《机器人焊接技术》新型教学体系探讨

 　摘要：随着焊接机器人产业的大力发展，越来越多的企业用焊接机器人替代焊工，对机器人焊接技术人才产生迫切需求。这就使得高校需要顺应形势，开展或加强《机器人焊接技术》课程，同时还需要改变传统的教学模式，提高培养质量。本文在传统教学模式基础上引入离线编程机器人仿真技术，并重新设计《机器人焊接技术》教学体系，将离线编程机器人仿真技术融入教师仿真演示、学生上机实习、学生机器人实验和课程设计中。从而在不大量增加实际机器人的基础上，使学生操作、使用机器人的时间大大增加，并以任务驱动方式促使学生应用所学，掌握机器人应用技能，最终满足企业人才需要。 
　　【中图分类号】G712 
　　1. 引言 
　　随着我国人口红利下降，国家提出工业机器人产业发展战略和"中国制造2025"，越来越多的企业采用机器人替代工人。焊接机器人在所有工业机器人应用比率高达50%左右，机器人产业蓬勃发展的同时，对焊接机器人技术人才的需求也大大增加，也对高校人才培养提出了更高要求[1]。 
　　受通才教育影响，很多高校焊接专业并入"材料加工工程"专业或"机械工程"专业，对焊接专业课的课时也大大压缩[1]。虽然目前许多高校又逐步恢复焊接专业或模块，但很多焊接高校中并未有开展《机器人焊接技术》课程，这与企业需求和国家发展形势是不相符的。我校在全国高校中较早开展《机器人焊接技术》课程，但是在教学实践中，也发现有必要改变传统的教学模式，提高教学效果。 
　　焊接机器人技术是一门理论性、实践性较强的课程，涉及电工电子、控制、图像处理、机电一体化、机械设计、焊接工艺与设备等多学科知识。以往的机器人焊接技术教学主要是"课堂讲授"加"机器人实验"的模式。其存在的首要问题是教学与应用脱节，学生没有足够的时间接触、应用机器人，所学仅仅是停留在书本知识，难以理论联系实际，难以建立机器人解决焊接问题的思维，人才培养质量欠佳。 
　　2. 引入离线编程仿真程序 
　　图 1 仿真焊接机器人工作站系统 
　　机器人离线编程是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务[3]。随着计算机技术的发展，以往需要在计算机工作站或服务器上运行的机器人离线编程仿真程序已能在一般PC机上运行，这给焊接机器人教学改革带来了契机。通过在传统课堂教学基础上引入仿真技术，设计项目，实施交互式教学，可极大提高学生兴趣、专注度和主动性、更好地掌握焊接机器人专业知识，锻炼学生动手能力，促进高水平人才的培养，并为类似课程的教学积累经验和成果，如图 1所示。。 
　　ABB机器人的Robot Studio是一款优秀的机器人仿真软件，适用于机器人寿命周期各个阶段[4]。它可在实际构建机器人系统前进行设计和试运行，还可利用该软件确认机器人是否能到达所有编程位置。且ABB机器人仿真程序能直接应用于实际系统，具有较好的实用性。故本课程选用其作为仿真工具。 
　　2.1 新型教学体系改革思路 
　　如前所述，大部分高校焊接仍属于材料加工工程专业或机械工程专业，实施宽口径教学。目前《机器人焊接技术》主要是选修课程，安排32个学时。 
　　引入机器人离线编程仿真技术后，需要对课程教学体系做如下修改： 
　　（1）在课堂授课中添加仿真软件教学环节；花2个学时让学生熟悉软件的基本功能，其余软件功能穿插到机器人课堂讲授中。 
　　（2）在理论教学中，引入仿真演示，条件满足甚至可以在计算机房中教学。 
　　（3）针对学生增加计算机实习，构建仿真任务，驱动学生应用所学完成。 
　　（4）在实验教学中增加离线编程与实际机器人衔接的环节，同时增加焊缝跟踪的实验。 
　　2.2 教学体系内容设计 
　　对于焊接专业学生学习焊接机器人来说，主要是应用焊接机器人技术，而不是设计焊接机器人。故对机器人运动学、机器人动力学等偏理论的课程以理解为主。本教学系统的设计一方面通过构建三维演示动画，提高学生感官刺激。另外，采用交互式教学和项目驱动教学方法，设计学生用计算机实习仿真项目，驱动学生应用所学知识完成任务。授课内容安排如表1所示。 
　　3. 结论 
　　本文探讨了在《机器人焊接技术》中引入仿真技术，并对理论教学、上机实习，内容安排进行了重新规划。在规划中，注重项目驱动，仿真软件的教学。从而使教学效果得到极大提高。