新工科背景下工業(yè)機器人實訓(xùn)課程設(shè)計與教學(xué)實踐

韓銳

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省蘇州市 215411

1 引言

近年來，隨著社會的發(fā)展和時代的進(jìn)步，越來越多的生產(chǎn)加工型企業(yè)意識到引入全自動智能化生產(chǎn)線的重要性，特別是在電子3C、食品工業(yè)等勞動力密集型企業(yè)，工業(yè)機器人的運用更為突出，突如其來疫情更是加劇了社會對于工業(yè)機器人專業(yè)的人才需求量增加。據(jù)統(tǒng)計，2025 年高檔數(shù)控機床和機器人的人才缺口在450 萬人，為此很多高校開設(shè)了工業(yè)機器人、智能制造類的課程，然而做為一個多學(xué)科融合的新專業(yè)，高校對于此類專業(yè)課程的建設(shè)仍然處于初期的探索之中，尚未形成一個完整的課程體系。目前很多高校仍然沿用傳統(tǒng)的機電類教學(xué)模式，在課程設(shè)置上僅僅將工業(yè)機器人作為一門新課傳授，并沒有真正的實現(xiàn)傳動機電課程向智能制造課程的轉(zhuǎn)型。這樣的課程設(shè)置直接導(dǎo)致工業(yè)機器人專業(yè)的學(xué)生對專業(yè)課程知識點缺乏了解和認(rèn)知，在理論和實踐層面僅僅停留在工業(yè)機器人的簡單操作和使用階段，對機器人的運作機機制缺乏了解，在真實的實踐過程中難以靈活運用機器人解決實際問題，造成所學(xué)與所用脫節(jié)的情況。針對上述問題，在新工科背景下實施多軸工業(yè)機器人課程開發(fā)與教學(xué)改革尤為必要。以工程項目為引領(lǐng)，采用案例教學(xué)形式，通過整合電氣、機械課程中的相關(guān)知識，指導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計一臺多軸工業(yè)機器人，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，培養(yǎng)和拓展學(xué)生的綜合職業(yè)能力。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

課程設(shè)計緊緊圍繞工程中實際應(yīng)用的多軸工業(yè)機器人展開，分為機械本體和電氣控制兩個部分，如圖1 所示。其中機械本體包含五個模塊，主要聚焦工業(yè)機器人的機械框架搭建，考慮到電氣部分的安裝調(diào)試，機械部分應(yīng)預(yù)留相應(yīng)的接口，以便后續(xù)驅(qū)動單元的接線和安裝。電氣控制同樣也由五個模塊組成，主要解決機器人算法控制和電機驅(qū)動相關(guān)問題，為整個機器人的運轉(zhuǎn)提供動力支持，此部分包含一套完整的電氣設(shè)計過程，完成該部分的設(shè)計可使學(xué)生對機器人的實際控制有一個深刻的理解。

圖1 工業(yè)機器人實訓(xùn)課程的總體設(shè)計

首先機械本體圍繞工業(yè)機器人的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計展開，學(xué)生首先需要查閱相關(guān)的機械設(shè)計資料，理解機器人的基本構(gòu)造和動作功能。在此過程中，教師可以給出一些具體的工程實踐案例，學(xué)生根據(jù)實際情況完成機器人的整體布局設(shè)計，形成整體的設(shè)計方案，經(jīng)教師和學(xué)生共同評定可行后，再計算所需要的零部件尺寸、機械強度等設(shè)計參數(shù)，選擇合適的部件完善設(shè)計方案。設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮后續(xù)的電氣接口問題，避免出現(xiàn)電氣組件無法安裝的情況。上述一系列設(shè)計完成后，學(xué)生需要根據(jù)軟件生成的物料清單，完成機械部分的搭建調(diào)試工作。其次電氣控制系統(tǒng)則圍繞機器人運動設(shè)計展開，主體控制采用PLC 與運動控制器相結(jié)合的方式進(jìn)行。電氣控制選取PLC 控制實踐與電力拖動兩門課程的相關(guān)內(nèi)容，融合多軸工業(yè)機器人相應(yīng)的控制算法，調(diào)試機器人按照操作人員的指令有規(guī)律的進(jìn)行作業(yè)活動。

3 課程教學(xué)實施

課程教學(xué)模塊分機械本體與電氣控制，兩個部分既相互關(guān)聯(lián)，又相互融合，均采取資訊、計劃、決策、實施、檢查、評價六步教學(xué)法進(jìn)行課程的教學(xué)組織與實施。

3.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械本體的設(shè)計任務(wù)如圖2 所示，學(xué)生首先查閱相關(guān)資料，完成機械部分的資訊收集工作。在確定工業(yè)機器人設(shè)計方向后，師生針對收集到的目標(biāo)信息列出相應(yīng)的執(zhí)行計劃并根據(jù)計劃要求對整個設(shè)計予以實施，完成實施后由教師對整個教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查和評價。

圖2 機械本體式樣

作為一個相對成熟的工業(yè)產(chǎn)品，市面上有很多工業(yè)機器人設(shè)計可供學(xué)生進(jìn)行參考和選擇。針對眾多機器人生產(chǎn)廠家，可選擇從其中一家入手。通過瀏覽廠家網(wǎng)站，查閱機器人相關(guān)選型樣冊，了解該廠家機器人產(chǎn)品的樣式和設(shè)計特征。對于同一個機器人廠家出現(xiàn)的不同產(chǎn)品型號類型，可以從其中一個系列入手，思考比較不同系列機器人的優(yōu)秀和不足之處。在完成一系列的選型和比較之后，學(xué)生確定自己喜歡的工業(yè)設(shè)計樣式，并針對自己選擇的樣式進(jìn)行進(jìn)一步的資訊收集工作。在樣式選型這個資訊收集環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)考慮自身的實際設(shè)計能力：即在選型時將自身設(shè)計條件納入考慮范圍之內(nèi)。不應(yīng)考慮過于復(fù)雜的機器人設(shè)計樣式，以免后期在設(shè)計過程中出現(xiàn)一系列自身無法解決的設(shè)計問題，使最后的教學(xué)任務(wù)無法完整進(jìn)行下去。

在完成樣式風(fēng)格的資訊收集后，學(xué)生根據(jù)自己的樣式選擇，搜索產(chǎn)品相關(guān)的性能參數(shù)。不同于前期的樣式選擇，參數(shù)選擇部分應(yīng)將重心放在工業(yè)機器人的實際性能指標(biāo)。例如：工作范圍，載重負(fù)荷這些與機器人實際作業(yè)息息相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品運行參數(shù)。在這一部分的資訊收集過程中，學(xué)生會面臨很多新的性能指標(biāo)術(shù)語，部分沒有學(xué)過的術(shù)語可能會給學(xué)生造成很大的迷惑進(jìn)而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并分散學(xué)生的注意力。針對此種情況，可以采取分組討論輔以教師指導(dǎo)的方法予以解決。即針對簡單、容易理解的術(shù)語，在資訊收集環(huán)節(jié)中鼓勵學(xué)生相互討論。在討論過程中循序漸進(jìn)的啟發(fā)學(xué)生理解此術(shù)語在當(dāng)前情境的具體含義。對于比較復(fù)雜的詞匯，教師應(yīng)當(dāng)先補充相關(guān)術(shù)語理解所需的材料和說明，再鼓勵學(xué)生進(jìn)行討論和交流。特別復(fù)雜且對設(shè)計沒有實質(zhì)影響的技術(shù)術(shù)語，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生暫時忽略此術(shù)語，以保證課堂任務(wù)的有序進(jìn)行。資訊收集是后續(xù)步驟實施的前提條件，這一部分應(yīng)該給予足夠的時間以保證此部分教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量。

在完成資訊收集任務(wù)后，機器人機械設(shè)計進(jìn)入實際的實施環(huán)節(jié)。此部分的教學(xué)實施過程，教師可以從最基本的底座繪制入手，通過講解底座的繪制方法，幫助學(xué)生熟悉繪圖軟件并教會他們基本制圖指令的使用方法，從簡單的圓形、矩形繪制入手，在繪圖過程中重點講解平面圖形轉(zhuǎn)三維圖形的操作方法，期間穿插一些圖形尺寸的標(biāo)注方法。通過一系列有計劃的引導(dǎo)和決策，幫助學(xué)生掌握CAD 軟件的使用方法，引導(dǎo)他們自主完成剩余部件的繪制工作。在整個教學(xué)實施的過程中，教師可根據(jù)實際教學(xué)情況拓展教授一些相關(guān)的機械工程技術(shù)知識，并針對設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的如強度不足等問題和學(xué)生進(jìn)行討論，引導(dǎo)學(xué)生理解諸如加筋設(shè)計，強度分析等改進(jìn)措施。完成上述的設(shè)計分析后，機械本體設(shè)計進(jìn)入最后的檢查和評價環(huán)節(jié)，教師根據(jù)學(xué)生給出的設(shè)計方案對學(xué)生做出客觀公正的評價，并就生成的物料清單及設(shè)計圖紙展開分析討論，對后續(xù)可能出現(xiàn)的缺陷提出改進(jìn)意見并進(jìn)行修改，最終對生成的加工圖紙進(jìn)行留存供課程評價時使用。

3.2 電氣控制設(shè)計

電控系統(tǒng)設(shè)計分為任務(wù)解析、參數(shù)計算、電氣安裝、編程調(diào)試和系統(tǒng)驗證等五個工序，分步進(jìn)行，具體設(shè)計如圖3 所示。

圖3 電氣設(shè)計流程圖

電控設(shè)計主要目的是為工業(yè)機器人的機械部分提供驅(qū)動動力，使機械裝置能夠按照操作人員的指示完成相應(yīng)的動作流程。為了達(dá)成上述目標(biāo)，電控設(shè)計需要根據(jù)機械設(shè)計的要求對機器人運動所需要的電機參數(shù)進(jìn)行計算，在得到具體參數(shù)數(shù)值后，挑選合適的器件進(jìn)行安裝，并編寫相應(yīng)的程序進(jìn)行調(diào)試驅(qū)動。上述目標(biāo)完成后便可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的系統(tǒng)驗證以確保工業(yè)機器人能夠正常運行。

電機參數(shù)的選型計算在整個工業(yè)機器人電氣設(shè)計部分顯得尤為重要，這關(guān)系著機器人是否有能力執(zhí)行控制器發(fā)出的指令參數(shù)，在這一部分的計劃決策過程中，學(xué)生需要根據(jù)機器人的受力分析以及旋轉(zhuǎn)速度選擇合適的電機。就教學(xué)流程而言，教師可從常見的電機講起，引導(dǎo)學(xué)生思考不同電機在執(zhí)行定位驅(qū)動上的優(yōu)缺點，通過不同類型電機的比較，讓學(xué)生了解每種電機的具體運動特性，最后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)機器人的受力情況和運動需求選取合適的電機。在課程的實施過程中，講解應(yīng)結(jié)合實際的工程應(yīng)用案例進(jìn)行，盡量避免講解一些過于冷門的電機知識和使用技巧，使學(xué)生糾結(jié)于電機的具體特定參數(shù)上，從而影響整個課程的上課進(jìn)度。

電氣安裝是實現(xiàn)機器人運動的重要環(huán)節(jié)，這一部分涉及到電氣元件的選型和設(shè)備安裝調(diào)試。在前期的資訊采集過程中，學(xué)生需要對常見的電氣控制元件有所了解，包括基本的電路知識，這部分可采用復(fù)習(xí)回顧的方式完成。在選型安裝調(diào)試過程中，電機控制器的選擇是需要重點關(guān)注的。這個在決策部分可以通過提供不同的電機控制器型號，讓學(xué)生比較了解各個電機的實際性能差距，進(jìn)而形成一個有效的解決方案。相比前期的計劃決策而言，實施部分較為簡單，電氣設(shè)計的制圖軟件選擇性較多，學(xué)生可以選擇一個自己熟悉的軟件進(jìn)行圖紙的繪制工作從而完成整個電路的搭建、評估和分析。

程序結(jié)構(gòu)設(shè)計是電氣編程調(diào)試的重點和難點，要求學(xué)生根據(jù)電氣設(shè)計的總體要求，完成操作模式，參數(shù)控制，設(shè)備監(jiān)視，機器人操作五個功能，具體設(shè)計界面如圖4 所示。

圖4 電氣設(shè)計樣式

在教學(xué)操作過程中，教師需要結(jié)合前面已經(jīng)完成的機器人機械實例，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要完成整個機器人程序的編寫。首先教師需要根據(jù)學(xué)生的實際情況，有針對性的選擇電機種類并指導(dǎo)學(xué)生選用相應(yīng)的電機控制方法完成程序的編寫工作。其次在硬件條件滿足的情況下，要求每位學(xué)生實地參與到電機相關(guān)參數(shù)的設(shè)置工作中來。程序的編寫實施過程需要學(xué)生查閱PLC 編程手冊和電機控制參數(shù)手冊，完成電機，觸摸屏，PLC 的組態(tài)配置工作。在此過程中教師應(yīng)根據(jù)實際已有的設(shè)備情況講授相應(yīng)的電機控制方法，避免出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容過于抽象學(xué)生無法理解的情況。

3.3 系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)驗證的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生對已經(jīng)構(gòu)建好的機器人進(jìn)行功能檢驗和設(shè)計優(yōu)化，包括但不限于算法驗證，功能實現(xiàn)以及動力學(xué)的改進(jìn)優(yōu)化。針對工業(yè)機器人運動過程中出現(xiàn)卡頓狀況為例，在教與學(xué)的過程中，從機械設(shè)計和電氣優(yōu)化兩個方面驗證分析，一是機械設(shè)計上考慮優(yōu)化夾爪的安裝位置，重新選擇機械連接件進(jìn)行安裝；二是電氣設(shè)計上，考慮優(yōu)化程序運行過程中的插補算法從而改變機械本體運轉(zhuǎn)軌跡，進(jìn)而達(dá)到運轉(zhuǎn)自如的目的。程序部分采用腳本測試的方式進(jìn)行，即針對程序設(shè)計中調(diào)用和編寫的程序模塊，通過給出限定范圍內(nèi)的隨機數(shù)值，測試是否出現(xiàn)程序崩潰的情況。不同于純計算機程序的腳本測試方法，由于機器人的設(shè)計涉及到機械本體，在測試之前應(yīng)預(yù)先在系統(tǒng)里設(shè)定機器人的盲區(qū)和撞擊范圍。測試時系統(tǒng)應(yīng)規(guī)避這些區(qū)域，避免對機器人本體造成損壞。一個可以良好運行的程序需要開發(fā)人員反復(fù)調(diào)試才能實現(xiàn)，這個過程需要任課教師有足夠的耐心并進(jìn)行細(xì)心的指導(dǎo)。如果時間允許還可以進(jìn)一步拓展機器人相關(guān)的控制算法知識，指導(dǎo)有能力的學(xué)生對機器人的設(shè)計進(jìn)行進(jìn)一步的思考學(xué)習(xí)和優(yōu)化。

4 結(jié)語

工業(yè)機器人實訓(xùn)課程設(shè)計是在新工科背景下，充分利用仿真技術(shù)將機械與電氣的各種技術(shù)知識運用于工程實踐項目的具體體現(xiàn)，解決了工業(yè)機器人專業(yè)課程實訓(xùn)教學(xué)模式存在的弊病，有效地加深學(xué)生對于工業(yè)機器人運行機制的理解和運用能力。實踐表明，多學(xué)科知識點相融合式的工業(yè)機器人教學(xué)實施在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情的同時，不僅解決了理論與實踐脫節(jié)問題，而且切實提升了實訓(xùn)課程的教學(xué)質(zhì)量。