基于“崗課賽證”融合的“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程改革研究

摘 要：“崗課賽證”綜合育人是推進新時代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，是課程改革的主要依據(jù)。“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程是工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)的一門職業(yè)技能核心課程。為了培養(yǎng)工業(yè)機器人系統(tǒng)自動化生產(chǎn)線集成設(shè)計、編程維護安裝調(diào)試等相關(guān)崗位的復(fù)合型高素質(zhì)技術(shù)技能人才，課程基于“崗課賽證”深度融合育人機制，對“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程進行改革研究。按著“崗課賽證”互溶的課程改革思路，以工業(yè)機器人系統(tǒng)集成工作領(lǐng)域中典型工作任務(wù)為主線重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容；以融入行業(yè)發(fā)展新技術(shù)包含機器人、PLC、CNC、機器視覺，MES的大賽設(shè)備開展教學(xué)實施；采用涵蓋多種協(xié)議的通信架構(gòu)，幫助學(xué)生領(lǐng)會系統(tǒng)集成的完整知識體系；仿真軟件模擬真實環(huán)境系統(tǒng)交互，使學(xué)生深入理解系統(tǒng)協(xié)同工作的底層邏輯。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人 系統(tǒng)集成 崗課賽證

1 緒論

工業(yè)機器人系統(tǒng)集成將機器人技術(shù)與工廠生產(chǎn)流程相結(jié)合，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化和智能化，已成為破解產(chǎn)業(yè)成本上升和環(huán)境制約問題的重要路徑選擇。其應(yīng)用從自動化裝配精密元件到智能制造重型設(shè)備，從智能化管理物流到精準(zhǔn)醫(yī)療服務(wù)等多個行業(yè)領(lǐng)域，其應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)上涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，是機械工程、電子工程、計算機科學(xué)、自動化控制以及傳感器技術(shù)多學(xué)科多場景的深度融合，對技能型人才知識儲備、技能水平和綜合應(yīng)用能力提出了前所未有的高標(biāo)準(zhǔn)。

然而，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成課程存在對接崗位不精準(zhǔn)、教學(xué)載體先進性不夠、教學(xué)內(nèi)容滯后、考核方法單一等不足，阻礙了高職工業(yè)機器人專業(yè)校企結(jié)合、產(chǎn)教融合及人才培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量提升。作為一種高效的綜合育人機制[1]，“崗課賽證”深度融合成為連接教育、人才、產(chǎn)業(yè)和創(chuàng)新的關(guān)鍵，是新時期國家提升職業(yè)教育的重要舉措，它將崗位需求、課程內(nèi)容、技能競賽和職業(yè)資格證書相結(jié)合，旨在實現(xiàn)教育更加貼近實際工作崗位，課程內(nèi)容與崗位需求無縫對接。在此背景下，探討“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程如何基于“崗課賽證”深度融合育人機制進行整體設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵且迫切。

2 基于“崗課賽證”深度融合的課程改革思路

本課程是在掌握工業(yè)機器人編程操作和PLC控制等基本知識和技能基礎(chǔ)上，通過工作過程系統(tǒng)化方式，使學(xué)生掌握典型工業(yè)機器人智能制造產(chǎn)線的集成設(shè)計、編程維護、安裝調(diào)試的工作過程。課程堅持立德樹人、德技并重，以落實“崗課賽證”育人機制、促進產(chǎn)教融合、全面提升學(xué)生工業(yè)機器人系統(tǒng)集成應(yīng)用的職業(yè)能力為宗旨的改革思路展開課程改革探索。首先課程組團隊教師通過行企業(yè)專家、職教專家訪談及畢業(yè)生反饋調(diào)研機器人相關(guān)崗位（設(shè)計集成、編程維護、安裝調(diào)試、生產(chǎn)裝配、軟件開發(fā)、工業(yè)設(shè)計、機器視覺、系統(tǒng)測試、設(shè)計仿真）明確企業(yè)的職業(yè)崗位設(shè)置、人才需求和結(jié)構(gòu)，獲取工業(yè)機器人系統(tǒng)集成崗位群的典型工作任務(wù)和職業(yè)能力，同時對高職組“機器人系統(tǒng)集成”賽項題庫和“工業(yè)機器人集成應(yīng)用”職業(yè)技能證書進行分析[2]，以此為出發(fā)點，系統(tǒng)歸納出崗位行動的關(guān)鍵領(lǐng)域。接著，將這些領(lǐng)域與工業(yè)機器人系統(tǒng)集成加工生產(chǎn)零部件過程及學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律相結(jié)合，轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)領(lǐng)域。進而構(gòu)建出課程的核心學(xué)習(xí)內(nèi)容，確保崗課賽證四方面有機融合。隨后，根據(jù)這一框架，精心編排以學(xué)生為中心的課程內(nèi)容，合理劃分學(xué)習(xí)項目、優(yōu)化課程教學(xué)邏輯、引導(dǎo)課程教學(xué)實踐，強化可視化教學(xué)成果，遵循行動導(dǎo)向的教學(xué)模式，通過完成具體任務(wù)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的獲得感和創(chuàng)新能力。

3 基于崗課賽證重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

確保課程內(nèi)容與實際工作需求相匹配[3]，課程內(nèi)容打破了以知識點教學(xué)為主的傳統(tǒng)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨I(yè)機器人系統(tǒng)集成解決工程實際問題為切入點，以工業(yè)機器人系統(tǒng)集成工作領(lǐng)域中典型工作任務(wù)實施為中心組織內(nèi)容：以解決汽車輪轂智能加工生產(chǎn)線系統(tǒng)集成問題為主線，精心提煉整合了具有工學(xué)結(jié)合、理實一體特征的?連貫的、豐富的8個教學(xué)項目，22個典型工作任務(wù)（表1）。構(gòu)建“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成的認知-工業(yè)機器人基本操作—工業(yè)機器人集成系統(tǒng)流程仿真及離線編程—機器人集成系統(tǒng)硬件平臺搭建及通信—工業(yè)機器人集成系統(tǒng)程序設(shè)計及聯(lián)調(diào)-MES系統(tǒng)應(yīng)用”工業(yè)機器人系統(tǒng)集成內(nèi)容體系[3]。典型工作任務(wù)從工業(yè)機器人安全操作、仿真與真實平臺搭建與調(diào)試再到MES系統(tǒng)信息采集和遠程監(jiān)控等共計20個，每個任務(wù)都以創(chuàng)設(shè)情境、明確目標(biāo)、學(xué)習(xí)知識、實施任務(wù)及綜合評價邏輯順序展開。

重構(gòu)后的教學(xué)內(nèi)容以崗位職業(yè)能力為主線，對接職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工作過程；緊貼區(qū)域產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求，吸收行業(yè)的新知識、新工藝、新技術(shù)、新方法；對標(biāo)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，課程標(biāo)準(zhǔn)，融入技能大賽、職業(yè)資格證書、“1+X”技能證書考核內(nèi)容要求，將職業(yè)活動和學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展所需要的綜合能力融入教學(xué)過程，旨在培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)創(chuàng)新型工業(yè)機器人系統(tǒng)集成技能人才。

4 教學(xué)實施平臺為學(xué)生展現(xiàn)智能制造新技術(shù)

本課程教學(xué)基于華航唯實CHL-DS-18“機器人系統(tǒng)集成”平臺開展教學(xué)，其涵蓋工業(yè)機器人、數(shù)控加工、智能檢測、分揀單元等共計8個功能模塊（圖1）。通過模塊化與可擴展性設(shè)計、開放式架構(gòu)與跨平臺協(xié)作、智能傳感器與視覺系統(tǒng)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析與決策支持、通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，依托MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與可視化展示。同時，平臺接入云端，借助數(shù)據(jù)服務(wù)實現(xiàn)一體化聯(lián)合控制，能實現(xiàn)教學(xué)過程和生產(chǎn)實際的無縫。

5 多種協(xié)議組成的通信架構(gòu)助力學(xué)生領(lǐng)會系統(tǒng)集成的底層邏輯

機器人系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)的核心在于利用工業(yè)以太網(wǎng)扁平化控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)設(shè)備間信息兼容與大數(shù)據(jù)交換，并融入云平臺技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控和流程控制。通信架構(gòu)（圖2），是產(chǎn)線中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信的基礎(chǔ)，是確保機器人自身以及機器人與外部系統(tǒng)之間能夠高效、準(zhǔn)確進行信息傳輸和交互的關(guān)鍵。信息交互受阻，即使設(shè)備先進，編程精湛，猶如血脈不通，生產(chǎn)流程必將陷入癱瘓。因此，信息交互的順暢是智能平臺高效運行的關(guān)鍵所在。

平臺上位機Wincc通過PROFINET的方式和PLC通信[4]，同時可以作為OPC/UA客戶端向CNC數(shù)控系統(tǒng)請求讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，CNC數(shù)控系統(tǒng)作為OPC/UA服務(wù)器，會根據(jù)請求返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)或執(zhí)行相應(yīng)的操作；PLC和各單元遠程I/O、PLC和總控按鈕、總控指示燈，各個功能單元模塊的遠程I/O之間，均采用PROFINET的方式進行數(shù)據(jù)信息傳遞；PLC1和PLC2之間通過S7或TCP協(xié)議進行通信；該平臺工業(yè)機器人配有DSQ625卡板和 擴展I/O模塊，通過Dericenet的方式和機器人控制器之間進行通信，同時又利用I/O模塊與 PLC3的通信，通過TCP/IP的方式與視覺系統(tǒng)進行信息傳遞；在CNC系統(tǒng)，其內(nèi)部PLC通過內(nèi)部專用通信和數(shù)控主機實現(xiàn)互聯(lián)互通，對外部通過I/O和系統(tǒng)的PLC進行數(shù)據(jù)交互。

整個系統(tǒng)的通信架構(gòu)非常復(fù)雜，信號的傳輸過程抽象，數(shù)據(jù)傳遞協(xié)議繁多，弄清控制系統(tǒng)規(guī)劃圖在學(xué)習(xí)本門課程起到一個高屋建瓴的作用。

6 基于崗位工作全過程的虛擬仿真應(yīng)用促進“崗課賽證”深度融合

虛擬仿真是智能制造的重要組成部分，它通過計算機模擬技術(shù)，將現(xiàn)實世界中的物理過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，優(yōu)化方案設(shè)計，助力生產(chǎn)過程的數(shù)字化、自動化和智能化。課程教學(xué)采用PQfactory虛擬仿真軟件提高學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)動機、增強師生互動、拓展教學(xué)空間[5]。

仿真軟件底層采用OpenGL高級顯示組件，模塊式開發(fā)，減少程序干擾依賴；界面使用 Visual Studio成熟工具，實現(xiàn)友好的人機交互；可以自由定義機器人，氣缸，傳感器等各種在線設(shè)備；可支持西門子，歐姆龍，三菱等多種品牌PLC，通過場景搭建、路徑規(guī)劃、事件添加、仿真運行、通過路由器和真實的PLC相連，能夠代替現(xiàn)實中的機器人，氣缸，模組，傳感器，數(shù)控機床等產(chǎn)線設(shè)備之間的實時信號聯(lián)調(diào)、反饋動作，進而實現(xiàn)產(chǎn)線現(xiàn)場信號線路調(diào)試離線化；碰撞檢測功能可以模擬檢測出機器人在運動時和周邊的零部件、設(shè)施的碰撞情況。

虛擬仿真模擬真實的工作環(huán)境和崗位需求，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中體驗工業(yè)機器人操作、編程、調(diào)試等崗位技能。將崗位需求直接融入課程內(nèi)容，使學(xué)生所學(xué)知識與未來職業(yè)需求無縫銜接。通過機器人虛擬仿真平臺，學(xué)生可以參加工業(yè)機器人系統(tǒng)集成編程大賽、工業(yè)機器人系統(tǒng)運維等技能大賽。同時，機器人虛擬仿真技術(shù)可以模擬職業(yè)資格證書的考核內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)，使學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)的同時，具備參加并順利通過職業(yè)資格考試的能力。增強學(xué)生的就業(yè)競爭力和職業(yè)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

7 結(jié)語

基于智能制造產(chǎn)業(yè)升級對機器人專業(yè)人才的新需求，按照“崗課賽證”深度融合工業(yè)機器人系統(tǒng)集成課程改革思路，以工業(yè)機器人系統(tǒng)集成工作領(lǐng)域中典型工作任務(wù)將教學(xué)內(nèi)容邏輯再造，采用任務(wù)驅(qū)動項目化教學(xué)法，實現(xiàn)教學(xué)與生產(chǎn)實際無縫銜接；采用集成了先進技術(shù)和理念的大賽設(shè)備開展教學(xué)，為學(xué)生提供接觸前沿技術(shù)的機會；多種協(xié)議組成的通信架構(gòu)，幫助學(xué)生領(lǐng)會系統(tǒng)間協(xié)同工作的底層邏輯。基于崗位工作全過程的虛擬仿真應(yīng)用促進“崗課賽證”深度融合。

綜上所述，課程改革旨在完善崗課賽證綜合育人機制，確保產(chǎn)業(yè)需求與課程內(nèi)容、生產(chǎn)實踐與教學(xué)過程對接，推動職業(yè)教育教學(xué)革新，構(gòu)建集崗位技能、項目導(dǎo)向、競技交流、資格認證“四位一體”的技能人才培養(yǎng)模式。

基金項目：2024年度山東省人才服務(wù)行業(yè)協(xié)會。課題名稱：高職智能制造類專業(yè)創(chuàng)新復(fù)合型技能人才培養(yǎng)的研究，課題編號2024034。

參考文獻：

[1]中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)“關(guān)于推動現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的意見”[EB/OL].（2021-10-12）.https：//www.gov.cn/zhengce/2021-10/12/content_5642120.htm.

[2]世賽機器人系統(tǒng)集成項目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化項目課程開發(fā)設(shè)計[J].中國機械，2024（05）：112-115.

[3]王曉勇，張大偉，段宏剛.工業(yè)機器人系統(tǒng)集成[M].北京：高等教育出版社，2024.

[4]戴俊良.理虛實一體的工業(yè)機器人應(yīng)用系統(tǒng)集成課程改革研究[J].內(nèi)燃機配件，2024（19）：147-149.

[5]陳芳.機器人視覺引導(dǎo)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國新技術(shù)產(chǎn)品，2024（24）：5-8.