韓銳

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省蘇州市 215411

1 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，越來(lái)越多的生產(chǎn)加工型企業(yè)意識(shí)到引入全自動(dòng)智能化生產(chǎn)線(xiàn)的重要性，特別是在電子3C、食品工業(yè)等勞動(dòng)力密集型企業(yè)，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用更為突出，突如其來(lái)疫情更是加劇了社會(huì)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的人才需求量增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2025 年高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的人才缺口在450 萬(wàn)人，為此很多高校開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人、智能制造類(lèi)的課程，然而做為一個(gè)多學(xué)科融合的新專(zhuān)業(yè)，高校對(duì)于此類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的建設(shè)仍然處于初期的探索之中，尚未形成一個(gè)完整的課程體系。目前很多高校仍然沿用傳統(tǒng)的機(jī)電類(lèi)教學(xué)模式，在課程設(shè)置上僅僅將工業(yè)機(jī)器人作為一門(mén)新課傳授，并沒(méi)有真正的實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)電課程向智能制造課程的轉(zhuǎn)型。這樣的課程設(shè)置直接導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)點(diǎn)缺乏了解和認(rèn)知，在理論和實(shí)踐層面僅僅停留在工業(yè)機(jī)器人的簡(jiǎn)單操作和使用階段，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)作機(jī)機(jī)制缺乏了解，在真實(shí)的實(shí)踐過(guò)程中難以靈活運(yùn)用機(jī)器人解決實(shí)際問(wèn)題，造成所學(xué)與所用脫節(jié)的情況。針對(duì)上述問(wèn)題，在新工科背景下實(shí)施多軸工業(yè)機(jī)器人課程開(kāi)發(fā)與教學(xué)改革尤為必要。以工程項(xiàng)目為引領(lǐng)，采用案例教學(xué)形式，通過(guò)整合電氣、機(jī)械課程中的相關(guān)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)一臺(tái)多軸工業(yè)機(jī)器人，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，培養(yǎng)和拓展學(xué)生的綜合職業(yè)能力。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)緊緊圍繞工程中實(shí)際應(yīng)用的多軸工業(yè)機(jī)器人展開(kāi)，分為機(jī)械本體和電氣控制兩個(gè)部分，如圖1 所示。其中機(jī)械本體包含五個(gè)模塊，主要聚焦工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械框架搭建，考慮到電氣部分的安裝調(diào)試，機(jī)械部分應(yīng)預(yù)留相應(yīng)的接口，以便后續(xù)驅(qū)動(dòng)單元的接線(xiàn)和安裝。電氣控制同樣也由五個(gè)模塊組成，主要解決機(jī)器人算法控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)問(wèn)題，為整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力支持，此部分包含一套完整的電氣設(shè)計(jì)過(guò)程，完成該部分的設(shè)計(jì)可使學(xué)生對(duì)機(jī)器人的實(shí)際控制有一個(gè)深刻的理解。

圖1 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的總體設(shè)計(jì)

首先機(jī)械本體圍繞工業(yè)機(jī)器人的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)，學(xué)生首先需要查閱相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)資料，理解機(jī)器人的基本構(gòu)造和動(dòng)作功能。在此過(guò)程中，教師可以給出一些具體的工程實(shí)踐案例，學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況完成機(jī)器人的整體布局設(shè)計(jì)，形成整體的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)教師和學(xué)生共同評(píng)定可行后，再計(jì)算所需要的零部件尺寸、機(jī)械強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇合適的部件完善設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮后續(xù)的電氣接口問(wèn)題，避免出現(xiàn)電氣組件無(wú)法安裝的情況。上述一系列設(shè)計(jì)完成后，學(xué)生需要根據(jù)軟件生成的物料清單，完成機(jī)械部分的搭建調(diào)試工作。其次電氣控制系統(tǒng)則圍繞機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)展開(kāi)，主體控制采用PLC 與運(yùn)動(dòng)控制器相結(jié)合的方式進(jìn)行。電氣控制選取PLC 控制實(shí)踐與電力拖動(dòng)兩門(mén)課程的相關(guān)內(nèi)容，融合多軸工業(yè)機(jī)器人相應(yīng)的控制算法，調(diào)試機(jī)器人按照操作人員的指令有規(guī)律的進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)。

3 課程教學(xué)實(shí)施

課程教學(xué)模塊分機(jī)械本體與電氣控制，兩個(gè)部分既相互關(guān)聯(lián)，又相互融合，均采取資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查、評(píng)價(jià)六步教學(xué)法進(jìn)行課程的教學(xué)組織與實(shí)施。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械本體的設(shè)計(jì)任務(wù)如圖2 所示，學(xué)生首先查閱相關(guān)資料，完成機(jī)械部分的資訊收集工作。在確定工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)方向后，師生針對(duì)收集到的目標(biāo)信息列出相應(yīng)的執(zhí)行計(jì)劃并根據(jù)計(jì)劃要求對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)予以實(shí)施，完成實(shí)施后由教師對(duì)整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查和評(píng)價(jià)。

圖2 機(jī)械本體式樣

作為一個(gè)相對(duì)成熟的工業(yè)產(chǎn)品，市面上有很多工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)可供學(xué)生進(jìn)行參考和選擇。針對(duì)眾多機(jī)器人生產(chǎn)廠(chǎng)家，可選擇從其中一家入手。通過(guò)瀏覽廠(chǎng)家網(wǎng)站，查閱機(jī)器人相關(guān)選型樣冊(cè)，了解該廠(chǎng)家機(jī)器人產(chǎn)品的樣式和設(shè)計(jì)特征。對(duì)于同一個(gè)機(jī)器人廠(chǎng)家出現(xiàn)的不同產(chǎn)品型號(hào)類(lèi)型，可以從其中一個(gè)系列入手，思考比較不同系列機(jī)器人的優(yōu)秀和不足之處。在完成一系列的選型和比較之后，學(xué)生確定自己喜歡的工業(yè)設(shè)計(jì)樣式，并針對(duì)自己選擇的樣式進(jìn)行進(jìn)一步的資訊收集工作。在樣式選型這個(gè)資訊收集環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)考慮自身的實(shí)際設(shè)計(jì)能力：即在選型時(shí)將自身設(shè)計(jì)條件納入考慮范圍之內(nèi)。不應(yīng)考慮過(guò)于復(fù)雜的機(jī)器人設(shè)計(jì)樣式，以免后期在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)一系列自身無(wú)法解決的設(shè)計(jì)問(wèn)題，使最后的教學(xué)任務(wù)無(wú)法完整進(jìn)行下去。

在完成樣式風(fēng)格的資訊收集后，學(xué)生根據(jù)自己的樣式選擇，搜索產(chǎn)品相關(guān)的性能參數(shù)。不同于前期的樣式選擇，參數(shù)選擇部分應(yīng)將重心放在工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際性能指標(biāo)。例如：工作范圍，載重負(fù)荷這些與機(jī)器人實(shí)際作業(yè)息息相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品運(yùn)行參數(shù)。在這一部分的資訊收集過(guò)程中，學(xué)生會(huì)面臨很多新的性能指標(biāo)術(shù)語(yǔ)，部分沒(méi)有學(xué)過(guò)的術(shù)語(yǔ)可能會(huì)給學(xué)生造成很大的迷惑進(jìn)而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并分散學(xué)生的注意力。針對(duì)此種情況，可以采取分組討論輔以教師指導(dǎo)的方法予以解決。即針對(duì)簡(jiǎn)單、容易理解的術(shù)語(yǔ)，在資訊收集環(huán)節(jié)中鼓勵(lì)學(xué)生相互討論。在討論過(guò)程中循序漸進(jìn)的啟發(fā)學(xué)生理解此術(shù)語(yǔ)在當(dāng)前情境的具體含義。對(duì)于比較復(fù)雜的詞匯，教師應(yīng)當(dāng)先補(bǔ)充相關(guān)術(shù)語(yǔ)理解所需的材料和說(shuō)明，再鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行討論和交流。特別復(fù)雜且對(duì)設(shè)計(jì)沒(méi)有實(shí)質(zhì)影響的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生暫時(shí)忽略此術(shù)語(yǔ)，以保證課堂任務(wù)的有序進(jìn)行。資訊收集是后續(xù)步驟實(shí)施的前提條件，這一部分應(yīng)該給予足夠的時(shí)間以保證此部分教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量。

在完成資訊收集任務(wù)后，機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)入實(shí)際的實(shí)施環(huán)節(jié)。此部分的教學(xué)實(shí)施過(guò)程，教師可以從最基本的底座繪制入手，通過(guò)講解底座的繪制方法，幫助學(xué)生熟悉繪圖軟件并教會(huì)他們基本制圖指令的使用方法，從簡(jiǎn)單的圓形、矩形繪制入手，在繪圖過(guò)程中重點(diǎn)講解平面圖形轉(zhuǎn)三維圖形的操作方法，期間穿插一些圖形尺寸的標(biāo)注方法。通過(guò)一系列有計(jì)劃的引導(dǎo)和決策，幫助學(xué)生掌握CAD 軟件的使用方法，引導(dǎo)他們自主完成剩余部件的繪制工作。在整個(gè)教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中，教師可根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況拓展教授一些相關(guān)的機(jī)械工程技術(shù)知識(shí)，并針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的如強(qiáng)度不足等問(wèn)題和學(xué)生進(jìn)行討論，引導(dǎo)學(xué)生理解諸如加筋設(shè)計(jì)，強(qiáng)度分析等改進(jìn)措施。完成上述的設(shè)計(jì)分析后，機(jī)械本體設(shè)計(jì)進(jìn)入最后的檢查和評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，教師根據(jù)學(xué)生給出的設(shè)計(jì)方案對(duì)學(xué)生做出客觀公正的評(píng)價(jià)，并就生成的物料清單及設(shè)計(jì)圖紙展開(kāi)分析討論，對(duì)后續(xù)可能出現(xiàn)的缺陷提出改進(jìn)意見(jiàn)并進(jìn)行修改，最終對(duì)生成的加工圖紙進(jìn)行留存供課程評(píng)價(jià)時(shí)使用。

3.2 電氣控制設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為任務(wù)解析、參數(shù)計(jì)算、電氣安裝、編程調(diào)試和系統(tǒng)驗(yàn)證等五個(gè)工序，分步進(jìn)行，具體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 電氣設(shè)計(jì)流程圖

電控設(shè)計(jì)主要目的是為工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械部分提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，使機(jī)械裝置能夠按照操作人員的指示完成相應(yīng)的動(dòng)作流程。為了達(dá)成上述目標(biāo)，電控設(shè)計(jì)需要根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需要的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在得到具體參數(shù)數(shù)值后，挑選合適的器件進(jìn)行安裝，并編寫(xiě)相應(yīng)的程序進(jìn)行調(diào)試驅(qū)動(dòng)。上述目標(biāo)完成后便可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的系統(tǒng)驗(yàn)證以確保工業(yè)機(jī)器人能夠正常運(yùn)行。

電機(jī)參數(shù)的選型計(jì)算在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人電氣設(shè)計(jì)部分顯得尤為重要，這關(guān)系著機(jī)器人是否有能力執(zhí)行控制器發(fā)出的指令參數(shù)，在這一部分的計(jì)劃決策過(guò)程中，學(xué)生需要根據(jù)機(jī)器人的受力分析以及旋轉(zhuǎn)速度選擇合適的電機(jī)。就教學(xué)流程而言，教師可從常見(jiàn)的電機(jī)講起，引導(dǎo)學(xué)生思考不同電機(jī)在執(zhí)行定位驅(qū)動(dòng)上的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)不同類(lèi)型電機(jī)的比較，讓學(xué)生了解每種電機(jī)的具體運(yùn)動(dòng)特性，最后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)機(jī)器人的受力情況和運(yùn)動(dòng)需求選取合適的電機(jī)。在課程的實(shí)施過(guò)程中，講解應(yīng)結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用案例進(jìn)行，盡量避免講解一些過(guò)于冷門(mén)的電機(jī)知識(shí)和使用技巧，使學(xué)生糾結(jié)于電機(jī)的具體特定參數(shù)上，從而影響整個(gè)課程的上課進(jìn)度。

電氣安裝是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，這一部分涉及到電氣元件的選型和設(shè)備安裝調(diào)試。在前期的資訊采集過(guò)程中，學(xué)生需要對(duì)常見(jiàn)的電氣控制元件有所了解，包括基本的電路知識(shí)，這部分可采用復(fù)習(xí)回顧的方式完成。在選型安裝調(diào)試過(guò)程中，電機(jī)控制器的選擇是需要重點(diǎn)關(guān)注的。這個(gè)在決策部分可以通過(guò)提供不同的電機(jī)控制器型號(hào)，讓學(xué)生比較了解各個(gè)電機(jī)的實(shí)際性能差距，進(jìn)而形成一個(gè)有效的解決方案。相比前期的計(jì)劃決策而言，實(shí)施部分較為簡(jiǎn)單，電氣設(shè)計(jì)的制圖軟件選擇性較多，學(xué)生可以選擇一個(gè)自己熟悉的軟件進(jìn)行圖紙的繪制工作從而完成整個(gè)電路的搭建、評(píng)估和分析。

程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電氣編程調(diào)試的重點(diǎn)和難點(diǎn)，要求學(xué)生根據(jù)電氣設(shè)計(jì)的總體要求，完成操作模式，參數(shù)控制，設(shè)備監(jiān)視，機(jī)器人操作五個(gè)功能，具體設(shè)計(jì)界面如圖4 所示。

圖4 電氣設(shè)計(jì)樣式

在教學(xué)操作過(guò)程中，教師需要結(jié)合前面已經(jīng)完成的機(jī)器人機(jī)械實(shí)例，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要完成整個(gè)機(jī)器人程序的編寫(xiě)。首先教師需要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，有針對(duì)性的選擇電機(jī)種類(lèi)并指導(dǎo)學(xué)生選用相應(yīng)的電機(jī)控制方法完成程序的編寫(xiě)工作。其次在硬件條件滿(mǎn)足的情況下，要求每位學(xué)生實(shí)地參與到電機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置工作中來(lái)。程序的編寫(xiě)實(shí)施過(guò)程需要學(xué)生查閱PLC 編程手冊(cè)和電機(jī)控制參數(shù)手冊(cè)，完成電機(jī)，觸摸屏，PLC 的組態(tài)配置工作。在此過(guò)程中教師應(yīng)根據(jù)實(shí)際已有的設(shè)備情況講授相應(yīng)的電機(jī)控制方法，避免出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容過(guò)于抽象學(xué)生無(wú)法理解的情況。

3.3 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)驗(yàn)證的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的機(jī)器人進(jìn)行功能檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括但不限于算法驗(yàn)證，功能實(shí)現(xiàn)以及動(dòng)力學(xué)的改進(jìn)優(yōu)化。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)卡頓狀況為例，在教與學(xué)的過(guò)程中，從機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣優(yōu)化兩個(gè)方面驗(yàn)證分析，一是機(jī)械設(shè)計(jì)上考慮優(yōu)化夾爪的安裝位置，重新選擇機(jī)械連接件進(jìn)行安裝；二是電氣設(shè)計(jì)上，考慮優(yōu)化程序運(yùn)行過(guò)程中的插補(bǔ)算法從而改變機(jī)械本體運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，進(jìn)而達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)自如的目的。程序部分采用腳本測(cè)試的方式進(jìn)行，即針對(duì)程序設(shè)計(jì)中調(diào)用和編寫(xiě)的程序模塊，通過(guò)給出限定范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)值，測(cè)試是否出現(xiàn)程序崩潰的情況。不同于純計(jì)算機(jī)程序的腳本測(cè)試方法，由于機(jī)器人的設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械本體，在測(cè)試之前應(yīng)預(yù)先在系統(tǒng)里設(shè)定機(jī)器人的盲區(qū)和撞擊范圍。測(cè)試時(shí)系統(tǒng)應(yīng)規(guī)避這些區(qū)域，避免對(duì)機(jī)器人本體造成損壞。一個(gè)可以良好運(yùn)行的程序需要開(kāi)發(fā)人員反復(fù)調(diào)試才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程需要任課教師有足夠的耐心并進(jìn)行細(xì)心的指導(dǎo)。如果時(shí)間允許還可以進(jìn)一步拓展機(jī)器人相關(guān)的控制算法知識(shí)，指導(dǎo)有能力的學(xué)生對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的思考學(xué)習(xí)和優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)是在新工科背景下，充分利用仿真技術(shù)將機(jī)械與電氣的各種技術(shù)知識(shí)運(yùn)用于工程實(shí)踐項(xiàng)目的具體體現(xiàn)，解決了工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式存在的弊病，有效地加深學(xué)生對(duì)于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行機(jī)制的理解和運(yùn)用能力。實(shí)踐表明，多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)相融合式的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)施在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情的同時(shí)，不僅解決了理論與實(shí)踐脫節(jié)問(wèn)題，而且切實(shí)提升了實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)質(zhì)量。