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        基于CDIO理念的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程教學(xué)探索
        ——以“馬鞍型”焊縫焊接仿真為例

        2019-08-29 07:44:32
        關(guān)鍵詞:馬鞍軌跡焊縫

        宋 杰

        (濰坊職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 261041)

        0 引言

        自2013年起,中國已成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人銷售市場。預(yù)計(jì)未來10年,我國的機(jī)器人市場還將持續(xù)保持30%以上的高速增長[1-2]。在此形勢下,如何培養(yǎng)符合“中國制造2025”要求的技術(shù)技能型人才成為高職院校機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的首要任務(wù)。

        CDIO(Conceive Design Implement Operate)是現(xiàn)代工程教育領(lǐng)域新興的一種先進(jìn)教育理念,秉承“以學(xué)生為中心”的教學(xué)宗旨,以完整的工程項(xiàng)目為載體,學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式,通過構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作4個環(huán)節(jié),在工程項(xiàng)目研發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、個人能力提升、團(tuán)隊(duì)能力協(xié)作及工程研發(fā)能力培養(yǎng)。相對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式,CDIO工程教育模式鼓勵教師在教學(xué)實(shí)踐中采用多種主動學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的方法,以增強(qiáng)對學(xué)生的吸引力、提高學(xué)生實(shí)踐操作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,并取得了顯著的效果[3-4]。

        CDIO在高校工業(yè)機(jī)器人課程中的應(yīng)用也已展開,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心通過引入CDIO項(xiàng)目式教學(xué)法進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐課程的改革[5]。蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院將CDIO教學(xué)模式應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程,得到學(xué)校教師與學(xué)生的認(rèn)可[6]。此外,CDIO理念在信息論與編碼、電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多個課程領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文以企業(yè)調(diào)研為基礎(chǔ),借鑒成功的教學(xué)案例,進(jìn)行基于CDIO理念的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程教學(xué)研究。

        1 工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)

        為滿足人才需要,許多高校(特別是高職院校)開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人專業(yè)和課程,但是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)昂貴,實(shí)訓(xùn)設(shè)備維護(hù)成本高,且數(shù)量難以滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要。因此,將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中尤為必要。工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。鑒于高職學(xué)生對機(jī)器人的認(rèn)知程度不高、缺乏相應(yīng)的知識經(jīng)驗(yàn),本課程在教學(xué)過程中,結(jié)合企業(yè)調(diào)研情況,參照有效的CDIO教學(xué)模式,設(shè)計(jì)、引進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人應(yīng)用案例。

        因此,這門課程教學(xué)設(shè)計(jì)的基本思路是把知識點(diǎn)、技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)融入具體的工作任務(wù)中,以CDIO的模式展開,實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合,以學(xué)生關(guān)注的點(diǎn)為基礎(chǔ),在傳授知識過程中注重工程應(yīng)用能力培養(yǎng),強(qiáng)化學(xué)生的自學(xué)能力與分析,解決問題的能力。本文將以“馬鞍型”焊縫的仿真教學(xué)為例,具體闡述。

        2 “馬鞍型”焊縫焊接仿真教學(xué)實(shí)例

        以“馬鞍型”焊縫仿真教學(xué)項(xiàng)目為例,對上文提出的方案進(jìn)行說明,并對該項(xiàng)目實(shí)施中學(xué)生的知識獲取和綜合能力提升狀況進(jìn)行分析。

        2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

        管件的相貫焊接形式在高壓容器、管道工程中普遍存在,焊縫形式多為復(fù)雜的“馬鞍型”空間曲線,本節(jié)就以“馬鞍型”焊縫仿真項(xiàng)目貫穿整個課程教學(xué)。

        題目:“馬鞍型”焊縫焊接仿真

        任務(wù):①使用RobotStudio中的三維建模功能進(jìn)行貫穿管件的建模,獲取“馬鞍型”空間曲線;②通過軌跡路線的生成、焊接目標(biāo)點(diǎn)的調(diào)整、運(yùn)動參數(shù)修改等,最終“馬鞍型”焊縫的軌跡仿真。

        要求:根據(jù)圖1所示流程,使用RobotStudio機(jī)器人仿真軟件對“馬鞍型”焊縫焊接軌跡進(jìn)行模擬仿真。

        圖1 “馬鞍型”焊縫焊接軌跡模擬仿真流程

        所用知識:RobotStudio三維建模、創(chuàng)建仿真工作站、焊接路徑生成、目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整、軸配置參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)修改、運(yùn)動軌跡生成、仿真運(yùn)行。

        2.2 項(xiàng)目實(shí)施

        根據(jù)項(xiàng)目任務(wù),將主項(xiàng)目分解成三維建模和軌跡仿真兩個子項(xiàng)目,下面進(jìn)行詳細(xì)說明。

        子項(xiàng)目1:利用RobotStudio進(jìn)行三維建模

        根據(jù)提供的圖紙,利用RobotStudio中的建模功能進(jìn)行模型創(chuàng)建,如圖2所示。主要考察學(xué)生讀圖識圖能力及RobotStudio中建模功能的掌握情況。

        圖2 貫穿管件的三維模型

        子項(xiàng)目2:焊接軌跡仿真

        (1)任務(wù)構(gòu)思。①將貫穿管件相交線提取,作為焊槍運(yùn)動軌跡曲線,并將此曲線轉(zhuǎn)換為焊槍運(yùn)動軌跡路徑。如圖3所示;②對仿真過程中自動生成的目標(biāo)點(diǎn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整(調(diào)整各目標(biāo)點(diǎn)的X、Y、Z軸),使各目標(biāo)點(diǎn)均在機(jī)器人的可及范圍之內(nèi);③為達(dá)到目標(biāo)點(diǎn),機(jī)器人可能存在多種關(guān)節(jié)軸組合情況,因此,需要為自動生成的目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整軸配置參數(shù),并通過運(yùn)動指令,觀察機(jī)器人運(yùn)動;④完善程序,仿真運(yùn)行。為軌跡添加起始接近點(diǎn)、軌跡結(jié)束離開點(diǎn)及安全位置HOME點(diǎn),調(diào)整運(yùn)動的類型、速度、轉(zhuǎn)彎半徑等參數(shù),最后進(jìn)行仿真設(shè)定。

        圖3 焊槍軌跡曲線路徑

        (2)方案設(shè)計(jì)。以小組形式,按照不同目標(biāo)點(diǎn)姿態(tài)調(diào)整角度和軸配置參數(shù)調(diào)整數(shù)值進(jìn)行分工,通過不同小組機(jī)器人運(yùn)動軌跡,讓學(xué)生理解目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整和軸配置參數(shù)的原因,掌握調(diào)整方法。

        (3)任務(wù)實(shí)現(xiàn)。教師向?qū)W生灌輸機(jī)器人仿真過程中的嚴(yán)謹(jǐn)性與規(guī)范性,引導(dǎo)其養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣,并對仿真過程中出現(xiàn)的問題給予指導(dǎo)。

        (4)運(yùn)作階段。教師檢查學(xué)生的仿真結(jié)果,并將各小組的結(jié)果進(jìn)行分析,并提出路徑最優(yōu)的發(fā)散性問題。

        2.3 效果分析

        以“馬鞍型”焊縫仿真項(xiàng)目為載體,將知識融入實(shí)踐,相比于之前的教學(xué)方法主要在以下兩方面得到改善:

        (1)“馬鞍型”焊縫仿真工作站的創(chuàng)建基于之前所學(xué)的RobotStudio建模與工作站的構(gòu)建,迭代式的學(xué)習(xí)和實(shí)踐有助于加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和運(yùn)用,進(jìn)一步掌握基本理論和方法。

        (2)以工程項(xiàng)目為載體,結(jié)合具體的工程背景進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施,有助于學(xué)生從理論走到實(shí)踐,積累書本上難得的工程知識和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

        (3)構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)作的CDIO四階段知識學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用,有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì),以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo),充分調(diào)動學(xué)生主動性,提升自主學(xué)習(xí)能力,鍛煉思維能力、溝通能力與操作能力。

        3 結(jié)語

        將CDIO理念引入工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)課程,以工程項(xiàng)目為載體,既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性,鍛煉了思維能力、溝通能力、操作能力,又有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式與實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)用人脫節(jié)問題,讓學(xué)生從理論走到實(shí)踐。CDIO教學(xué)模式的應(yīng)用,在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合等問題上進(jìn)行了有益探索,做法與經(jīng)驗(yàn)可供以后參考。

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