強(qiáng)紅賓 王聯(lián) 丁力 單文桃 巢淵江蘇理工學(xué)院 江蘇 常州 213000

引言

2015年我國(guó)為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略提出了“中國(guó)制造2025”計(jì)劃，2017年教育部提出“新工科”建設(shè)計(jì)劃，要求我國(guó)高校要能夠培養(yǎng)出有創(chuàng)造力、有良好工程意識(shí)的畢業(yè)生。

“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐”課程是機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)綜合性、實(shí)踐性和工程性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)核心課，是大學(xué)生鍛煉創(chuàng)造力、工程實(shí)際能力與綜合能力的主要環(huán)節(jié)。改實(shí)踐涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、力學(xué)、電學(xué)、伺服電機(jī)、傳感器、自動(dòng)控制等多方面的基礎(chǔ)知識(shí)。一般在學(xué)習(xí)“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”、“機(jī)器人測(cè)試技術(shù)”等專(zhuān)業(yè)課程基礎(chǔ)之后開(kāi)設(shè)。因此，該課程主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用能力及技術(shù)創(chuàng)新能力。

1 工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)踐課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，該實(shí)訓(xùn)課程一般是對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行示教路徑規(guī)劃、PLC編程等，對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)用，沒(méi)有根據(jù)需求對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)，不能培養(yǎng)工程應(yīng)用能力，對(duì)工程意識(shí)的培養(yǎng)有不利影響，具有主題單調(diào)，缺乏創(chuàng)新。缺乏團(tuán)隊(duì)合作、設(shè)計(jì)不完整，缺乏整體意識(shí)的缺點(diǎn)[1-2]。

2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐項(xiàng)目式教學(xué)方法

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐主要目標(biāo)是對(duì)多門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程進(jìn)行綜合，使機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生能夠?qū)C(jī)械、機(jī)器人、控制系統(tǒng)有整體感受。基于項(xiàng)目式教學(xué)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐[3-4]，涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)及項(xiàng)目實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐實(shí)施過(guò)程

2.1 明確任務(wù)

允許學(xué)生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行自主選題，既拓展項(xiàng)目范圍，又提高學(xué)生興趣，給其充分想象空間，使其學(xué)會(huì)獨(dú)立思考[5]。綜合實(shí)踐項(xiàng)目可以為六自由度機(jī)器人、Delta機(jī)器人、挖掘機(jī)器人、三自由度碼機(jī)器人等，其驅(qū)動(dòng)方式可以為電液伺服驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)或氣動(dòng)。由于實(shí)際工業(yè)機(jī)器人的造價(jià)高、復(fù)雜性大，對(duì)學(xué)生機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐來(lái)說(shuō)完成難度大、費(fèi)用高、不利于實(shí)施，因此本次改革提出，學(xué)生在真實(shí)工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上建立一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的比例模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作與裝配，但控制系統(tǒng)仍然采用真實(shí)的工業(yè)控制器，如EPEC控制器、西門(mén)子S700PLC等。因此，學(xué)生的項(xiàng)目任務(wù)為：①根據(jù)工程任務(wù)需求選定一款工業(yè)機(jī)器人；②設(shè)定其工作空間、負(fù)載能力、額定功率等性能指標(biāo)，并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行等比縮??；③小組任務(wù)分工，每項(xiàng)任務(wù)保證至少有2個(gè)學(xué)生參與，保證每項(xiàng)任務(wù)都經(jīng)過(guò)小組討論后做出決定。

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

對(duì)于比例縮小的機(jī)械系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，首先應(yīng)用專(zhuān)業(yè)核心課程內(nèi)容，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人工作空間來(lái)確定機(jī)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)負(fù)載能力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，非標(biāo)結(jié)構(gòu)件主要包括機(jī)器人的機(jī)械臂、底座、夾具等，標(biāo)準(zhǔn)件主要包括軸承、緊固件、齒輪、導(dǎo)軌等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以采用《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以采用ANSYS等軟件進(jìn)行受力分析。對(duì)于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力可以采用ADAMS等軟件進(jìn)行功率校核。通過(guò)分析、校核，機(jī)械結(jié)構(gòu)合格后，對(duì)非標(biāo)結(jié)構(gòu)件繪制工程圖紙。對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人工作順序、定位精度等來(lái)確定工業(yè)機(jī)器人控制方法、控制參數(shù)等。

2.3 項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)三維模型、二維圖紙對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工、制作、裝配。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件直接進(jìn)行采購(gòu)，對(duì)于簡(jiǎn)單的零件可根據(jù)二維圖紙直接進(jìn)行加工，對(duì)于復(fù)雜的零件可以用3D打印機(jī)制造。目前，實(shí)驗(yàn)室3D打印機(jī)可滿(mǎn)足學(xué)生自行打印。最終對(duì)機(jī)械加工件、3D打印件、標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行裝配、完成工業(yè)機(jī)器人的本體制作。此外，對(duì)工業(yè)機(jī)器人電路系統(tǒng)進(jìn)行連接，并根據(jù)工作順序?qū)I(yè)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，根據(jù)不同控制器編寫(xiě)PLC、C語(yǔ)言等運(yùn)動(dòng)控制程序，最終完成工業(yè)機(jī)器人整體安裝調(diào)試。

2.4 評(píng)估檢查

基于項(xiàng)目式教學(xué)的機(jī)器人綜合實(shí)踐，以項(xiàng)目考核與以賽代考的形式進(jìn)行考核。調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鍛煉學(xué)生綜合分析解決問(wèn)題的能力，為在機(jī)器人競(jìng)賽獲得優(yōu)異成績(jī)打下基礎(chǔ)，提高學(xué)生的機(jī)器人應(yīng)用能力與就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，以適應(yīng)社會(huì)與產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)器人創(chuàng)新人才的需求。在評(píng)估的過(guò)程中，學(xué)生首先進(jìn)行自評(píng)和組內(nèi)互評(píng)，依次保證組內(nèi)學(xué)生之間的公平性，然后進(jìn)行教師評(píng)閱。對(duì)于本組學(xué)生撰寫(xiě)報(bào)告，包括項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的具體過(guò)程，如機(jī)器人項(xiàng)目的選擇、方案設(shè)計(jì)過(guò)程、項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決辦法、最終項(xiàng)目展示以及整體過(guò)程中項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與分享。

3 綜合實(shí)踐舉例

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施流程，對(duì)一組基于挖掘機(jī)器人項(xiàng)目的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示，具體過(guò)程如下：

圖2 挖掘機(jī)器人課程實(shí)踐

3.1 明確任務(wù)

本組學(xué)生認(rèn)為，隨著“一帶一路”政策的實(shí)施，其在不斷推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而挖掘機(jī)器人是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必不可少的工程機(jī)械，因此研究與開(kāi)發(fā)挖掘機(jī)器人具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因以“挖掘機(jī)器人課程實(shí)踐”作為項(xiàng)目任務(wù)。課題選定后，學(xué)生對(duì)挖掘機(jī)器人進(jìn)行具體的調(diào)查，了解其工作原理和各部件結(jié)構(gòu)，教師帶領(lǐng)同學(xué)參觀卡特CAT306小型挖掘機(jī)器人的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程或相關(guān)視頻。通過(guò)調(diào)查和參觀，學(xué)生對(duì)挖掘機(jī)有一定的了解。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)原型確定縮放比例，獲得項(xiàng)目參數(shù)，如表1所示。

表1 項(xiàng)目任務(wù)參數(shù)

3.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

對(duì)挖掘機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人表1所示的工作空間來(lái)確定工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)，動(dòng)臂總長(zhǎng)716mm，斗桿總長(zhǎng)462mm，動(dòng)臂電動(dòng)推桿行程150mm，斗桿電動(dòng)推桿行程200mm，鏟斗使電動(dòng)推桿行程150mm。確定挖掘機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)后，根據(jù)鏟斗1.8L的負(fù)載能力，對(duì)挖掘工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括非標(biāo)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件的選型。采用Solidworks建立三維模型，并采用ADAMS等軟件進(jìn)行功率校核，最終繪制工程圖紙?？刂葡到y(tǒng)采用西門(mén)子S700PLC，對(duì)其進(jìn)行單臂動(dòng)作、雙臂聯(lián)合動(dòng)作、三臂聯(lián)合動(dòng)作編程，并能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)3種典型挖掘動(dòng)作。

3.3 項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)二維圖紙對(duì)挖掘機(jī)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，對(duì)于履帶、螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行采購(gòu)，完成工業(yè)機(jī)器人本體制作。對(duì)挖掘機(jī)器人電路系統(tǒng)進(jìn)行連接，并根據(jù)工作順序?qū)I(yè)機(jī)器人進(jìn)行編程，最終完成挖掘機(jī)器人整體安裝調(diào)試。

3.4 評(píng)估檢查

基于Solidworks制作動(dòng)畫(huà)、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算及項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程。首先進(jìn)行學(xué)生自評(píng)和組內(nèi)互評(píng)，然后教師根據(jù)報(bào)告進(jìn)行評(píng)閱。通過(guò)此次的實(shí)踐課程可以將機(jī)器人專(zhuān)業(yè)理論課程的相關(guān)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來(lái)使學(xué)生對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電子、電氣控制的軟硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程有全面的了解，使學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)的基本方法，提高其分析問(wèn)題和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，將專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容有機(jī)而系統(tǒng)地結(jié)合起來(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于項(xiàng)目式教學(xué)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐，充分考慮的實(shí)際工程項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)工業(yè)實(shí)際機(jī)器人進(jìn)行比例縮放，進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、裝配及調(diào)試，讓學(xué)生全面了解工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)過(guò)程，行程一個(gè)有機(jī)整體，且最大限度的綜合本專(zhuān)業(yè)核心課程、鍛煉學(xué)生了的實(shí)踐能力。該基于項(xiàng)目式教學(xué)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合課程實(shí)施后，學(xué)生普遍反映工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)踐課程的效果比以前有所提高。