摘要：针对目前工业机器人专业存在的课程知识点设置分散，理论与技能应用分离的情况，提出了一种基于工业机器人集成设计的教学改革方案。该方案以工业机器人实训课程为支点，通过融合机械与电气方面的相关知识和技能，帮助学生全方位掌握工业机器人课程的知识点架构，为日后从事工业机器人设计与应用以及智能制造相关工作奠定稳固的基础。
关键词：工业机器人；实训课程；教学设计；实境教学
1引言
近年来，随着社会的发展和时代的进步，越来越多的生产加工型企业意识到引入全自动智能化生产线的重要性，特别是在电子3C、食品工业等劳动力密集型企业，工业机器人的运用更为突出，突如其来疫情更是加剧了社会对于工业机器人专业的人才需求量增加。据统计，2025年高档数控机床和机器人的人才缺口在450万人，为此很多高校开设了工业机器人、智能制造类的课程，然而做为一个多学科融合的新专业，高校对于此类专业课程的建设仍然处于初期的探索之中，尚未形成一个完整的课程体系。目前很多高校仍然沿用传统的机电类教学模式，在课程设置上仅仅将工业机器人作为一门新课传授，并没有真正的实现传动机电课程向智能制造课程的转型。这样的课程设置直接导致工业机器人专业的学生对专业课程知识点缺乏了解和认知，在理论和实践层面仅仅停留在工业机器人的简单操作和使用阶段，对机器人的运作机机制缺乏了解，在真实的实践过程中难以灵活运用机器人解决实际问题，造成所学与所用脱节的情况。针对上述问题，在新工科背景下实施多轴工业机器人课程开发与教学改革尤为必要。以工程项目为引领，采用案例教学形式，通过整合电气、机械课程中的相关知识，指导学生自己设计一台多轴工业机器人，在提升学生学习兴趣的同时，培养和拓展学生的综合职业能力。
2总体结构设计
课程设计紧紧围绕工程中实际应用的多轴工业机器人展开，分为机械本体和电气控制两个部分，如图1所示。其中机械本体包含五个模块，主要聚焦工业机器人的机械框架搭建，考虑到电气部分的安装调试，机械部分应预留相应的接口，以便后续驱动单元的接线和安装。电气控制同样也由五个模块组成，主要解决机器人算法控制和电机驱动相关问题，为整个机器人的运转提供动力支持，此部分包含一套完整的电气设计过程，完成该部分的设计可使学生对机器人的实际控制有一个深刻的理解。首先机械本体围绕工业机器人的零部件结构设计展开，学生首先需要查阅相关的机械设计资料，理解机器人的基本构造和动作功能。在此过程中，教师可以给出一些具体的工程实践案例，学生根据实际情况完成机器人的整体布局设计，形成整体的设计方案，经教师和学生共同评定可行后，再计算所需要的零部件尺寸、机械强度等设计参数，选择合适的部件完善设计方案。设计过程中，应充分考虑后续的电气接口问题，避免出现电气组件无法安装的情况。上述一系列设计完成后，学生需要根据软件生成的物料清单，完成机械部分的搭建调试工作。其次电气控制系统则围绕机器人运动设计展开，主体控制采用PLC与运动控制器相结合的方式进行。电气控制选取PLC控制实践与电力拖动两门课程的相关内容，融合多轴工业机器人相应的控制算法，调试机器人按照操作人员的指令有规律的进行作业活动。
3课程教学实施
课程教学模块分机械本体与电气控制，两个部分既相互关联，又相互融合，均采取资讯、计划、决策、实施、检查、评价六步教学法进行课程的教学组织与实施。
3.1机械结构设计
机械本体的设计任务如图2所示，学生首先查阅相关资料，完成机械部分的资讯收集工作。在确定工业机器人设计方向后，师生针对收集到的目标信息列出相应的执行计划并根据计划要求对整个设计予以实施，完成实施后由教师对整个教学环节进行检查和评价。3.1.1工业机器人机构资讯收集。作为一个相对成熟的工业产品，市面上有很多工业机器人设计可供学生进行参考和选择。针对众多机器人生产厂家，可选择从其中一家入手。通过浏览厂家网站，查阅机器人相关选型样册，了解该厂家机器人产品的样式和设计特征。对于同一个机器人厂家出现的不同产品型号类型，可以从其中一个系列入手，思考比较不同系列机器人的优秀和不足之处。在完成一系列的选型和比较之后，学生确定自己喜欢的工业设计样式，并针对自己选择的样式进行进一步的资讯收集工作。在样式选型这个资讯收集环节，学生应考虑自身的实际设计能力：即在选型时将自身设计条件纳入考虑范围之内。不应考虑过于复杂的机器人设计样式，以免后期在设计过程中出现一系列自身无法解决的设计问题，使最后的教学任务无法完整进行下去。在完成样式风格的资讯收集后，学生根据自己的样式选择，搜索产品相关的性能参数。不同于前期的样式选择，参数选择部分应将重心放在工业机器人的实际性能指标。例如：工作范围，载重负荷这些与机器人实际作业息息相关的工业产品运行参数。在这一部分的资讯收集过程中，学生会面临很多新的性能指标术语，部分没有学过的术语可能会给学生造成很大的迷惑进而降低学生的学习兴趣并分散学生的注意力。针对此种情况，可以采取分组讨论辅以教师指导的方法予以解决。即针对简单、容易理解的术语，在资讯收集环节中鼓励学生相互讨论。在讨论过程中循序渐进的启发学生理解此术语在当前情境的具体含义。对于比较复杂的词汇，教师应当先补充相关术语理解所需的材料和说明，再鼓励学生进行讨论和交流。特别复杂且对设计没有实质影响的技术术语，教师应当引导学生暂时忽略此术语，以保证课堂任务的有序进行。资讯收集是后续步骤实施的前提条件，这一部分应该给予足够的时间以保证此部分教学环节的教学质量。3.1.2机械设计计划与实施。在完成资讯收集任务后，机器人机械设计进入实际的实施环节。此部分的教学实施过程，教师可以从最基本的底座绘制入手，通过讲解底座的绘制方法，帮助学生熟悉绘图软件并教会他们基本制图指令的使用方法，从简单的圆形、矩形绘制入手，在绘图过程中重点讲解平面图形转三维图形的操作方法，期间穿插一些图形尺寸的标注方法。通过一系列有计划的引导和决策，帮助学生掌握CAD软件的使用方法，引导他们自主完成剩余部件的绘制工作。在整个教学实施的过程中，教师可根据实际教学情况拓展教授一些相关的机械工程技术知识，并针对设计过程中可能出现的如强度不足等问题和学生进行讨论，引导学生理解诸如加筋设计，强度分析等改进措施。完成上述的设计分析后，机械本体设计进入最后的检查和评价环节，教师根据学生给出的设计方案对学生做出客观公正的评价，并就生成的物料清单及设计图纸展开分析讨论，对后续可能出现的缺陷提出改进意见并进行修改，最终对生成的加工图纸进行留存供课程评价时使用。
3.2电气控制设计
电控系统设计分为任务解析、参数计算、电气安装、编程调试和系统验证等五个工序，分步进行，具体设计如图3所示。电控设计主要目的是为工业机器人的机械部分提供驱动动力，使机械装置能够按照操作人员的指示完成相应的动作流程。为了达成上述目标，电控设计需要根据机械设计的要求对机器人运动所需要的电机参数进行计算，在得到具体参数数值后，挑选合适的器件进行安装，并编写相应的程序进行调试驱动。上述目标完成后便可进入下一环节的系统验证以确保工业机器人能够正常运行。3.2.1电机参数选型计算。电机参数的选型计算在整个工业机器人电气设计部分显得尤为重要，这关系着机器人是否有能力执行控制器发出的指令参数，在这一部分的计划决策过程中，学生需要根据机器人的受力分析以及旋转速度选择合适的电机。就教学流程而言，教师可从常见的电机讲起，引导学生思考不同电机在执行定位驱动上的优缺点，通过不同类型电机的比较，让学生了解每种电机的具体运动特性，最后引导学生根据机器人的受力情况和运动需求选取合适的电机。在课程的实施过程中，讲解应结合实际的工程应用案例进行，尽量避免讲解一些过于冷门的电机知识和使用技巧，使学生纠结于电机的具体特定参数上，从而影响整个课程的上课进度。3.2.2安装选型与调试。电气安装是实现机器人运动的重要环节，这一部分涉及到电气元件的选型和设备安装调试。在前期的资讯采集过程中，学生需要对常见的电气控制元件有所了解，包括基本的电路知识，这部分可采用复习回顾的方式完成。在选型安装调试过程中，电机控制器的选择是需要重点关注的。这个在决策部分可以通过提供不同的电机控制器型号，让学生比较了解各个电机的实际性能差距，进而形成一个有效的解决方案。相比前期的计划决策而言，实施部分较为简单，电气设计的制图软件选择性较多，学生可以选择一个自己熟悉的软件进行图纸的绘制工作从而完成整个电路的搭建、评估和分析。3.2.3程序设计与实现。程序结构设计是电气编程调试的重点和难点，要求学生根据电气设计的总体要求，完成操作模式，参数控制，设备监视，机器人操作五个功能，具体设计界面如图4所示。在教学操作过程中，教师需要结合前面已经完成的机器人机械实例，指导学生根据需要完成整个机器人程序的编写。首先教师需要根据学生的实际情况，有针对性的选择电机种类并指导学生选用相应的电机控制方法完成程序的编写工作。其次在硬件条件满足的情况下，要求每位学生实地参与到电机相关参数的设置工作中来。程序的编写实施过程需要学生查阅PLC编程手册和电机控制参数手册，完成电机，触摸屏，PLC的组态配置工作。在此过程中教师应根据实际已有的设备情况讲授相应的电机控制方法，避免出现教学内容过于抽象学生无法理解的情况。
3.3系统验证
系统验证的教学目标是要求学生对已经构建好的机器人进行功能检验和设计优化，包括但不限于算法验证，功能实现以及动力学的改进优化。针对工业机器人运动过程中出现卡顿状况为例，在教与学的过程中，从机械设计和电气优化两个方面验证分析，一是机械设计上考虑优化夹爪的安装位置，重新选择机械连接件进行安装；二是电气设计上，考虑优化程序运行过程中的插补算法从而改变机械本体运转轨迹，进而达到运转自如的目的。程序部分采用脚本测试的方式进行，即针对程序设计中调用和编写的程序模块，通过给出限定范围内的随机数值，测试是否出现程序崩溃的情况。不同于纯计算机程序的脚本测试方法，由于机器人的设计涉及到机械本体，在测试之前应预先在系统里设定机器人的盲区和撞击范围。测试时系统应规避这些区域，避免对机器人本体造成损坏。一个可以良好运行的程序需要开发人员反复调试才能实现，这个过程需要任课教师有足够的耐心并进行细心的指导。如果时间允许还可以进一步拓展机器人相关的控制算法知识，指导有能力的学生对机器人的设计进行进一步的思考学习和优化。
4结语
工业机器人实训课程设计是在新工科背景下，充分利用仿真技术将机械与电气的各种技术知识运用于工程实践项目的具体体现，解决了工业机器人专业课程实训教学模式存在的弊病，有效地加深学生对于工业机器人运行机制的理解和运用能力。实践表明，多学科知识点相融合式的工业机器人教学实施在激发学生学习兴趣和创新热情的同时，不仅解决了理论与实践脱节问题，而且切实提升了实训课程的教学质量。
作者:韩锐 单位:苏州健雄职业技术学院
