摘要：本論文針對機器人工程方向人才培養(yǎng)目標(biāo)，并結(jié)合《機械設(shè)計課程設(shè)計》課程自身的特點，從課程設(shè)計的選題、內(nèi)容、教學(xué)方法手段、考核四個方面對工業(yè)機器人方向的《機械設(shè)計課程設(shè)計》課程的開設(shè)提出了一系列的改革措施。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計； 改革 ；工業(yè)機器人 ；實踐

一、引言

對于傳統(tǒng)的機械類專業(yè)而言，《機械設(shè)計課程設(shè)計》是一門繼《機械設(shè)計》后的一門實踐類課程。一般院校的設(shè)計對象基本都是減速器。當(dāng)然，對于普通的機械專業(yè)的學(xué)生而言，減速器的設(shè)計可以達到訓(xùn)練目的。但是對于工業(yè)機器人方向而言，傳統(tǒng)的課程設(shè)計對象不能滿足學(xué)生的訓(xùn)練要求。為此，課程組針對工業(yè)機器人方向的課程設(shè)計做了一些改革和探索。

二、工業(yè)機器人方向相關(guān)機械知識的特點

工業(yè)機器人方向的人才培養(yǎng)方案要求學(xué)生掌握機器人機構(gòu)設(shè)計、機器人工作站設(shè)計、機器人機械系統(tǒng)設(shè)計等機器人集成設(shè)計知識模塊內(nèi)容。

該方向關(guān)于機械方面的知識要求是，掌握機器人最基本的單元抓手、移動機構(gòu)、單機的單元設(shè)計。能夠合理選擇方案，確定各機構(gòu)的傳動系統(tǒng)，方案的節(jié)拍時間計算，各機構(gòu)的驅(qū)動功率計算各主要受力構(gòu)件的計算等。

學(xué)習(xí)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計，手部機構(gòu)設(shè)計，機器人移動機構(gòu)設(shè)計、機器人機械系統(tǒng)單機綜合設(shè)計等內(nèi)容，是機器人機械系統(tǒng)設(shè)計實訓(xùn)、系統(tǒng)集成等實踐的重要理論教學(xué)依據(jù)。通過針對機器人機械系統(tǒng)，機器人典型機構(gòu)進行理論講解，展開對工業(yè)機器人的傳動、機身、臂部、手腕等理論計算與詳細設(shè)計，同時綜合工程案例進行實踐能力練習(xí)，達到預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)。使學(xué)生對機器人機械設(shè)計理論與實際設(shè)計有一定的認(rèn)識，在實際設(shè)計中能根據(jù)市場條件、根據(jù)客戶的需求，提出自己的解決方法、表達自己的設(shè)計思路。掌握基本的機器人機械系統(tǒng)設(shè)計工作方法，達到從事實際技術(shù)工作的能力水平。

三、課程選題改革

區(qū)別于課程設(shè)計傳統(tǒng)的選題——減速器。針對工業(yè)機器人的特點和工業(yè)機器人方向人才培養(yǎng)方案的要求，一般來說，作為本科生，設(shè)計機器人本體是不可能的，并且一般來說，機器人本體一般不變。工程上，為了適應(yīng)不同的工業(yè)生產(chǎn)需求，一般都是在現(xiàn)有的本體上，安裝不同的末端工具。同時，為了滿足生產(chǎn)過程中的不同路徑需求，對于底座也會有所改動。

因此，對于工業(yè)機器人方向，課程設(shè)計的選題可以是機器人末端工具和底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計。如下面的選題：托鏟式機器人抓手設(shè)計、吸取式機器人抓手設(shè)計、夾爪式機器人抓手設(shè)計、移動式底座設(shè)計、水平移動機構(gòu)設(shè)計、垂直移動機構(gòu)設(shè)計。

選題方式上也從傳統(tǒng)的老師指派式改為引導(dǎo)式。在任務(wù)書中，不再給出設(shè)計對象（末端工具或底座）方案，在設(shè)計任務(wù)中老師只給出工作站的工作要求，當(dāng)然，還要給出工作站的布局方案。每個學(xué)生的設(shè)計任務(wù)都不同，要么是工作要求不一樣，要么是參數(shù)有區(qū)別。

要求學(xué)生自己根據(jù)給定條件，查閱資料，選題選方案。這種方式，避免了學(xué)生之間的相互抄襲，也從根源上促進學(xué)生獨立思考。

四、設(shè)計內(nèi)容的改革

除了題目與傳統(tǒng)的不一樣之外，其設(shè)計內(nèi)容與傳統(tǒng)的減速器也有所不同。對于末端夾手設(shè)計，一般需要確定抓手主要參數(shù)、方案確定與機器人選擇、機器人抓手運動過程及拍時間校核、機器人載荷校核、氣缸選型（一般是氣動）、抓手主要部件校核對于底座設(shè)計，一般需要確定移動底座主要參數(shù)，方案確定與機器人運動過程及節(jié)拍時間校核、驅(qū)動、傳動選擇計算、軸承選型計算、底座主要部件設(shè)計校核。

以托鏟式抓手設(shè)計為例，具體說明其設(shè)計內(nèi)容與過程。

（一）實例-托鏟式抓手設(shè)計內(nèi)容與過程

1.設(shè)計需求分析

設(shè)計一種機器人末端工具，應(yīng)用于生產(chǎn)線上抓取紙箱，具體要求如下：

①前端物料為2條線，單線產(chǎn)能為12.7箱/分鐘；

②紙箱規(guī)格為350×270×120（mm），紙箱質(zhì)量約為5kg；

③托盤大小為1200×1000×150（mm），其中1200mm方向為進叉方向；

④垛型要求：每層11箱，共10層。

碼垛的排列方式如圖1所示。

2.抓手形式確定

常見的抓手形式有四種：吸取式機器人抓手、吸取式機器人抓手、抓取式機器人抓手、夾板式機器人抓手。

分析四種類型抓手的優(yōu)缺點，選取托鏟式比較合適。采用半層抓手抓取，兩次抓取完成一層碼垛紙箱的叉取和碼放；每一次叉取4箱，第二次叉取7箱，交替進行，平均每次叉取5.5箱；碼垛垛形：共10層，每層11箱，每垛110箱。

動作流程是：叉取部分伸出托住紙箱、壓板部分下壓，護住紙箱方向，防止紙箱位置變動、壓板部分上移，松開紙箱、叉取部分縮回，放下紙箱、叉取部分伸出托住紙箱，如此循環(huán)。

3.機器人選型與節(jié)拍校核

與傳統(tǒng)的減速器不同，設(shè)計抓手，需要在選好機器人的基礎(chǔ)之上進行。所以，教師要給學(xué)生先提供機器人所在工作站的空間布局圖。

在此，根據(jù)布局圖，確定機器人工作范圍為直徑Φ6.3m的圓形；臂展為3.15m。機器人負(fù)載抓取物料質(zhì)量為35kg，抓手質(zhì)量為135kg，因而機器人負(fù)載：35+135=170kg。將機器人放入布局圖中，選擇底座高度，使機器人能在高度方向上滿足使用需求。選取IRB660-250型號機器人。機器人各軸動作所用的時間，在計算時為了提高可靠性，一般取機器人最大速度的80%。

機器人抓手運動過程中各步驟時間：

①從原點到抓取位上方t1；舉例：1軸轉(zhuǎn)動30°左右、2軸轉(zhuǎn)動15°左右（1、2軸最大速度一致，且同時動作，1軸轉(zhuǎn)動角度比2軸大，所以計算用時取1軸用時，為提高可靠性，計算動作用時一般取機器人最大速度的80%）：t1＝30/95/0.8＝0.395s＝395ms。

②慢速到達抓取位t2；

③抓取后慢速提升t3；

④從抓取位上方到碼垛位上方t4；

⑤慢速到達放置位t5；

⑥放置后慢速提升t6；

⑦從放置位上返回原點t7；

⑧叉取氣缸伸出用時t8；

⑩壓箱氣缸伸出用時t9；

?壓箱氣缸縮回用時t10；

?叉取氣缸縮回用時t11。

抓手完成一次碼垛叉取、放置用時：

機器人抓取頻率：

節(jié)拍時間校核：fz≥5次/min。

機器人載荷校核：

叉取紙箱時：機器人的手腕法蘭面距物料重心位置距離是398mm。（載荷170kg）

無紙箱時：重心向一側(cè)偏移200mm。（載荷135kg）

對照機器人載荷說明圖，向下0.4，向右0，機器人允許載荷為210kg，大于170kg；向下0.4，向右0.2，對應(yīng)機器人允許載荷是210kg，大于135kg。

故符合機器人使用要求。

4.托鏟式機器人抓手推箱氣缸選擇及校核

一般來說，抓手的動力源為氣動，所以相對減速器，抓手設(shè)計更多的是選氣缸，而不是電機。氣缸根據(jù)所需夾爪力計算，選型，然后進行校核，并確定工作壓力。

托鏟式機器人抓手在工作中，通過推箱氣缸帶動托桿前后移動：推箱氣缸帶動托桿向前移動時，托桿插入要碼垛的紙箱下面完成叉起工作；推箱氣缸帶動托桿向后移動時，紙箱落在垛堆上完成碼垛。

此為紙箱與托桿之間的摩擦力，就是所需的夾爪力。

此為滑塊與直線導(dǎo)軌之間最大摩擦力。

氣缸需要克服的力計算：

選擇推箱氣缸型號為：DGC-40-600-G-PPV-A （FESTO無桿氣缸，缸徑D=?40mm）

系統(tǒng)工作壓力：P＝0.4MPa

5.托桿選擇及校核

傳統(tǒng)的減速器設(shè)計，一般都是對圓形截面的傳動軸進行校核設(shè)計。而抓手的主要部件截面形狀不一，各種各樣的型材都有。如此拖桿的截面形狀就是一個空心矩形。型號為H30×B15×t1.5；材質(zhì)304不銹鋼；許用應(yīng)力[δ]＝118MPa；數(shù)量n＝14。

抗彎截面系數(shù)為：

慣性矩為：

求得拖桿總壓力：

拖桿最大彎矩為：

求得：

故符合使用要求。

（二）教學(xué)模式改革

籌建理實一體化的設(shè)計室。學(xué)校有機器人實訓(xùn)室一間，自動化實驗室一間。將工業(yè)機器人方向的課程設(shè)計室設(shè)置在這兩個實驗室旁邊。改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法（老師講解，學(xué)生設(shè)計）。

首先帶學(xué)生參觀機器人實訓(xùn)室和自動化實驗室，引導(dǎo)學(xué)生觀察機器人不同類型末端工具的工作方式、結(jié)構(gòu)特點，并幫助學(xué)生拆裝末端抓手。對著正在工作的生產(chǎn)線講解底座是如何配合機器人實現(xiàn)一系列動作規(guī)劃的。讓學(xué)生首先對設(shè)計對象有一個定性的概念。

然后讓學(xué)生先分析相關(guān)設(shè)計需求和參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生查閱機器人手冊，選取合適的機器人。

傳統(tǒng)的設(shè)計方式是邊計算邊畫二維草圖。在此，推薦學(xué)生采用如下流程：先繪制二維方案圖，后面一邊計算設(shè)計，一邊借助SolidWorks軟件對設(shè)計對象進行三維建模。畢竟，三維模型相對二維圖形而言，更直觀，更容易檢查出錯誤。更重要的是，這些建好的三維模型可以用于后期的課程——機器人仿真實驗。這些抓手如果有比較好的創(chuàng)新，可以直接用這些模型參加相關(guān)大賽，申報專利，一舉多得。如果建模過程中，經(jīng)過校核發(fā)現(xiàn)有誤，可以應(yīng)用軟件的智能尺寸直接修改驅(qū)動。這些機器人末端工具的三維模型經(jīng)校核無誤后，直接生成二維工程圖。

（三）考核方式改革

1.常規(guī)考核

課程設(shè)計以五級制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）計分，正常的考核方式是綜合考查學(xué)生平常的表現(xiàn)（包括考勤、查閱資料），獨立設(shè)計的能力和學(xué)生的項目設(shè)計計算水平（包括圖紙、設(shè)計說明書、答辯情況）。

2.課賽通融

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，真正體現(xiàn)學(xué)以致用的原則。設(shè)定滿足下列條件的學(xué)生可以免修（錄入成績良好）該門課。

①在機器人創(chuàng)意大賽中取得國家級三等獎及以上；

②共融機器人挑戰(zhàn)賽（機械臂組取得國家級三等獎及以上）。

課程組教師在教研活動中每學(xué)期開展兩次教研活動：專門探討機器人行業(yè)賽、省級賽和國家級大賽的比賽規(guī)程、任務(wù)設(shè)計、評判標(biāo)準(zhǔn)等要素，不斷豐富可以以賽代考的賽事。

五、結(jié)束語

我校從2017年開始工業(yè)機器人方向，對該屆學(xué)生的課程設(shè)計教學(xué)按照論文所述選題到內(nèi)容，到指導(dǎo)方式，到考核方式進行改革。其他專業(yè)方向的機械設(shè)計課程設(shè)計還是采用傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和模式。從學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽、就業(yè)競崗三方面來看，工業(yè)機器人方向的學(xué)生在做結(jié)構(gòu)方面的畢業(yè)設(shè)計時，得心應(yīng)手，上手很快，畢業(yè)論文質(zhì)量較高。在學(xué)科競賽中，機器人方向的學(xué)生一枝獨秀，獨領(lǐng)風(fēng)騷，在很多賽事上多次獲獎。該方向?qū)W生的就業(yè)崗位非常多，就業(yè)率達到95%以上。從這些事實可以看出，該課程設(shè)計的改革是非常成功的。

作者單位：陳愛平 畢思 李皓 肖科星 嚴(yán)育才

武昌工學(xué)院 智能制造學(xué)院

參" 考" 文" 獻

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基金項目：本文系“2021年武昌工學(xué)院教學(xué)改革研究項目”（項目編號2021JY32）和“湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科研創(chuàng)新團隊項目”項目（項目編號：T201833）的研究成果。

陳愛平（1980-），女，湖北武漢人，副教授，研究方向為力學(xué)，結(jié)構(gòu)設(shè)計。