焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

黃新然

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

0 引言

焊接被稱為“工業(yè)裁縫”，是工業(yè)加工中最重要的一種加工方法[1]，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、軌道交通、石油化工、船舶海洋及建筑等領(lǐng)域。全世界45%的鋼鐵和有色金屬需要通過焊接加工成為可以使用的產(chǎn)品，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的各行業(yè)都離不開焊接。由于焊接過程中會產(chǎn)生電弧光、煙塵、金屬飛濺、噪音等危害，且工作強(qiáng)度大，近年來焊接人才持續(xù)快速流失。據(jù)統(tǒng)計，目前為止我國焊接方面崗位人才缺口超過300萬，未來5～10年我國將面臨焊接人才緊缺的狀況[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接從傳統(tǒng)的金屬構(gòu)件連接和毛坯生產(chǎn)發(fā)展成為現(xiàn)代制造業(yè)中的一項基礎(chǔ)工藝和一種加工精確尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)手段，傳統(tǒng)的手工焊接已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品對質(zhì)量和數(shù)量的要求。焊接機(jī)器人可實現(xiàn)焊接自動化生產(chǎn)，可以提高焊接的準(zhǔn)確性和可靠性，是21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。工業(yè)機(jī)器人能夠長時間持續(xù)工作，應(yīng)用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接生產(chǎn)，可以代替人工從事焊接生產(chǎn)，并提升焊接生產(chǎn)效率。

目前，以智能制造為主導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用高速增長，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事、科研及服務(wù)領(lǐng)域，焊接是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一，占到工業(yè)機(jī)器人整體應(yīng)用的40%以上[3]。新形勢產(chǎn)生新崗位，焊接機(jī)器人編程、操控、維護(hù)等崗位應(yīng)運而生。作為培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才的高職院校，積極響應(yīng)國家政策、發(fā)揮職業(yè)教育功能，開設(shè)焊接機(jī)器人應(yīng)用相關(guān)專業(yè)和課程，培養(yǎng)滿足市場需求的焊接機(jī)器人專業(yè)應(yīng)用型人才。

實訓(xùn)教學(xué)是高職院校技能應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，實訓(xùn)教學(xué)項目的合理設(shè)置及有效開展是技能應(yīng)用型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。教育部《關(guān)于職業(yè)院校專業(yè)人才培養(yǎng)方案制訂與實施工作的指導(dǎo)意見》（教職成〔2019〕13號）強(qiáng)調(diào)職業(yè)院校要強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)，加強(qiáng)實踐性教學(xué)，實踐性教學(xué)學(xué)時原則上占總學(xué)時數(shù)50%以上。焊接機(jī)器人實訓(xùn)課是高職院校焊接專業(yè)的專業(yè)必修課，作為先進(jìn)焊接技術(shù)的代表，焊接機(jī)器人及其應(yīng)用是焊接專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識和技能，開設(shè)焊接專業(yè)的高職院校必須切實抓好焊接機(jī)器人實訓(xùn)課的教學(xué)質(zhì)量和效果。但通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，目前焊接專業(yè)人才培養(yǎng)中存在焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)淪為理論教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)效果差、教學(xué)效果不理想、脫離復(fù)合型技術(shù)技能人才培養(yǎng)目標(biāo)等問題。

1 焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題分析

實訓(xùn)課程是理論知識向?qū)嶋H應(yīng)用能力轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)復(fù)合型技術(shù)技能人才的關(guān)鍵。在焊接機(jī)器人及其應(yīng)用的教學(xué)中，必須重視實訓(xùn)課程教學(xué)效果，通過實訓(xùn)課程教學(xué)使學(xué)生真正掌握焊接機(jī)器人應(yīng)用的能力，成為焊接機(jī)器人應(yīng)用型人才。但在實際教學(xué)中，由于教學(xué)條件的限制，目前焊接機(jī)器人實訓(xùn)課程淪為理論教學(xué)、學(xué)生的學(xué)習(xí)效果差，通過焊接機(jī)器人實訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)后，多數(shù)學(xué)生沒有掌握焊接機(jī)器人的應(yīng)用能力，對焊接機(jī)器人的應(yīng)用停留在會用層面，有少部分學(xué)生甚至在實訓(xùn)課程期間從不進(jìn)行機(jī)器人操作練習(xí)，難以達(dá)到專業(yè)人才培養(yǎng)方案中培養(yǎng)復(fù)合型技術(shù)技能人才的目標(biāo)。因此，導(dǎo)致焊接機(jī)器人實訓(xùn)課程教學(xué)出現(xiàn)上述問題的原因主要有以下幾點。

1.1 焊接機(jī)器人設(shè)備不足

焊接機(jī)器人設(shè)備昂貴，開設(shè)焊接機(jī)器人課程的學(xué)校通常配置1～2臺焊接機(jī)器人，用于30人教學(xué)班的實訓(xùn)教學(xué)，焊接機(jī)器人設(shè)備數(shù)量嚴(yán)重缺乏。根據(jù)當(dāng)前高職院校人才培養(yǎng)方案實踐課程設(shè)置情況，焊接機(jī)器人技能應(yīng)用實訓(xùn)課程約為50個學(xué)時，教學(xué)班學(xué)生人均使用機(jī)器人的時間不足3個學(xué)時（約120分鐘）。如圖1所示，設(shè)備不足導(dǎo)致學(xué)生在焊接機(jī)器人實訓(xùn)課程中實際練習(xí)使用機(jī)器人的時間過短，不足以達(dá)到使學(xué)生掌握并能熟練操作焊接機(jī)器人的教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生對焊接機(jī)器人實訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)興趣較低，教學(xué)效果欠佳。對于沒有購置焊接機(jī)器人設(shè)備的學(xué)校，培養(yǎng)學(xué)生焊接機(jī)器人技能應(yīng)用能力的實訓(xùn)課程則停留在理論教學(xué)層面，以視頻演示和教師講解為主，焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)淪為形式。

1.2 缺乏理論到實操的過渡

購置有焊接機(jī)器人設(shè)備的院校，具備在理論教學(xué)之后可展焊接機(jī)器人技能應(yīng)用的實訓(xùn)課程的條件。通過理論課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步了解焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，但是理論層面的理解較抽象，在進(jìn)行焊接機(jī)器人實操練習(xí)中容易出現(xiàn)不當(dāng)操作，導(dǎo)致“撞槍”，而頻繁“撞槍”會使機(jī)器人的使用壽命降低，嚴(yán)重時可能損壞機(jī)器人。焊接機(jī)器人設(shè)備昂貴，需由專業(yè)人員進(jìn)行維修和調(diào)試，為保護(hù)焊接機(jī)器人設(shè)備安全，在實訓(xùn)安全教育中，教師會特別強(qiáng)調(diào)操作過程中禁止“撞槍”，部分學(xué)生因此產(chǎn)生畏懼心理，為避免操作失誤損壞設(shè)備選擇不動手、不操作，這嚴(yán)重影響教學(xué)效果。出現(xiàn)這個問題的根本原因在于焊接機(jī)器人技能應(yīng)用實訓(xùn)教學(xué)缺乏理論到實操的過渡環(huán)節(jié)。近年來，模擬仿真技術(shù)快速發(fā)展，學(xué)生在實際操作機(jī)器人之前進(jìn)行焊接機(jī)器人模擬仿真練習(xí)，既可以保證設(shè)備安全，又可以增加理論到實踐的過渡環(huán)節(jié)，提高學(xué)生對焊接機(jī)器人實訓(xùn)課的積極性。

1.3 實訓(xùn)項目脫離生產(chǎn)實際的發(fā)展

高職院校人才培養(yǎng)的目標(biāo)是培養(yǎng)與社會技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)，與時俱進(jìn)的技術(shù)技能型人才。通過對上述兩個問題的分析可知，當(dāng)前焊接機(jī)器人實訓(xùn)課程教學(xué)因焊接機(jī)器人設(shè)備不足以及實訓(xùn)項目缺乏理論到實踐的過渡環(huán)節(jié)而不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，在有限的實訓(xùn)設(shè)備條件下、有限的實訓(xùn)教學(xué)時間內(nèi)學(xué)生僅能掌握焊接機(jī)器人的基本操作和簡單程序的編制，不能掌握實際生產(chǎn)中復(fù)雜焊縫的編程及焊接工藝調(diào)試，無法適應(yīng)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)實際的需要，教學(xué)內(nèi)容缺乏實際應(yīng)用價值。

2 關(guān)于焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)的建議

引入焊接機(jī)器人模擬仿真教學(xué)可有效解決當(dāng)前焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)面臨的問題。利用學(xué)校已有的機(jī)房資源，安裝焊接機(jī)器人模擬仿真軟件開展模擬仿真教學(xué)，不用增加設(shè)備投資即可解決焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備不足這個根本問題，改善教學(xué)效果，達(dá)到培養(yǎng)滿足現(xiàn)代焊接機(jī)器人生產(chǎn)需求的應(yīng)用型技能人才的教學(xué)目標(biāo)。

隨著工業(yè)機(jī)器人科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已有多種關(guān)于工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的仿真軟件，這些仿真軟件可以進(jìn)行機(jī)器人的模擬操作、軌跡運動以及離線編程。在焊接機(jī)器人的實訓(xùn)教學(xué)中引入模擬仿真教學(xué)，學(xué)生在安裝有焊接機(jī)器人仿真軟件的計算機(jī)上即可進(jìn)行焊接機(jī)器人的模擬操作、軌跡運動及離線編程練習(xí)，計算機(jī)機(jī)房一般配置50臺計算機(jī)，可以保證教學(xué)班所有同學(xué)同時進(jìn)行仿真練習(xí)，從而有效解決焊接機(jī)器人設(shè)備不足的問題。

引入焊接機(jī)器人模擬仿真教學(xué)，學(xué)生在實際操作焊接機(jī)器人前，可以在模擬仿真軟件上全面了解機(jī)器人的構(gòu)造原理、熟悉示教器的操作、進(jìn)行手動操控機(jī)器人的模擬、進(jìn)行焊接路徑的規(guī)劃以及熟悉焊接程序的編制，可有效避免學(xué)生在實際操作機(jī)器人的過程中的不當(dāng)操作，同時也可克服學(xué)生對于操作重點稀有設(shè)備的恐懼心理，極大程度的激發(fā)學(xué)生大膽嘗試的積極性，是焊接機(jī)器人技能應(yīng)用理論教學(xué)向?qū)嵱?xùn)教學(xué)過渡的橋梁，可有效改善焊接機(jī)器人實訓(xùn)課程教學(xué)效果。同時，通過引入焊接機(jī)器人模擬仿真實訓(xùn)項目，學(xué)生在仿真軟件上進(jìn)行焊接機(jī)器人的手動操作、軌跡運動及編程練習(xí)，在焊接機(jī)器人設(shè)備上進(jìn)行復(fù)雜焊縫的編程練習(xí)以及焊接工藝調(diào)試練習(xí)，確保實訓(xùn)項目能夠適應(yīng)生產(chǎn)實際的需要。

3 Ro b o t Stu d io軟件在焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

RobotStudio是ABB公司研發(fā)的機(jī)器人仿真軟件，通過該軟件可以構(gòu)建焊接機(jī)器人工作站，對焊接機(jī)器人的運動軌跡進(jìn)行離線編程和仿真測試等。將RobotStudio軟件安裝在學(xué)校現(xiàn)有機(jī)房的計算機(jī)上，開展焊接機(jī)器人模擬仿真實訓(xùn)教學(xué)，每位學(xué)生可以單獨操作一臺模擬機(jī)器人，可大大提高生均使用機(jī)器人的學(xué)時，從而有效解決當(dāng)前焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)中存在的設(shè)備短缺問題，提高焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量和效果，最大限度提高焊接機(jī)器人設(shè)備在提升學(xué)生焊接機(jī)器人應(yīng)用技能方面的價值。

焊接機(jī)器人實訓(xùn)的首要環(huán)節(jié)是焊接機(jī)器人基本認(rèn)知，主要教學(xué)目標(biāo)是熟悉焊接機(jī)器人示教器，能夠手動操作機(jī)器人。RobotStudio軟件中的虛擬示教器和真實示教器具有相同的界面顯示和操縱方法，利用該軟件進(jìn)行焊接機(jī)器人基本認(rèn)知的教學(xué)可以極大程度上解決焊接機(jī)器人設(shè)備不足的問題。除此之外，在仿真軟件進(jìn)行焊接機(jī)器人認(rèn)知實習(xí)，學(xué)生可以克服對使用重點稀有設(shè)備的恐懼心理，不用擔(dān)心操作失誤損壞設(shè)備，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，大膽嘗試，有利于幫助學(xué)生全面掌握示教器的使用、熟練掌握焊接機(jī)器人的手動操縱。直線軌跡、圓弧軌跡及復(fù)雜路徑編程等項目也進(jìn)行仿真練習(xí)，通過大量的模擬練習(xí)和操作，有助于學(xué)生熟悉弧焊機(jī)器人的編程要點，然后，再轉(zhuǎn)入真實焊接機(jī)器人的操作練習(xí)，并結(jié)合實驗室弧焊機(jī)器人實訓(xùn)項目進(jìn)行真實焊接操作，學(xué)習(xí)成效顯著增強(qiáng)。對于復(fù)雜焊縫的編程同樣可以利用RobotStudio軟件進(jìn)行仿真練習(xí)，檢驗無誤后再轉(zhuǎn)入真實焊接機(jī)器人進(jìn)行程序準(zhǔn)確性及焊接工藝的驗證。

4 結(jié)語

通過引入RobotStudio焊接機(jī)器人仿真軟件進(jìn)行焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)，利用RobotStudio仿真軟件搭建焊接機(jī)器人虛擬仿真工作站，可開展焊接機(jī)器人基本認(rèn)知、可進(jìn)行簡單及復(fù)雜軌跡編程練習(xí)，可有效解決當(dāng)前焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)中存在的設(shè)備不足、缺乏理論到實踐的過渡、實訓(xùn)項目脫離生產(chǎn)實際等問題，可有效提升焊接機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)效果，培養(yǎng)符合生產(chǎn)實際需要的高技能應(yīng)用型人才。