新工科背景下工业机器人实训课程教学探索

程 静，李开阳

（贵州装备制造职业学院，551400，贵州贵阳）

国家先后制定并实施了“中国制造2025”“互联网+”等重大战略，培养具有扎实知识储备、工程实践能力强、综合素质高、创新能力强的工程技术人才。新工科以应对未来、塑造未来为理念,在人才培养目标上着眼于知识体系的综合化和能力的全面发展[1]。机器人相关的新兴学科，也被纳入新工科建设范畴。为了适应国家新时代经济和新工科的发展，高等教育也逐步转向培养能适应新技术、新产业和新模式的新工科人才[2-3]。

在新工科背景下，本文以机器人相关学科为基础，以优化工业机器人实训课程教育教学改革为目标，应用以实例项目驱动的教学内容设计方案、以能力培养为导向的课程考核评价体系和多形态的课程教学方法[4]，采用亚龙YL-1351L 型六自由度工业机器人实训平台，并依托贵州装备制造职业学院工业机器人操作与运维“1+X”证书制度试点的优质资源，遵循理论到实践、基础到拓展的循序渐进过程，以基础性、专业性和综合性为原则，探讨工业机器人实训课程项目设计，以此期望提高学生的竞争力，为新工科创新人才的培养提供思路[5]。

1 亚龙YL-1351L 型六自由度工业机器人实训平台的构成及特点

实训所用设备为亚龙YL-1351L 型六自由度工业机器人实训平台，如图1 所示，该平台是一套采用先进技术、能模拟实际工业生产中大量复杂控制过程的教学培训装置。涉及的技术知识包括工业机器人、PLC控制、触摸屏、电气技术、传感器、气动技术、机械技术、伺服驱动等。所用元件为ABB120 工业机器人、西门子可编程控制器（中央处理器模组）S7-1200 系列PLC、威纶通触摸屏等，设备全部采用工业标准电气设备进行安装生产且为当今自动化主流设备。该设备能模拟由现实工业生产转变为可供学生学习的高仿真度的现场工作环境，培养学生的认知能力及学习能力，使学生一进入该领域即可快速适应现实中的生产物流环节，提高学生的竞争力。

图1 实训平台

该实训平台由铝合金导轨式实训台、自动生产线模块、曲面TCP 实训模块、码垛实训模块、涂胶实训模块、装配实训模块、快换夹具模块、工业机器人、电气控制电路等9 部分组成。每站各有一套PLC 控制系统独立控制，既可各自独立动作，又可紧密相连形成一条自动线，完成零件的加工、检测、安装和入库，因此，该平台能够为学生提供一个半开放式的学习环境。虽然各个组成单元的结构已经固定，但是设备的各个执行机构按照怎样的流程运行、各单元之间如何配合、最终模拟怎样的生产过程、整个流水线按怎样的操作模式运转等，都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC 控制程序，实现模拟流水线控制。整个系统基本涵盖了加工、组装、检测工件直至仓储的全部流程，体现了自动化生产线上物流、能量流和信息流的概念。利用该系统可以根据学生的实际情况从设计、装配、编程、试运行、操作、维护和故障排除等多方面进行实训。

2 基于新工科理念的工业机器人实训课程

新工科背景下的高等教育培养目标是培养能适应新学科和新产业的创新人才，培养和提高学生创新和理论联系实际的能力[6]。以先基础后拓展技能的原则，将实训课程教学内容分为三个部分：一是机器人及实训平台拆装及调试，二是机器人操作及维护，三是机器人和PLC 控制程序设计等综合应用能力。

2.1 机器人及实训平台的机械及电气拆装调试实训项目设计

项目实施为期一周。主要分成三个部分：一是硬件的安装与调试，二是电气安装与调试，三是程序调试和应用。

（1）硬件的安装与调试：工业机器人底座的安装与调试技术，工业机器人安装与调试技术，工业机器人自动换夹具安装与调试技术，立体仓库单元的安装与调试，供料单元的安装与调试，码垛工作站的安装与调试，涂胶工作站的安装与调试，平面、曲面工作站安装与调试，装配工作站安装与调试。

（2）电气安装与调试：工业机器人本体与控制器之间的电气连接与调试技术，工业机器控制器和PLC 之间电气连接与调试技术，工业机器人夹具电气连接与调试技术，供料单元和输送分拣单元上的传感器安装与调试。

（3）编程调试和应用：通过示教器对工业机器人运作过程的调试，通过触摸屏I/O 板对机器人运作的控制。

学生通过分组实训和竞争实训，对工业机器人及实训平台的系统组成、工作原理、电控系统及各部分关联运动都有了全面的了解，为后期的学习打下基础，安装工艺得到提升。

2.2 机器人操作及维护项目设计

项目实施为期二周。该实训项目的设计目的主要是使学生基本了解编程系统和基本操作指令。

（1）工业机器人的基础操作。安装工业机器人编程调试软件，认识机器人示教器，掌握机器人示教器按键功能，学习示教器的操作，了解示教界面显示功能。

（2）工业机器人编程。学习简单的I/O 分配，结合PLC 相关知识点对工业机器人进行简单的编程，包括：快换夹具的编写，工业机器人平面轨迹运行的编写，工业机器人垂直轨迹运行的编写，涂胶、码垛运行的编写。

（3）设备的维护和保养。能够按照机器人操作规程对机器人进行安全检查，根据系统的异常、机械故障进行简单的维修和保养，工业机器人的日、周、月检查与维护。

通过学习机器人基本操作和与外围设备建立通讯连接、编写程序，让机器人实现预定运动轨迹功能，为综合实训奠定基础。在实训项目中，运动轨迹可编程操作是工业机器人综合应用的基础，通过实物学习工业机器人相关知识、设备和实用技能，是提高工业机器人应用能力的有效手段。通过实训项目可以引导学生培养标准化编程思想，提升学生对工业机器人软硬件资源的应用能力。

2.3 工业机器人综合实训项目设计

项目实施为期二周。学生在已经学过PLC、变频器、触摸屏等理论课和实训课程的基础上，进行工业机器人综合实训课程的学习。

（1）工作站联调。以生产和加工所需的完整工作站为应用背景，建立具有不同功能的机器人工作系统，如涂胶工作站、码垛工作站、搬运工作站等，其目标是提高学生对机器人工作系统的认识，让其熟悉外设工具选择和机器人可编程控制等，进而培养学生对协作工业机器人综合应用的能力。

（2）自动化生产线联调。主要是完成自动生产线工作站，由工业机器人、PLC、供料单元、同步输送带、变频器、触摸屏、三相异步电机、码垛工作台等组成。三相异步电机侧轴装有旋转编码器，便于电机闭环控制可精确定位物料的位置。工作时控制系统控制供料单元供料、推料至输送带，待物料输送至输送线末端时机器人进行物料分拣码垛工作。该站主要用于模拟生产线的码垛综合应用，也可自由搭配作为模拟物流分拣工作站。

该实训为学生提供了一个了解分析整条自动线的机会，使学生从中理解自动线上物流、能量流和信息流的形成，掌握自动线的工艺分析方法，体会多种机电技术在自动线设备上的综合应用[7]。

3 结语

通过该实训平台，教学设计由浅入深、循序渐进，将工业机器人专业的多种技术进行了综合应用，并采用了新工科背景下的实例项目设计教学模式，把繁杂的实训过程变得清晰有序，学生通过不同工作过程的训练，能够融会贯通，掌握常见的自动化生产系统的装调方法和基本维护知识。该实训的工作任务训练和小组协作的实训方式，能较好地锻炼操作者团队的协作能力和安全意识。该实训平台突出强调技术的综合运用，学生的专业技能提高明显，在实训教学中取得了较好的效果。随着实训课改的推进，将在当前方案的基础上，利用该实训平台的开放性作进一步的实训项目拓展，主要方向为多台机器人协作、多种型号PLC 的工程应用训练等，希望以此充分发挥该实训平台的实训效能，进一步提升学生的创新能力。