朱 國，陳敢新，馬小林，肖白軍，袁越陽

(湖南城市學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

2015 年，國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》國家戰(zhàn)略，提出“推進信息化與工業(yè)化深度融合”以提高我國制造業(yè)的智能化水平，以應(yīng)對全球新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革。2020 年，黨的第十九屆五中全會進一步指出“堅持把經(jīng)濟發(fā)展的著力點放在實體經(jīng)濟上，堅定不移地建設(shè)制造強國、質(zhì)量強國、網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國”，將“制造強國”放在首位。智能制造“十四五”發(fā)展規(guī)劃指出“同步實施數(shù)字化制造普及、智能化制造示范引領(lǐng)，以構(gòu)建新型制造體系為目標(biāo)”。工業(yè)機器人作為高端制造、智能制造的重要組成部分，必將成為構(gòu)建新型制造體系的關(guān)鍵一環(huán)[1]。因此，本文將以智能制造為背景，探索如何以企業(yè)需求為導(dǎo)向?qū)Α豆I(yè)機器人工裝設(shè)計》課程進行改革。

一、《工業(yè)機器人工裝設(shè)計》課程的教學(xué)現(xiàn)狀

《工業(yè)機器人工裝設(shè)計》作為一門面向工業(yè)機器人應(yīng)用的機、電、氣系統(tǒng)設(shè)計類課程，其課程內(nèi)容涵蓋機械設(shè)計、工程材料、互換性技術(shù)、氣壓傳動以及電氣控制等專業(yè)知識。作為一門綜合性強、面向就業(yè)的應(yīng)用型專業(yè)課程，高校一般將其安排在大三下學(xué)期進行講授。目前，在《工業(yè)機器人工裝設(shè)計》課程的教學(xué)方面存在著不足。首先，工業(yè)機器人專業(yè)教材的編寫還處于探索階段[2]，工業(yè)機器人工裝設(shè)計方面的教材偏少[3]，且現(xiàn)有教材質(zhì)量參差不齊[4]。其次，目前應(yīng)用型本科院校教師的學(xué)術(shù)能力強、理論知識深厚，但實踐應(yīng)用能力相對較弱[5]，因此課堂教學(xué)與企業(yè)對應(yīng)用型人才的實際需求結(jié)合不夠緊密。上述不足制約了高校對面向工業(yè)機器人應(yīng)用的工裝夾具系統(tǒng)設(shè)計人才的培養(yǎng)。

二、課程教學(xué)改革目標(biāo)

本課程以專業(yè)知識、工業(yè)機器人典型應(yīng)用案例、課堂實踐以及工業(yè)機器人智能制造生產(chǎn)線實訓(xùn)為支撐，著力培養(yǎng)學(xué)生在工業(yè)機器人工裝夾具設(shè)計方面的五大能力，著力構(gòu)建“項目體驗式、課堂實習(xí)式、理實一體化”的課程教學(xué)模式。本課程的總體建設(shè)目標(biāo)如圖1 所示?？傮w課程教學(xué)目標(biāo)分解為以下三個方面：

圖1 《工業(yè)機器人工裝設(shè)計》課程總體建設(shè)目標(biāo)

（一）教學(xué)內(nèi)容與時俱進，以應(yīng)用為導(dǎo)向，聚焦工業(yè)機器人典型應(yīng)用案例

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)今主流氣動元件生產(chǎn)商、機械標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)商以及傳感器生產(chǎn)商均在其官方網(wǎng)站提供元器件的電子選型手冊以及元器件的三維模型免費下載服務(wù)。這些服務(wù)可有效提高工程師進行元器件選型和工裝夾具三維建模的效率。課堂上引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生具備利用供應(yīng)商所提供的線上資源高效設(shè)計工裝夾具的能力。另外，課堂教學(xué)內(nèi)容囊括當(dāng)今工業(yè)機器人典型應(yīng)用中的工裝夾具設(shè)計案例，充分利用案例的示范引領(lǐng)作用培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)工業(yè)機器人的應(yīng)用場景設(shè)計工裝夾具的能力。

（二）促進專業(yè)知識有機融合，注重五大能力培養(yǎng)，貼近企業(yè)人才需求

《工業(yè)機器人工裝設(shè)計》課程作為一門面向機器人運用的設(shè)計類課程，主要涉及機械設(shè)計、工程材料、機械制造、計算機三維繪圖、氣壓傳動、傳感器技術(shù)以及PLC 控制技術(shù)等相關(guān)知識。課程內(nèi)容建設(shè)以專業(yè)知識精煉化、綜合化、體系化，實現(xiàn)各專業(yè)知識之間的有機融合為主要目標(biāo)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步具備五大能力：根據(jù)工業(yè)機器人的應(yīng)用場景確定工裝夾具方案的能力、機械零部件三維建模能力、機械標(biāo)準(zhǔn)件選型能力、氣動元件選型與氣路設(shè)計能力以及常用傳感器的選型能力，以適應(yīng)當(dāng)今企業(yè)對工業(yè)機器人專業(yè)的人才需求。

（三）構(gòu)建“項目體驗式、課堂實踐式、理實一體化”的教學(xué)模式

在課程教學(xué)過程中，以剖析工業(yè)機器人典型應(yīng)用中的工裝夾具設(shè)計案例為主要教學(xué)內(nèi)容，通過項目學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生掌握工業(yè)機器人工件夾緊方式的選擇原則和工裝夾具的設(shè)計步驟；增加課堂實踐，以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，讓學(xué)生從工程師的視角充分體驗工業(yè)機器人夾具設(shè)計的基本流程；以我校采購的工業(yè)機器人智能制造生產(chǎn)線為實訓(xùn)平臺，讓學(xué)生在觀摩機器人工作站實際工作流程的同時進一步加深對課堂上所學(xué)知識的理解?？傮w構(gòu)建“項目體驗式、課堂實踐式、理實一體化”的教學(xué)模式，實現(xiàn)課程教學(xué)與企業(yè)人才需求緊密銜接。

三、課程教學(xué)改革模探索

（一）以應(yīng)用為導(dǎo)向的項目體驗式教學(xué)

課堂教學(xué)內(nèi)容以工業(yè)機器人在智能建造、自動化上下料、搬運、焊接、裝配、打磨等自動化生產(chǎn)領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例為載體。在課堂上，首先以工業(yè)機器人相關(guān)應(yīng)用視頻為課堂導(dǎo)入，讓學(xué)生對工業(yè)機器人在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用有總體的認識。然后，對相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域典型的工業(yè)機器人工作站設(shè)計案例進行深入剖析：①首先講解案例中工業(yè)機器人工作站的設(shè)計需求；②以需求為導(dǎo)向系統(tǒng)分析案例中工業(yè)機器人工作站的系統(tǒng)組成與機器人的選型原則；③重點講解工件夾緊方式的選擇原則和工裝夾具的設(shè)計要點。使學(xué)生真正從項目應(yīng)用的角度和設(shè)計工程師的視角去系統(tǒng)理解不同應(yīng)用場景下工業(yè)機器人工作站及其工裝夾具的設(shè)計內(nèi)涵，幫助學(xué)生準(zhǔn)確把握各個特定應(yīng)用場景下工業(yè)機器人工作站的系統(tǒng)組成與夾具設(shè)計的異同點，從而使學(xué)生初步具備針對特定運用場景設(shè)計工業(yè)機器人工裝夾具的能力。

（二）以項目體驗式教學(xué)促進本課程所涉及的專業(yè)知識的有效融合

工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，不同應(yīng)用場景下的工業(yè)機器人工作站具有不同的工裝夾緊形式，例如機械夾緊、電動夾緊、氣動夾緊、真空吸附、永磁體吸附以及電磁吸附等等。另外，工業(yè)機器人工作站屬智能制造裝備，機器人工裝中需要安裝相應(yīng)傳感器以提供控制信號，從而通過可編程邏輯控制器（PLC）對機器人工作站的工作流程進行邏輯控制。因此，工業(yè)機器人工裝夾具的設(shè)計需要機械設(shè)計、機械制造、工程材料、氣壓傳動、電氣控制等多門課程知識作為支撐。把握本課程的這一特點，在對每個工業(yè)機器人典型應(yīng)用案例的剖析過程中，將相關(guān)機、電、氣相關(guān)知識系統(tǒng)地融入到夾具方案設(shè)計、零件設(shè)計（零件選材、零件加工工藝性分析以及零件表面處理）、工業(yè)機器人氣動元件選型與氣路設(shè)計、傳感器選型、工作站的邏輯控制流程等方面的講解當(dāng)中，既可讓學(xué)生系統(tǒng)把握所學(xué)專業(yè)知識之間的有機聯(lián)系，促進學(xué)生對專業(yè)知識的融會貫通，亦可讓學(xué)生感受到運用知識的樂趣，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有效提升課堂教學(xué)效果。

（三）以提升實踐能力為導(dǎo)向的課堂實習(xí)式教學(xué)

《工業(yè)機器人工裝設(shè)計》作為一門面向設(shè)計的應(yīng)用型專業(yè)課程，讓學(xué)生參與工業(yè)機器人工裝夾具的整個設(shè)計過程非常必要。在課堂上，對典型的工業(yè)機器人應(yīng)用案例進行深入剖析之后，讓學(xué)生利用三維繪圖軟件對工裝夾具中的零件進行三維建模。同時，引導(dǎo)學(xué)生利用氣動元件供應(yīng)商（如SMC、Festo、氣立可等）、機械標(biāo)準(zhǔn)件供應(yīng)商（MISUMI、盤起等）以及傳感器供應(yīng)商（SIEMENS、OMRON 等）所提供的電子選型手冊進行元器件選型，并利用線上選型軟件獲取相關(guān)元器件的3D 模型。在三維繪圖軟件中將機械零件3D 模型與相關(guān)機械標(biāo)準(zhǔn)件、氣動元件以及傳感器的3D 模型組裝成完整的工裝夾具。最后，采用三維繪圖軟件將機械零件的3D 圖轉(zhuǎn)換成2D 工程圖。學(xué)生高度參與的課堂實習(xí)式教學(xué)既有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，又能讓學(xué)生充分體驗設(shè)計工程師如何高效設(shè)計機電系統(tǒng)產(chǎn)品。通過課堂實踐讓學(xué)生提前體驗現(xiàn)代企業(yè)中機電系統(tǒng)的實際設(shè)計過程，有助于學(xué)生將來就業(yè)之后盡快完成由學(xué)生向工程師的角色轉(zhuǎn)變，以切合“新工科”培養(yǎng)面向企業(yè)需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

（四）理論學(xué)習(xí)和現(xiàn)場實訓(xùn)一體化教學(xué)

為配合智能制造專業(yè)的工業(yè)機器人相關(guān)課程的教學(xué)工作，我校采購了整套工業(yè)機器人智能制造實訓(xùn)平臺，如圖2 所示。工業(yè)機器人智能制造實訓(xùn)平臺由立體倉庫機器人取料工作站、數(shù)控機床自動化上下料機器人工作站，印章激光標(biāo)刻與裝配機器人工作站組成。讓學(xué)生在觀摩機器人工作站實際工作過程的同時進一步加深對工業(yè)機器人工作站的系統(tǒng)組成、工作流程以及夾具設(shè)計原則等知識的理解。另外，通過在機器人工作站現(xiàn)場為學(xué)生現(xiàn)場講解機器人工作站中所涉及的氣動技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC 控制技術(shù)，使學(xué)生能夠更深刻地理解氣動夾具的氣路設(shè)計準(zhǔn)則、傳感器工作原理以及PLC 控制技術(shù)對機器人工作站各部分的調(diào)度作用。實現(xiàn)將工業(yè)機器人工作站現(xiàn)場實訓(xùn)和課堂理論教學(xué)相結(jié)合，從而有效解決以往課程教學(xué)中理論與實踐嚴(yán)重脫節(jié)的問題。

圖2 工業(yè)機器人智能制造實訓(xùn)平臺

四、總結(jié)

今年是我國“十四五”規(guī)劃的開局之年，未來五年，我國將著力聚焦高端制造和智能制造。預(yù)計到2025 年，工業(yè)機器人領(lǐng)域的人才缺口將擴大至450 萬人[6]。在機器人專業(yè)人才缺口不斷增長的同時，企業(yè)對該專業(yè)人才的能力亦提出了更高要求。如何培養(yǎng)符合企業(yè)需求的應(yīng)用型工程技術(shù)人才成為應(yīng)用型高校機器人專業(yè)教學(xué)改革的重點。本文以《工業(yè)機器人工裝設(shè)計》課程為例，討論了該課程目前存在的不足，在此基礎(chǔ)上從課程內(nèi)容、知識體系融合、教學(xué)模式三個方面對該課程的教學(xué)改革提出一些建議，其目的在于以企業(yè)實際項目案例為載體，以工業(yè)機器人工裝夾具設(shè)計的五大核心能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以專業(yè)知識體系融合為導(dǎo)向，以課堂實踐和工業(yè)機器人智能制造平臺實訓(xùn)為手段，啟發(fā)學(xué)生全面構(gòu)建面向工業(yè)機器人工裝設(shè)計的知識體系，從工程師的視角體驗并掌握不同應(yīng)用場景下工業(yè)機器人工裝夾具的設(shè)計原則和設(shè)計要點?？傮w構(gòu)建“項目體驗式、課堂實習(xí)式、理實一體化”的課程教學(xué)模式，以切合“新工科”培養(yǎng)面向企業(yè)需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。