陳欣欣

（集美工業(yè)學(xué)校，福建 廈門 361022）

1 教學(xué)背景分析

隨著生活水平的提高，人們對自己工作的環(huán)境也提出了新的要求，在艱苦枯燥而危險的工作崗位上，工業(yè)機器人開始逐步取代人工。2018年全世界約1/3的機器人正在銷往中國，未來5-10年，機器人是一個見不到天花板的行業(yè)。李克強總理也應(yīng)勢提出中國版工業(yè)4.0規(guī)劃——“中國制造2025”。作為自動化技術(shù)的集大成者，機器人是工業(yè)4.0最主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。這使我們共同面對的一個挑戰(zhàn)：工業(yè)機器人自動化應(yīng)用人才在中國全面緊缺。我國工業(yè)機器人應(yīng)用人才缺口達到20萬，并且還在以每年20%-30%的速度持續(xù)遞增。在此時代背景下，作為教學(xué)對象的中職二年級學(xué)生多數(shù)對于工業(yè)機器人專業(yè)和其今后的職業(yè)大環(huán)境了解不夠全面，不知如何促進自己專業(yè)技能水平的提高以適應(yīng)未來職業(yè)需求。

當(dāng)今從中學(xué)生乃至全國的大學(xué)生，他們的技術(shù)教育受益于多種信息化教學(xué)方式。這些信息化教學(xué)方式大多基于機械工程、應(yīng)用數(shù)學(xué)、材料加工、基礎(chǔ)電子學(xué)、機器人學(xué)、工業(yè)制造等實踐經(jīng)驗。本文采用仿真軟件RobotStudio輔助教學(xué)。值得指出的是，除了基本知識點的仿真練習(xí)，掌握RobotStudio軟件的離線編程技能更是對今后工業(yè)生產(chǎn)實踐有極大幫助。

RobotStudio是ABB公司開發(fā)的優(yōu)質(zhì)離線編程軟件，在教學(xué)實施過程中，通過構(gòu)建機器人焊接工作站，對機器人進行編程，通過可視化的方法突破教學(xué)難點。以此為基礎(chǔ)，利用職業(yè)學(xué)校學(xué)生思維活躍，動手能力強，好奇心強的特點，為信息化手段的教學(xué)實施提供了很好的前提條件。

2 工業(yè)機器人上創(chuàng)建工具坐標(biāo)系教學(xué)情況分析

2.1 工業(yè)機器人簡介

國際上工業(yè)機器人被定義為：“一種自動定位控制，可重復(fù)編程、多功能的、多自由度的操作機?！备鶕?jù)機器人的運動形態(tài)，工業(yè)機器人可以分為直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人、球坐標(biāo)型工業(yè)機器人、多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人、平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人和并聯(lián)型工業(yè)機器人。筆者認(rèn)為要使這些不同種類的機器人順利運行最基本要求之一，就是正確建立工業(yè)機器人的工具坐標(biāo)系。

2.2 工具坐標(biāo)系的教學(xué)過程分析

機器人工具坐標(biāo)TOOLDATA是指用于描述安裝在機器人第六軸上的工具的TCP（tool center point）、重量、重心等參數(shù)的數(shù)據(jù)。在機器人執(zhí)行程序時，本質(zhì)上就是將TCP移至編程位置，而程序中描述的位置和速度，就是TCP點在對應(yīng)工具坐標(biāo)中的位置和速度。

從以上論述可以看出，工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的概念抽象晦澀。中職學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱，工具坐標(biāo)系的概念對于學(xué)生而言，僅僅憑借數(shù)學(xué)推導(dǎo)或坐標(biāo)系變換是難以學(xué)習(xí)理解的。與之相矛盾的是，在今后學(xué)習(xí)機器人編程時，很多情況下建立機器人運行軌跡，本質(zhì)上就是在工具坐標(biāo)系中創(chuàng)建目標(biāo)和路徑。

3 機器人工具坐標(biāo)系建立的教學(xué)策略

針對以上教學(xué)面對的重點難點問題，以下重點就建立工具坐標(biāo)系兩大教學(xué)策略進行分析。

⑴ 化繁為簡，歸納總結(jié)，將理論性極強的概念簡化為工程操作步驟。

這樣便于學(xué)生理解，操作簡單易學(xué)。學(xué)生可以根據(jù)總結(jié)出來的工程式操作步驟自己動手探究，為后續(xù)任務(wù)布置以及在RobotStudio仿真實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。例如，在講解機器人的工具坐標(biāo)系時，將上文工具坐標(biāo)系理論性概念描述為以下工程操作步驟，如下圖1所示。

圖1 TCP設(shè)定姿態(tài)示意圖

首先在機器人工作站合適的范圍內(nèi)找一不可移動的尖點作為參考點；接著在安裝的工具上另找一個尖點；然后調(diào)整至手動模式操縱機器人，移動工具上的參考點至少以4種不同的姿態(tài)盡可能與固定點剛好碰上；最后機器人通過計算這4個點的位置數(shù)據(jù)，并保存在TOOLDATA程序數(shù)據(jù)中，等待被程序調(diào)用。采用簡化的工程式步驟描述層次分明，直接簡要地指出工具坐標(biāo)的定義及其建立過程，學(xué)生學(xué)習(xí)效果好。

⑵ 采用任務(wù)教學(xué)法，設(shè)置一個具體的工程任務(wù)，例如在點焊工作站中建立工具坐標(biāo)系，這樣可以使學(xué)生對于工具坐標(biāo)的理解和應(yīng)用更深入，驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。在信息化軟件中設(shè)計具體工程任務(wù)，再次將抽象的概念形象化，便于學(xué)生理解。

教學(xué)中設(shè)置的任務(wù)是在點焊工作站完成焊接工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的建立。點焊在實際生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用，工業(yè)機器人進行白車身點焊，可以很大程度提高汽車生產(chǎn)線的產(chǎn)能、提高車身強度、降低不良率。工作站利用IRB6640機器人對汽車白車身進行點焊操作，點焊工作站如圖2所示。

圖2 信息化平臺上的IRB6640機器人點焊工作站

在RobotStudio平臺，學(xué)生采用以下步驟建立工業(yè)機器人的工具坐標(biāo)系。

（a）ABB菜單-手動操縱-工具坐標(biāo)-新建tool1設(shè)定屬性后確定-“編輯”菜單“定義”-選擇TCP和Z、X,點數(shù)6-選擇合適的手動操縱模式，如圖3所示。

圖3 六點法建立工具坐標(biāo)系

（b）操縱機器人工具參考點以不同的姿態(tài)靠近固定點，并示教器面板上依次操作“修改位置”按鈕。

（c）完成，對誤差進行確認(rèn)?！熬庉嫛辈藛巍案闹怠?，設(shè)定重量mass和重心cog數(shù)據(jù)。

（d）選擇重定位模式，坐標(biāo)系選工具，工具坐標(biāo)選tool1,操作機器人驗證工具坐標(biāo)的精確程度。

教學(xué)過程中采用RobotStudio軟件，能將抽象的概念形象化。許多晦澀的坐標(biāo)系建立問題借助該平臺軟件的演示和仿真也變得直觀、形象易于理解，大大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)的效果與效率。建立工具坐標(biāo)系tServoGun如下圖4所示。

圖4 工具坐標(biāo)系tServoGun

學(xué)生成功完成了在點焊工作站的機器人上正確建立了工具坐標(biāo)系的任務(wù)，如圖5所示。在學(xué)生完成任務(wù)的過程中，筆者注意記錄對每位學(xué)生的過程性評價。這樣，通過信息化輔助教學(xué)，多種手段，層層推進教學(xué)重難點；通過練習(xí)拓展，循序漸進，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實際解決問題的能力。

圖5 點焊作業(yè)

在任務(wù)實施過程中，有幾個方面值得注意：

⑴ 在了解點焊系統(tǒng)配置與功能的基礎(chǔ)上完成任務(wù)。完成任務(wù)的過程中，學(xué)生需要自主調(diào)查，查找點焊作業(yè)的資料，這個過程可以引導(dǎo)學(xué)生進行觀察，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

⑵ 采用上文中所介紹的工程步驟，在點焊焊槍上學(xué)習(xí)建立工具坐標(biāo)系。將理論知識用在工業(yè)生產(chǎn)中，加深對知識的理解與應(yīng)用。

課堂中設(shè)置的教學(xué)任務(wù)的主要目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)正確建立工具坐標(biāo)系，并將其應(yīng)用于仿真工業(yè)生產(chǎn)實踐。隨著任務(wù)的實施，使學(xué)生可以系統(tǒng)地解決建立工具坐標(biāo)系中的難點問題。在完成任務(wù)的過程中，需要自主調(diào)查、查找資料。積極的學(xué)生反饋和學(xué)生學(xué)業(yè)成績表明，工程仿真原型的加入對學(xué)生學(xué)業(yè)成績有顯著有效的影響。