工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

許怡赦，王玉方，許孔聯(lián)

（湖南網(wǎng)絡(luò)工程職業(yè)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)系，湖南 長沙 410004）

針對日益增長的企業(yè)用工需求，全國開設(shè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的高職院校在逐年增加，2014年、2015年、2016年分別為9所、45所、238所，2019年達(dá)到616所。與快速增加的學(xué)校數(shù)、學(xué)生數(shù)相比，各個(gè)院校該專業(yè)的辦學(xué)水平參差不齊。國內(nèi)大多數(shù)高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的開設(shè)年限為1～2年，且偏重課堂教學(xué)，課程內(nèi)容及設(shè)置還不成熟，與實(shí)踐還有一定的差距；部分高職院校所開設(shè)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程僅著眼于工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知及在線示教編程或離線仿真編程，滿足于工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)；有些高職院校所開設(shè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)”課程則主要涉及不同功能的工業(yè)機(jī)器人工作站的認(rèn)識、工具選擇、氣路電路設(shè)計(jì)、機(jī)器人程序編制、機(jī)器人與PLC通信等內(nèi)容，缺少工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用相關(guān)的實(shí)訓(xùn)課程。為了滿足企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)復(fù)合型技術(shù)技能人才的需求，我校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)較早開設(shè)了具有實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性特點(diǎn)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用課程，在第五學(xué)期鼓勵學(xué)生綜合利用大學(xué)一二年級所學(xué)相關(guān)理論知識，完成指定的工業(yè)機(jī)器人訓(xùn)練任務(wù)和平臺改造任務(wù)，取得了較好的教學(xué)效果。

一、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用平臺介紹

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用平臺由工作臺、零件庫、SCARA機(jī)器人、環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)、六軸工業(yè)機(jī)器人、視覺檢測裝置、成品庫、PLC和伺服驅(qū)動系統(tǒng)等組成（如圖1所示）。零件庫主要由儲料臺、安裝支架、按鈕底座、按鈕蓋、按鈕指示燈等組成，為零件提供放置平臺；SCARA機(jī)器人及其相關(guān)氣動夾具和電氣系統(tǒng)提供上料；環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)盤、安裝支架、氣動夾具、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、檢測裝置組成，主要負(fù)責(zé)接收來自SCARA機(jī)器人的散件，將散件運(yùn)送到裝配位置，同時(shí)將散件牢牢夾緊，防止在裝配過程中散件移動；六軸工業(yè)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)將環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)上的散件裝配成一個(gè)按鈕，根據(jù)檢測結(jié)果將按鈕分類放到按鈕成品庫中；視覺檢測裝置主要由安裝支架、攝像頭、控制器、光源等組成，攝像頭檢測按鈕裝配質(zhì)量及顏色，并將結(jié)果送至控制系統(tǒng)；成品庫主要由儲料臺、安裝支架組成，用于盛放已裝配完成的按鈕，根據(jù)顏色和質(zhì)量進(jìn)行分類倉儲。

圖1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用平臺示意圖

二、訓(xùn)練項(xiàng)目

按照教學(xué)目標(biāo)，針對實(shí)訓(xùn)平臺，設(shè)計(jì)由易到難三個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目，即基礎(chǔ)項(xiàng)目、綜合項(xiàng)目和創(chuàng)新項(xiàng)目（表1）。

表1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

（一）基礎(chǔ)項(xiàng)目

基礎(chǔ)項(xiàng)目主要是使學(xué)生了解環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)、SCARA機(jī)器人和六軸工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣原理，并進(jìn)行編程與調(diào)試，強(qiáng)化學(xué)生動手能力鍛煉，以及加深學(xué)生對機(jī)器人基礎(chǔ)理論的理解。

1.環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)編程與調(diào)試。該項(xiàng)目利用Can Link通信或者面板完成伺服驅(qū)動器參數(shù)配置，并與PLC進(jìn)行Can Link通信；完成觸摸屏編寫、PLC控制程序編寫與調(diào)試。通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的手動控制，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)點(diǎn)動、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動、0°位置和180°位置尋址、電動機(jī)位置清零、電動機(jī)去使能、電動機(jī)停止等功能操作。

2.視覺系統(tǒng)編程與調(diào)試。該項(xiàng)目調(diào)整相機(jī)鏡頭焦距及亮度，使智能相機(jī)穩(wěn)定、清晰地?cái)z取圖像信號，在軟件中能夠?qū)崟r(shí)清晰查看現(xiàn)場按鈕燈圖像；黃色按鈕燈為學(xué)習(xí)，獲取燈光顏色；將黃色按鈕燈放置轉(zhuǎn)盤180°處氣爪上，手動拍照，在軟件中能夠顯示該黃色燈的亮與滅，以驗(yàn)證相機(jī)學(xué)習(xí)的正確性。

3.SCARA機(jī)器人上料編程與調(diào)試。該項(xiàng)目對SCARA機(jī)器人運(yùn)動軌跡與程序流程進(jìn)行規(guī)劃，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和示教編程，對按鈕燈組件完成自動上料操作。

4.六軸工業(yè)機(jī)人裝配編程與調(diào)試。該項(xiàng)目對六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動軌跡與程序流程進(jìn)行規(guī)劃，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和示教編程，對按鈕燈組件完成組裝和入庫操作。

（二）綜合項(xiàng)目

該項(xiàng)目綜合了基礎(chǔ)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了按鈕燈自動裝配與分揀。動作流程為：SCARA機(jī)器人從原料庫中抓取對應(yīng)的紅色、黃色或藍(lán)色按鈕蓋和燈座組成部件，并將按鈕蓋和燈座組成部件放置在環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)的固定位置；然后環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，到達(dá)六軸機(jī)器人的裝配檢測工位，六軸機(jī)器人進(jìn)行按鈕蓋組裝；組裝完成后，供電機(jī)構(gòu)給按鈕燈送電，同時(shí)通過視覺相機(jī)進(jìn)行檢測并判斷按鈕燈顏色；視覺檢測完畢，供電機(jī)構(gòu)停止送電，六軸機(jī)器人根據(jù)視覺相機(jī)的數(shù)據(jù)對按鈕燈進(jìn)行分類，然后通過六軸機(jī)器人將按鈕燈搬入成品庫指定位置。學(xué)生經(jīng)過SCARA機(jī)器人、六軸工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)及環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)的編程，系統(tǒng)組態(tài)和聯(lián)網(wǎng)調(diào)試等技術(shù)細(xì)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生對系統(tǒng)的綜合裝調(diào)能力。

（三）創(chuàng)新項(xiàng)目

對圖1所示平臺的零件庫、成品庫、機(jī)器人末端夾具及轉(zhuǎn)盤的機(jī)械、電氣進(jìn)行改造，模擬某公司多品種物料轉(zhuǎn)運(yùn)碼垛智能工作站需要，實(shí)現(xiàn)七巧板分揀與拼接（圖2）。動作流程為：SCARA機(jī)器人從原料庫圖2（a）中抓取對應(yīng)大小的紅色或黑色、三角板和正方形七巧板，并將按七巧板放置在環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)的固定位置；然后環(huán)形裝配檢測機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，到達(dá)六軸機(jī)器人的下料工位，六軸機(jī)器人通過視覺相機(jī)進(jìn)行檢測并判斷七巧板顏色；視覺檢測完畢，六軸機(jī)器人根據(jù)視覺相機(jī)的數(shù)據(jù)對七巧板進(jìn)行分類，然后通過六軸機(jī)器人將七巧板搬入圖2（b）指定位置。根據(jù)公司生產(chǎn)改造任務(wù)，學(xué)生自行進(jìn)行機(jī)械三維造型、系統(tǒng)布局和控制方案設(shè)計(jì)等，考查學(xué)生機(jī)械、電氣和控制技術(shù)背景綜合能力及創(chuàng)新開發(fā)能力，使學(xué)生既了解行業(yè)背景，又要會設(shè)計(jì)、成本計(jì)算和裝調(diào)，具備工程實(shí)踐能力，學(xué)到真本事。

圖2 七巧板分揀與拼接

三、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用教學(xué)實(shí)施

（一）課前準(zhǔn)備

教師在課前需要提前3天發(fā)布任務(wù)書、學(xué)習(xí)引導(dǎo)手冊，并發(fā)布相關(guān)的微課視頻、項(xiàng)目參考案例庫、機(jī)器人說明書等主要技術(shù)手冊。學(xué)生在收到教師下發(fā)的任務(wù)書后，根據(jù)學(xué)習(xí)引導(dǎo)手冊進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解任務(wù)要求，提前預(yù)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)。

（二）任務(wù)導(dǎo)入

教師引入藍(lán)思科技長沙經(jīng)開區(qū)產(chǎn)業(yè)園招工難進(jìn)行任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生討論企業(yè)大規(guī)模自動化改造升級，尤其是工業(yè)機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)而引入七巧板自動分揀與拼接項(xiàng)目開發(fā)與應(yīng)用的實(shí)用性和必要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）任務(wù)分析

學(xué)生根據(jù)任務(wù)書要求進(jìn)行分析。組長根據(jù)任務(wù)進(jìn)行人員分工并設(shè)計(jì)工作流程，分析工作過程中需要應(yīng)用的技術(shù)與專業(yè)軟件、需要計(jì)算的材料與成本，以及系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思路等，并撰寫項(xiàng)目的可行性報(bào)告。

（四）任務(wù)實(shí)施

基于真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)實(shí)施。教師扮演客戶角色，學(xué)生則按前述的要求扮演項(xiàng)目經(jīng)理、設(shè)計(jì)員、安裝調(diào)試員、質(zhì)檢員等，通過客戶與項(xiàng)目組的溝通和督促等，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和進(jìn)度監(jiān)控。

（五）任務(wù)評價(jià)

要求每組制作PPT進(jìn)行分組匯報(bào)，教師進(jìn)行客觀公正的點(diǎn)評，同時(shí)進(jìn)行小組互評。教師要對每組的工作亮點(diǎn)提出表揚(yáng)，對不足之處進(jìn)行指正；其他組成員對匯報(bào)組進(jìn)行打分評價(jià)，小組間可以互相學(xué)習(xí)，取長補(bǔ)短。

四、教學(xué)效果

在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用課程中，基礎(chǔ)項(xiàng)目強(qiáng)化了學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人和PLC的基礎(chǔ)編程技能，學(xué)生掌握程度較好；綜合項(xiàng)目考查了學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用綜合能力，對理論知識的理解和邏輯思維能力要求較高，大多學(xué)生難以完成，在教學(xué)過程中需要教師進(jìn)行詳細(xì)的講解；創(chuàng)新項(xiàng)目是對現(xiàn)有平臺的改造，更是對學(xué)生創(chuàng)新開發(fā)能力和工程實(shí)踐能力的考驗(yàn)，以小組分工的形式模擬完成公司員工的任務(wù)，不僅能學(xué)習(xí)專業(yè)課程知識，而且能了解工作崗位的實(shí)際情況和工程的實(shí)際狀態(tài)，做到學(xué)以致用，有助于學(xué)生在調(diào)研資料、設(shè)計(jì)方案、組內(nèi)交流過程中擴(kuò)展知識面，學(xué)會分析問題和解決問題，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識。

結(jié)語

本文探索了具有實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性特點(diǎn)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成理論知識、專業(yè)技能、職業(yè)能力和創(chuàng)新素養(yǎng)。