也是掛在控制柜。②示教器：相當(dāng)于玩手游時的操縱器，機(jī)器人的各種運動都由示教器進(jìn)行操控，機(jī)器人的程序編寫也是在示教器完成。③本體：是控制對象。一般機(jī)器人有六個軸，每個軸可以單獨進(jìn)行運動，稱為單軸運動。也可以幾個軸同時運動，稱為線性運動或重定位運動。

（三）動手操作，解密機(jī)器人運動

在充分認(rèn)識機(jī)器人的組成和結(jié)構(gòu)后，學(xué)生根據(jù)項目一的操作步驟進(jìn)行訓(xùn)練。

1.開關(guān)機(jī)操作

要求學(xué)生正確進(jìn)行開機(jī)并打到手機(jī)狀態(tài)，然后按關(guān)機(jī)順序正確關(guān)機(jī)。

2.示教器使用

（1）將示教器語言改為中文。

（2）設(shè)置系統(tǒng)時間為2020年6月16日15：22：30。

（3）事件日志查看，說出當(dāng)前示教器顯示的信息。

（4）將手動操作速度調(diào)整為50%、30%。

（5）切換機(jī)器人動作模式為軸1-3和4-6軸，并熟練進(jìn)行各軸正負(fù)方向控制。

（6）按下面給出的六個軸旋轉(zhuǎn)度數(shù)要求調(diào)出機(jī)器人姿態(tài)。姿態(tài)一：35，-45，20，0，0，0;姿態(tài)二：0，0，0，-50，70，20;姿態(tài)三：0，20，-35，45，63，0;姿態(tài)四：15，45，-45，25，30，-28。

項目一要求學(xué)生認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人，通過動手操作，正確進(jìn)行機(jī)器人開關(guān)機(jī)、單軸運動，初步認(rèn)識機(jī)器人六軸運動的正方向操作。為了訓(xùn)練學(xué)生的耐心細(xì)致，同時也為了讓學(xué)生能更專注于機(jī)器人操作，筆者引入項目二的教學(xué)。

二、項目二：手動精準(zhǔn)操作

用線性運動平穩(wěn)操控機(jī)器人，機(jī)器人運動速度和運動方向要求都非常高。對于剛接觸工業(yè)機(jī)器人的學(xué)生來說，機(jī)器人的運動方向常常分不清楚，特別是Z軸的正負(fù)方向，而方向錯誤常常造成撞壞工具筆。所以手動精準(zhǔn)操作項目，旨在通過反復(fù)訓(xùn)練，讓學(xué)生熟練操縱機(jī)器人，無論站在機(jī)器人正面、側(cè)面、后面，都能正確判斷出機(jī)器人X、Y、Z軸的正方向。訓(xùn)練時，結(jié)合項目書的操作步驟，要求學(xué)生用筆芯3mm的畫筆，在線框?qū)?mm的紙塊上手動畫直線，不能出現(xiàn)斷線、方向錯誤和碰邊。

具體訓(xùn)練要求如下：工具筆安裝，采用對角螺絲依次鎖緊，全部零件都要裝上;手動操作，不能出現(xiàn)斷線、碰到迷宮邊緣，操作方向正確，不損壞工具筆。

該內(nèi)容需要反復(fù)不斷的練習(xí)，為了提高學(xué)生的興趣，筆者將每組學(xué)生的作品都進(jìn)行展示和點評，共同找出問題所在：操作速度太快造成碰邊，方向不清造成反方向，增量使用造成彩筆出墨不均衡，機(jī)器人動作延時造成斷線……通過訓(xùn)練，學(xué)生基本能做到不碰邊，方向正確。但由于工作臺不是絕對平整，對于操控能力相對薄弱的學(xué)生來說，會出現(xiàn)斷線現(xiàn)象。在學(xué)生能熟練手動走軌跡后，引入第三個項目。

三、項目三：建立機(jī)器人坐標(biāo)

機(jī)器人工作首先要清楚機(jī)器人自己的位置，同時還要清楚操作對象（工件）的位置。因此，在進(jìn)行正式編程之前，讓學(xué)生清楚理解機(jī)器人編程環(huán)境，掌握三個必須的程序數(shù)據(jù)（工具數(shù)據(jù)TOOLDATA、工件坐標(biāo)WOBJDATA、負(fù)荷數(shù)據(jù)LOADDATA）。

（一）機(jī)器人坐標(biāo)系設(shè)定

需要學(xué)生在給出的參數(shù)中，設(shè)定好機(jī)器人的坐標(biāo)系。如PERS tooldata gripper：=[TRUE，[[97.4，0，223.1]，[0.924，0，0.383，0]]，[5，[23，0，75]，[1，0，0，0]，0，0，0]]。

此表達(dá)式定義如下內(nèi)容：工具數(shù)據(jù)名稱：gripper;TRUE表示工業(yè)機(jī)器人法蘭盤上安裝工具;[97.4，0，223.1]表示tcp所在點沿工具坐標(biāo)系X方向偏移97.4mm，沿工具坐標(biāo)系Z方向偏移223.1mm;5表示工具質(zhì)量為5kg;[23，0，75]表示工具重心所在點沿腕坐標(biāo)X方向偏移23mm，沿腕坐標(biāo)系Z方向偏移75mm。為加深學(xué)生的認(rèn)識，分兩種情況進(jìn)行訓(xùn)練。

1.第一種情況

直接給出各數(shù)據(jù)。對于給出各數(shù)據(jù)的設(shè)定，只要在菜單-程序數(shù)據(jù)-tooldate（wobjdate）-顯示數(shù)據(jù)-新建，按項目書的步驟完成。

（1）工具數(shù)據(jù)tooldate的設(shè)定：名稱：TOOL_A1;robhold：TRUE;位置（x，y，z）：（0，0，150）;質(zhì)量：0.2KG;重心（x，y，z）：（0，0，100）。

（2）工件數(shù)據(jù)wobjdate的設(shè)定：名稱：WOBJ_A1;robhold：FALSE;位置（x，y，z）：（300，200，5）。

2.第二種情況

根據(jù)給出工具特點設(shè)定工具數(shù)據(jù)或工件數(shù)據(jù)。例如：某涂膠筆，安裝在機(jī)器人第六軸的法蘭上，筆尖離法蘭中心正前方150mm。重心在離法蘭中心50mm處，質(zhì)量0.2kg，可視為一個點質(zhì)量。數(shù)據(jù)名稱為TOOL_A2。要求先寫出表達(dá)式，再在機(jī)器人中設(shè)定。

PerstooldateTOOL_A2：=[true，[[0，0，150]，[1，0，0，0]]，[0.2，[0，0，100]，[1，0，0，0]，[0，0，0]]。

（二）工具TCP標(biāo)定

工具TCP標(biāo)定可通過4點法、5點法和6點法標(biāo)定ABB機(jī)器人工具坐標(biāo)。以6點法標(biāo)定機(jī)器人工具TCP為例，要求學(xué)生按下面的步驟操作：安裝尖點工具時正確使用銷釘;鎖緊尖點工具時，采用對角螺絲依次鎖緊;拆卸尖點工具時，規(guī)范使用工具正確操作;按照任務(wù)書要求以指定姿態(tài)完成標(biāo)定操作;TCP精度平均誤差小于0.5m。

（三）工件坐標(biāo)標(biāo)定

初學(xué)者對于工件坐標(biāo)系的理解是容易混淆的：工件坐標(biāo)系對應(yīng)工件，定義工件相對于大地坐標(biāo)系（或其它坐標(biāo)系）的位置。有兩個作用：一是方便用戶以工件平面方向為參考手動操縱調(diào)試;二是當(dāng)工件位置更改后，通過重新定義該工件坐標(biāo)系，機(jī)器人即可正常作業(yè)，不需要對機(jī)器人程序進(jìn)行修改。

為了讓學(xué)生能深刻理解工件坐標(biāo)，筆者直接給出圖1、圖2兩個長方形，讓學(xué)生先建立圖1和圖2的工件坐標(biāo)系，項目四學(xué)習(xí)完后再來完成這兩個圖形的程序編寫。

四、項目四：軌跡編程

經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)能熟練地手動操作機(jī)器人。接下來就學(xué)習(xí)如何讓機(jī)器人自己動起來，進(jìn)行軌跡編程。

本次任務(wù)需要掌握機(jī)器人程序數(shù)據(jù)，如何創(chuàng)建模塊和例行程序，如何進(jìn)行程序編寫、程序調(diào)用;同時，還需要掌握機(jī)器人運動指令：movej、movel、movec、moveasbj。

（一）項目訓(xùn)練

在home點啟動程序;工藝過程的起始點、結(jié)束點為工作原點home;程序運行過程中不能出現(xiàn)軸超限或出現(xiàn)奇異點，或運行過程中止;寫字/劃線位置不符要求，偏離位置、少連接線條，點與點之間必須連接;設(shè)備運行時沒有明顯晃動;程序運行后，能正確地把單周運行時間顯示在示教器上;不能與周邊設(shè)備碰撞致設(shè)備損壞，或損壞工具筆。

（二）完成項目三的兩個長方形的軌跡

如果用一般方法，即分別編寫兩段程序，示教8個目標(biāo)點，完成兩個圖形的軌跡。學(xué)習(xí)了工件坐標(biāo)系，就可以分別建立圖1的工件坐標(biāo)系WORDJ1和圖2的工件坐標(biāo)系WORDJ2，然后只需要編寫圖1的例行程序，示教4個目標(biāo)點;然后將圖1的例行程序復(fù)制到圖2的例行程序，并將工件坐標(biāo)更改成圖2的工件坐標(biāo)系就可以了。

五、項目五：搬運和碼垛

工業(yè)機(jī)器人點到點搬運是生產(chǎn)線中最常見的應(yīng)用，本項目讓學(xué)生從簡單的搬運程序開始，慢慢通過自己的理解掌握多物料搬運，最后完成碼垛操作。

搬運和碼垛涉及配板和配置I/O，因此本項目拆分成配板、I/O設(shè)置、單物料搬運、多物料手搬運、碼垛。

Proc? f1（ ）

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj1

Movej? p1，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p2，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p3，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p4，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel? p1，v1000，fine，tool0/wordj1;

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj1;

Procend

Proc? f2（ ）

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj2

Movej? p1，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p2，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p3，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p4，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel? p1，v1000，fine，tool0/wordj2;

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj2;

procend

（一）I/O模塊通訊

I/O板在系統(tǒng)中的名字為：Board10，區(qū)分大小寫;I/O板的類型：D652;I/O板連接的總線：DeviceNet1;I/O板在總線中的地址為10。

（二）I/O設(shè)置

定義輸入信號，名字正確，名字與地址匹配;定義輸出信號，名字正確，名字與地址匹配。

（三）程序編寫

1.單物料搬運

工作要求：根據(jù)生產(chǎn)需要，將流水線上的工件搬運到放置臺。

此任務(wù)只搬運一次，程序相對簡單，只需要一個例行程序就可以。因涉及機(jī)器人與外部設(shè)置的通訊，需要進(jìn)行硬件接線。故在項目書編寫時，先進(jìn)行配板及IO配置，然后進(jìn)行外部接線。最后才開始規(guī)劃路線編程。使用偏移指令，示教2個目標(biāo)點就可以完成。還需要用到waitdi，set，reset 指令。

2.多物料搬運

在掌握單物料搬運后，讓學(xué)生搬運2個物料、8個物料。搬2個物料，寫兩次程序就好。搬8個物料呢？這時我們就要規(guī)劃例行程序：初始狀態(tài)，取式件，放工件，主程序。同時要掌握程序調(diào)用指令、while指令、賦值指令等的使用。

3.碼垛

搬運8個工件，如果不是放在同一個地方，而是有序排一起，如何編寫程序？如果4個放一排，另4個放第二排，又如何編寫程序？通過變換不同的碼垛方式，讓學(xué)生通過思考靈活進(jìn)行編程，掌握機(jī)器人搬運碼垛的應(yīng)用。

通過以上五個項目訓(xùn)練，學(xué)生對工業(yè)機(jī)器的操作有了全面認(rèn)識，并能進(jìn)行典型應(yīng)用，為后面開展機(jī)器人仿真教學(xué)、生產(chǎn)線教學(xué)等打下牢固基礎(chǔ)，同時也帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域的大門。

責(zé)任編輯 陳春陽