新工科背景下应用型本科院校“工业机器人”实训课程教学改革探索与实践.pdf

IM人才培养 Talent Development124 2024年第1期新工科背景下应用型本科院校“工业机器人”实训课程教学改革探索与实践殷欣，吴伟才，张倩（武昌首义学院机电与自动化学院，湖北 武汉 430064）摘要：为了适应新工科背景下应用型本科院校的教学需求，本文从学习难点、教师背景、教材和教学设备等方面分析了当前“工业机器人”实训课程教学现状，提出了从调整学习要求、调整学习内容、成立专业实训室、改革教育教学方法和组建教学团队等方面进行了“工业机器人”实训课程的教学改革，构建了专业级、学科级和综合性的实践教学等多层次的机器人教育贯通式实践教学体系，有效地补充了院校开展实训的手段，加快院校学科建设的进程，培养学生的学习兴趣，拓展学生的创新思维和能力，进而促进工业机器人实训课程的教育教学改革和创新。关键词：智能制造；工业机器人；实践教学；教学设计；课程教学改革中图分类号：G642.3文献标志码：A1引言国家于 2015 年出台了中国制造 2025纲领，这对于我国传统制造业的产业结构调整是一个重要的机会，智能制造作为制造业数字化转型的一个重要标签，自然而然地受到了企业和高校的重视，而具备适应智能化发展需要的复合型人才是确保将中国制造 2025任务得以完成的基础1。发展智慧制造业的一个重要目标便是促进中国的传统制造业朝着高智能领域发展，即是以工业机器人为典型的智能制造领域为重点，大力发展智慧制造业技术与产业，逐步发展形成高端设备制造业和智能机器人等新的产业项目2-3。随着中国制造 2025行动计划的不断深入，中国已经涌现出了一大批工业机器人研发生产、综合运用的先进制造业企业，把工业机器人研究与教育人才的需求推上了新的层次。2017 年以来，我国高等教育主管部门多次组织工作，积极探索新形势下适合于新技术发展的工科培养新途径，积极推动新型工科培养，不断推进中国工程高等教育变革，努力探索建立领先于世界工程高等教育体系的模式与实践，积极助力建设高等教育强国4。新型工科的培养模式将具备以行业发展为主导、体现新时代特征、内容新颖而多样、各学科间贯通、多主体积极参与、面向未来自主发展和全面凸显创新能力的特点5-7。努力构建大学工科建设的基金项目：2020 年湖北高校省级教学研究项目“基于 OBE 理念的地方高校两纵三横新工科特色培养模式探索”（2020727）Talent Development 人才培养IM投稿网站： 2024年第1期 125框架，以促进学校从传统专业引领转为行业应用引领、从学科分割转为跨领域交流结合、从适应服务转为技术支撑引领8-9。“工业机器人”实训是机器人工程专业的专业课，也是机电学科相关专业的核心实践环节。在教学实践中，鉴于理论教学与实践教学环节存在不匹配的问题10-11，本文将重点介绍在金工实训环节中，在“工业机器人”课程实训的实践教学中如何通过虚拟仿真实训和实操实训，以提高学生在适应新工科发展背景下对应用型本科院校智能制造要求的工程教育的实践能力与技术创新能力。2工业机器人课程的教学现状 2.1学习难点分析“工业机器人”课程作为一个交叉性课程，涉及的知识点覆盖面较广，但基础知识却相对抽象，注重将理论和实际运用紧密结合，包括了机器人构造、运动算法、功能设计、控制编程和技术实践等理论，而实际运用则包括了机器人基础认知、机械系统拆装、轨迹示教程序和虚拟仿真实训等。但因为各个专业的本科生所选择的前装学科基础课内容有所不同，使其对课程中各方面的理解与掌握水平产生了差别。比如自动化（智能制造方向）的基础课，没有开展过机器人设计、机械设计方面的有关课程，在选择了自动化机器人装配方向后，由于对机器人系统的基本组成和认识欠缺，实际掌握困难度偏大；但机械、机电类专业学生，在掌握机器人的传感控制技术、操作程序等方面，接受的程度大大不如自动化类专业学生。因此，对于机械、机电类专业，教师应着重加强学生动手编程能力的实训。2.2缺乏具有工程应用背景的专任教师工业机器人作为智能制造领域中的先进技术，从事相关工作的技术人员大多是机电专业出身，而高等院校主要作为培养理论人才的教育机构，缺乏具有实际工程应用背景的有较高理论知识和实践经验的专任教师，虽然可以通过校企合作进行操作培训和假期短期实践，提高教师的实践操作水平，但缺少真正工程项目的直接参与，对工业机器人应用场景的理解停留在表面，授课过程常常浅尝辄止，反而加重学生的学习难度。2.3教材陈旧，重理论轻实践 目前出版发行的含有工业机器人实践内容的教材，一般包含在金工实训教材中，教材内容还是以传统金工实训内容为主，涉及到工业机器人方面的知识内容陈旧，主要偏重机器人应用的简单介绍，或者是着重在理论教学，比如重在机器人运动学、动力学方面等知识的传授，缺少适用于实践型本科生的教材。理论创新是缓慢的过程，加上教材的编写一般都有一定的周期，如果教师按照教材进行讲授，便无法传授工业机器人快速发展的最新技术。另外，教材内容缺乏典型的工程案例，特别是缺乏案例剖析，与学校现有实训实践的设备一般不匹配，过多的是设计方法的粗略介绍，没有涉及到具体的站点设计。2.4缺少可供学生操作的教学设备 鉴于智能制造实训室建设成本较高，除基建成本外，高昂的设备费用令各高校在配置工业机器人时捉襟见肘，在教学过程中仅有理论讲解及视频教学等手段，缺乏实操训练平台，难以激发学生学习新技术的兴趣。3工业机器人课程的教学改革3.1调整学习要求根据不同专业的特点设计出符合学生专业特性的实训方案。比如，针对机械制造、机械电子工程、机器人等机械类专业学生，工业机器人运动学、传感器和控制部分的学习只需作为了解，着重强调机器人编程技术的实际操作应用，如码垛搬运及轨迹描绘等。3.2优化课程内容由于应用型院校的主要培养任务是培养现场技术人员，因此在教学中细化了理论教学内容。以 HSR-JR603为例，在进行机器人应用的讲解过程中，通过着重讲述六轴串联工业机器人运动方式，使学生了解工业机器人的操作流程中各关节动作和末端工作坐标系统位姿变换之间的关联；通过教师对工作坐标系和刀具坐标系的调整确定，使学生逐步掌握工业机器人的工作坐标系确定与操作；通过课堂教学中的工业机器人程序设计，从工作平面上实现电机单元的水平移动过程和平面方块的移动过程，再移植到学习调整工作刀具坐标系并实现斜面移动过程的方法中，进而使学生能够初步掌握智能控制的程序设计。3.3成立专业实训室成立智能制造与工程训练中心，依据新工科专业的人才培养需求，建设工业机器人拆装实训室、工业机器人多功能平台、工业机器人焊接（弧焊）工作站和虚拟IM人才培养 Talent Development126 2024年第1期仿真与实训实训室等。通过在工业机器人拆装实训室进行基础认知的实践，学生能够更加快速地理解工业机器人的基本构造特征、组成、技术参数和使用范围。通过工业机器人多功能实训平台，学生能够完成工业机器人的基本动作操作、坐标系标定、曲线描绘和码垛等基本操作。利用虚拟仿真系统与实训室，学生能够仿真自动化工业机器人的使用环境，从而增加实操人员使用熟练度，并减少实操生产成本。利用工业机器人焊接（弧焊）工作站，学生能够实现自动化机器人焊接工作站的基本操作和工作站方案设计的研究。3.4改革教育教学方法配合课程改革，以成立智能制造与工程训练中心为契机，引入工业机器人企业资源，通过教学内容调整，配合现有教学设施，引入适合本校学生特点的应用型本科教材，配合企业提供的现有机器人实训操作手册，在每次工业机器人授课前，先讲授约 2 课时的理论知识，然后再进行实训操作示范教学。学生实操过程中，遇到问题可随时向老师请教。最后，学生分组进行实操演练和考核，促进全体学生都能够了解基本的机器人理论和实操。例如在机器人拆装虚拟仿真实训中，完成仿真机械拆卸与安装，并完成电气的安装；仿真实训完成后，考评系统对所进行的仿真实训进行考核，记录考核成绩。在完成工业机器人几种典型应用的有关课程学习之后，部分学有余力的学生组成团队设计弧焊机器人、码垛机器人等工作站系统的方案。3.5组建智能制造教学团队多批次向社会吸纳多位具备工程背景的学科老师进行实践性学习，开发与实习系统配套的实习操作指导书。依靠智能制造工程训练中心积极开展社会服务，将实践项目反馈至日常实际学习流程中，充实课程内容，提升教师的学科素质水平。开展智能制造实训与实践培训班，对从事实践教学的教师进行工业机器人操作编程、虚拟仿真智能制造加工等方面的培训，使其掌握最新的工业机器人应用的基本案例，拓展其教学水平的提高，培养一批具有工业机器人先进教学能力和实训能力的专业 教师。4构建多层次工业机器人贯通式实践教学体系4.1专业级的课程实践教学在本级实践教学中，主要教育形式是机器人的认知实训与综合实训。以“工业机器人工程应用”教学为例，通过视频教学，教师加以拓展，学生可快速熟悉工业机器人的基本概念、类型特点及应用范围等，从而增强对工业机器人工程的初步认知。在课后，实训教师可引导学生参观实训区，包括从实训室用于已拆装教学的工业机器人设备、智能制造产线、焊接机器人等现代工厂实际生产场景中的设备，学生可以简单操控工业机器人，从而加深学生对工业机器人的基本概念和工作原理的理解；学生们通过基本的实践操作，逐步掌握工业机器人的一般控制技术，也学会对工业机器人各关节运动方向的有效控制，并且建立起对工业机器人系统设计原理及控制方法的初步认知。此种授课方式，解决了传统“工业机器人技术”纯理论讲解的弊端，由于学生可亲自动手实操、亲身感知，可激发学生学习兴趣，开拓其工程应用能力的视野。4.2学科级的课程实践教学实训 1：基础性实训教学。对应内容：接触工业机器人，让学生对工业机器人系统进行初步认识，熟悉工业机器人的基本结构和性能；结合理论知识和现有的教学实训设备，掌握工业机器人五种坐标的定义与使用范围，如工件坐标、工具坐标、关节坐标和世界坐标，掌握工业机器人坐标切换；熟练掌握机器人编程运行命令，进一步掌握操作命令的意义、变量、使用与识别等；熟练掌握工业机器人 I/O 接口设计，并掌握 I/O 指令的使用，包括“do”“wait”指令等。实训 2：工业机器人模块的仿真拆装实训。本实训是以熟悉工业机器人本体的组成、功能和控制方法为主要目的，具体实训内容：六轴串联工业机器人及其各关节的驱动模块、传动模块的特点；通过电气原理图实现所有电气单元和线路的正确配置，并了解工业机器人中各电气线路的正确配置方法和过程，关键是理解和掌握电气原理图；在拆装过程中可能碰到的常见问题及其解决方法。该系统使用某公司开发的工业机器人拆装平台的仿真软件，学生可在该系统的训练模式下完成工业机器人拆卸、机器人安装和电气安装等仿真培训。为了对学生仿真实训结果进行考评，授课教师也可在该系统的考核模式下对学生进行仿真实训效果考核检验。工业机器人机电装调平台作为学生拆装实训操作的平台，对学生的实操能力进行检验，可让学生真实接触和触摸到机器人，亲自动手拆装机器人，了解机器Talent Development 人才培养IM投稿网站： 2024年第1期 127人结构和运行规律，同时也是对理论课程的一种检验。对应的虚拟仿真拆装实训系统和机电拆装平台如图 12 所示。图 1工业机器人虚拟仿真拆装实训系统图 2工业机器人机电装调平台实训 3：工业机器人码垛搬运控制实训。实训目的是在工业机器人多功能实训操作平台上完成码垛搬运实训，熟悉工业机器人系统分析和控制的方法，促进学生知识点的综合运用。实训内容：工业机器人的系统结构分析；工业机器人的运动学与动力学分析；工业机器人的轨迹规划与搬运作业控制；工业机器人码垛循环搬运。在上述实践课程的设计上充分考虑学生对课程基础教学内容的认识、了解与把握，不仅对实训 1 的基本实践课程知识点进行了夯实，还对实训 2 的工业机器人仿真拆装效果得到了巩固，并结合了机械学科中的设计能力的实践，任务量较大。同时对学生而言，也再次获得了对知识的融会贯通的机会。工业机器人多功能实训操作平台如图 3 所示。图 3工业机器人多功能实训操作平台4.3综合性的课程实践教学该实训平台包含智能制造产线工程虚拟仿真实训系统和智能制造产线，分别如图 4 和图 5 所示。虚拟仿真实训系统是一款能够进行虚拟产线生产加工仿真的多功能教学与训练平台系统，有认知、设计、装调与运维等训练模块，丰富教学内容，可支持多学生、多工位学习。通过产线认知、原理认证及仿真实训操作，让学生深刻理解什么是智能制造，如何利用工业机器人等进行辅助加工制造。虚拟仿真系统通过 3D 技术在虚拟空间中真实地还原了智能制造产线的生产加工环境，使学生能够在构建的产线场景中通过相关的操作任务，完成五轴数控车床基本操作、加工编程和机器人运行控制等多类型的学习任务，掌握数控机床、工业机器人、PLC 和 RFID 等设备的基本使用方法，实现对智能制造产线的生产运行驱动具备基本的认知。该平台系统采用任务驱动的方式来学习，让学生在任务操作中进行相关知识内容的学习；通过学练一体化的训练模式进行单项学习和练习；通过自由训练模式对生产流程进行个性化的设计，使学生不仅能够进行知识技能的学习，还能够对智能制造产线进行自主的流程设计。学生在虚拟仿真环境下编程，将所编程序拷贝至智能制造产线实训平台，进行合适的简单调试，即可进行真实工业产品的数控加工与制造。虚拟仿真实训使学生通过虚拟仿真系统模拟，对工业机器人实现关节的检测、末端执行器控制和路径计算等，进一步加深了对人工智能技术基础知识的掌握，提高实际动手能力和创新能力。该系统通过集成多种设备的虚拟仿真，有效地补充和拓展了学校开展实训的手段，促进教育教学的改革和创新。IM人才培养 Talent Development128 2024年第1期另外，学生通过协同配合完成智能制造产线实训平台功能编程，通过 MES 软件进行产线设备复位，将生产订单下发控制产线完成机器人料仓取料并读写 RFID、数控车床上下料、加工中心上下料、料仓放料并读写 RFID 流程运行。图 4智能制造理实一体化虚拟仿真实训平台图 5智能制造产线实训平台5结束语本文通过分析当前新工科背景下应用型本科院校工业机器人实训教学中存在的问题，从教学现状、教学内容及教学软硬件等方面进行探索，提出了具有创新性和系统性的实践教学新模式，构建了多层次的工业机器人虚实结合的贯通式实践教学体系。实践教学结果表明：实践教学体系具有可行性和可操作性，增强了学生的学习兴趣和工程应用能力，提高了学生的动手能力和创新能力，促进了学生灵活运用科学理论知识的综合能力，实践教学体系具有较强的实用性和可操作性。同时，贯通式实践教学激发了学生对工业机器人学习的热情，提高了教学效果，促进工业机器人实践教学的改革和创新。参考文献1 董霞，李晶，梅雪松智能制造与新工科背景下机器人技术课程教学改革实践研究与探索 J中国现代教育装备，2020(19)：52-552 陈冰，李时春面向智能制造的机械工程专业人才培养探究 J机械职业教育，2018(1)：24-253 李茂国，朱正伟工程教育范式：从回归工程走向融合创新 J中国高教研究，2017(6)：30-364 韦慧玲智能制造背景下应用型本科院校“工业机器人”教学改革探讨 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