機(jī)器人焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)的應(yīng)用研究

序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了一篇機(jī)器人焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)的應(yīng)用研究范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中，已成為先進(jìn)制造業(yè)中不可或缺的重要裝備和技術(shù)，承擔(dān)著搬運(yùn)、焊接、噴涂、碼垛等多種工作，焊接機(jī)器人作為應(yīng)用最多的工業(yè)機(jī)器人，占據(jù)著近四分之一的份額，對制造業(yè)有著非常重要的作用。我國在機(jī)器人焊接教育方面師資薄弱，起步晚，雖然許多職業(yè)院校為了適應(yīng)企業(yè)對焊接技術(shù)技能型人才的需求開設(shè)了機(jī)器人焊接相關(guān)課程，但因焊接機(jī)器人設(shè)備價(jià)格昂貴等原因，在實(shí)踐教學(xué)過程中難以做到一人一機(jī)的實(shí)操練習(xí)，很多學(xué)校甚至僅有一兩臺焊接機(jī)器人或沒有焊接機(jī)器人。因此，針對高職院校焊接專業(yè)實(shí)訓(xùn)條件的局限性、實(shí)訓(xùn)設(shè)備缺乏等現(xiàn)狀，引入ROBOGUIDE仿虛擬仿真教學(xué)軟件可以省去了部分硬件的購買。一方面實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的合理分配，降低了教學(xué)成本；另一方面保證了學(xué)生的編程練習(xí)時(shí)間，同時(shí)有效提高了教學(xué)過程中的安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效率低成本的教學(xué)效果，可以明顯改善和提高焊接機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)的實(shí)訓(xùn)條件和培養(yǎng)質(zhì)量[1]。

1機(jī)器人焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1欠缺課程需要的先學(xué)知識機(jī)器人焊接實(shí)訓(xùn)課程授課對象通常為高職二年級學(xué)生，雖然學(xué)生前期學(xué)習(xí)了焊接相關(guān)理論知識并有很高的學(xué)習(xí)積極性，但欠缺焊接機(jī)器人的組成、編程及運(yùn)動原理等相關(guān)知識，獲取知識和運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力較差。

1.2缺乏實(shí)訓(xùn)條件實(shí)訓(xùn)教學(xué)一方面是讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)化理解和記憶，另一方面是提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和動手操作能力。由于設(shè)備少，學(xué)生多，實(shí)訓(xùn)教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)一對一精準(zhǔn)教學(xué)，只能通過分組進(jìn)行操作練習(xí)，但練習(xí)時(shí)間有限，很多學(xué)生都沒有達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.3難實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化教學(xué)當(dāng)前，大部分學(xué)院教學(xué)采用的是傳統(tǒng)的演示性教學(xué)，重理論、輕實(shí)訓(xùn)。雖然學(xué)生能夠獲取焊接機(jī)器人應(yīng)用的感性認(rèn)識，但無法將相關(guān)知識應(yīng)用到實(shí)踐中。由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備少，實(shí)訓(xùn)條件有限，理論與實(shí)踐分開教學(xué)，無法有效地進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)，教學(xué)效果和質(zhì)量大打折扣。

2虛擬仿真教學(xué)的必要性

2.1實(shí)現(xiàn)低碳化教學(xué)從低碳經(jīng)濟(jì)的角度來看，虛擬仿真教學(xué)是一種低碳的教學(xué)。低碳課堂是在有限的課堂時(shí)間里，降低成本和效率，降低無效或低效的教學(xué)活動，在教學(xué)環(huán)境中節(jié)約師生時(shí)間和精力，使教學(xué)效率最大化，避免資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)師生可持續(xù)發(fā)展。焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等很多工業(yè)領(lǐng)域且品牌種類較多，除了庫卡、發(fā)那科、安川、ABB四大家族的機(jī)器人之外，還有埃斯頓機(jī)器人、熊貓機(jī)器人和錢江機(jī)器人等國產(chǎn)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人系價(jià)格昂貴，由于在操作與使用上不同品牌的機(jī)器人有著一定差異，將所有不同品牌的機(jī)器人和應(yīng)用環(huán)境都配齊存在很大的困難，同時(shí)也不符合低碳化教學(xué)模式的要求[2]。

2.2滿足課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求機(jī)器人焊接的教學(xué)過程主要是示教、編程和焊接，按每臺機(jī)器人最大允許3人操作編程來計(jì)算，這就要求需要較多的焊接機(jī)器人。因此，引入ROBOGUIDE仿真教學(xué)軟件替代焊接機(jī)器人實(shí)際工作，學(xué)生可以在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行線上編程練習(xí)，然后導(dǎo)出離線編程文件，并導(dǎo)入到焊接機(jī)器人工作站進(jìn)行校正調(diào)試。使用仿真教學(xué)軟件，學(xué)生可以隨時(shí)模擬練習(xí)機(jī)器人編程，幫助學(xué)生快速認(rèn)識機(jī)器人，學(xué)會機(jī)器人示教器在虛擬環(huán)境中的基本操作，降低學(xué)習(xí)成本，明顯縮短學(xué)習(xí)周期，同時(shí)提高課堂學(xué)習(xí)效率，也節(jié)省了實(shí)訓(xùn)成本[3]。

3ROBOGUIDE軟件虛擬仿真教學(xué)

3.1虛擬仿真教學(xué)軟件的選擇ROBOGUIDE軟件是日本FANUC公司在機(jī)器人基礎(chǔ)上研究開發(fā)的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)軟件。該軟件能夠滿足不同型號的FANUC機(jī)器人的離線仿真和通信等基本功能。該軟件運(yùn)行于Windows環(huán)境，通過使用虛擬機(jī)器人控制技術(shù)來模擬仿真實(shí)際機(jī)器人作業(yè)?？蓪?shí)現(xiàn)分析機(jī)器人干涉性和可達(dá)性、設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案布局和估算系統(tǒng)的節(jié)拍、機(jī)器人離線程序的自動生成、診斷機(jī)器人故障和優(yōu)化程序等功能[4]。

3.2ROBOGUIDE軟件的使用流程

3.2.1工作空間搭建工作空間搭建環(huán)節(jié)需要以下幾個(gè)步驟：（1）選擇機(jī)器人。ROBOGUIDE機(jī)器人庫里有各種型號的機(jī)器人模型，選擇與現(xiàn)場機(jī)器人工作站型號一樣的機(jī)器人FANUCM-10iD。（2）選擇工具。在工具項(xiàng)里選擇與現(xiàn)場焊槍型號一樣的焊槍作為工具。（3）搭建平臺。從數(shù)據(jù)庫里導(dǎo)入與現(xiàn)實(shí)工作站中尺寸大小一樣的工作平臺和需要加工的工件。（4）TCP校準(zhǔn)。將工具中心點(diǎn)（ToolCenterPoint,TCP）從機(jī)器人原始的第六軸法蘭中心通過六點(diǎn)法（XZ）移至焊絲頂尖位置。（5）工件校準(zhǔn)。在實(shí)際機(jī)器人工作站中的機(jī)器人與工件的相對位置固定的前提下需要進(jìn)行工件校準(zhǔn)，這樣設(shè)計(jì)的軌跡才有意義。

3.2.2離線編程離線編程是指在建立了機(jī)器人工作站的三維模擬場景后，經(jīng)由軟件仿真計(jì)算，生成控制機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，進(jìn)而生成機(jī)器人的控制指令[5]。主要有以下三方面的內(nèi)容：（1）在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建工作站，將現(xiàn)實(shí)中的工作內(nèi)容還原到軟件中；（2）規(guī)劃并編寫機(jī)器人運(yùn)動路徑，生成相應(yīng)的控制指令；（3）設(shè)置焊接工藝，完成機(jī)器人離線編程。

3.2.3仿真運(yùn)行編寫完成的離線程序，為便于檢查機(jī)器人工作過程中是否有奇異點(diǎn)，是否會發(fā)生干涉等報(bào)警，啟動碰撞檢查功能，如有異常報(bào)警可以進(jìn)行軌跡調(diào)整。

3.2.4導(dǎo)出在確認(rèn)仿真沒有問題的前提下，將離線仿真程序?qū)С龅紽ANUC機(jī)器人示教器中進(jìn)行操作調(diào)試，最后完成焊接。

3.3ROBOGUIDE軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

3.3.1認(rèn)識焊接機(jī)器人認(rèn)識焊接機(jī)器人是機(jī)器人焊接實(shí)訓(xùn)課程的基礎(chǔ)內(nèi)容，主要包含焊接機(jī)器人運(yùn)動規(guī)律、技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)、原理、控制系統(tǒng)解析及結(jié)構(gòu)等專業(yè)知識。

3.3.2實(shí)踐工業(yè)機(jī)器人手動操縱在機(jī)器人編程與焊接課程教學(xué)中，機(jī)器人的手動操縱對于機(jī)器人的基礎(chǔ)理論知識和機(jī)器人編程兩大部分知識模塊起到承上啟下的作用，熟練的操作能力便于學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)焊接機(jī)器人。因?yàn)閷W(xué)生在動手接觸機(jī)器人前，對機(jī)器人存在陌生感，因此用ROBOGUIDE仿真軟件建立虛擬控制系統(tǒng)，并通過虛擬示教器控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的手動操作等功能，可以幫助學(xué)生熟悉機(jī)器人。由于仿真軟件上的虛擬示教器和真實(shí)示教器功能完全一樣，非常有助于教學(xué)的實(shí)施。（1）支持學(xué)習(xí)焊接機(jī)器人各種功能。例如，建立焊接機(jī)器人操作環(huán)境、手動操縱、數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)功能；I/O通信；建立坐標(biāo)系、有效載荷等數(shù)據(jù)[6]。（2）通過仿真軟件對學(xué)生的實(shí)際編程操作情況進(jìn)行檢驗(yàn)，有效強(qiáng)化學(xué)生安全操作規(guī)范和提高操作技能水平，并通過對可能出現(xiàn)的誤操作提前進(jìn)行針對性的分析改進(jìn)，方便后續(xù)在機(jī)器人焊接工作站的操作，從而大大降低在工作站內(nèi)的失誤率。此外，學(xué)生會根據(jù)自己的實(shí)際情況課后進(jìn)行自主訓(xùn)練。（3）通過設(shè)置對不同操作要點(diǎn)的針對性訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生的分析判斷及解決實(shí)際問題的能力，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)案例。

3.3.3機(jī)器人工作站離線編程應(yīng)用機(jī)器人編程與焊接是焊接實(shí)訓(xùn)課程核心內(nèi)容。目前，焊接機(jī)器人編程技術(shù)主要分為示教在線編程和離線編程。示教在線編程主要是在現(xiàn)場進(jìn)行，示教效果取決于操作人員，對于較為復(fù)雜軌跡的示教準(zhǔn)確性有限，并且占用機(jī)器人作業(yè)時(shí)間，影響效率。與示教在線編程相比，離線編程能減少對機(jī)器人資源的占用時(shí)間，機(jī)器人在工作時(shí)操作人員仍可在仿真教學(xué)軟件上對后續(xù)任務(wù)進(jìn)行編程，能夠遠(yuǎn)離部分危險(xiǎn)的工作環(huán)境，有效改善編程環(huán)境，降低工作強(qiáng)度。在實(shí)際教學(xué)過程當(dāng)中，如果采用示教在線編程方式，編輯較大程序時(shí)，操作煩瑣、難度大，因此依托仿真教學(xué)軟件進(jìn)行離線編程能夠方便快捷地完成編程工作，并且優(yōu)化和修改程序非常方便，調(diào)試正常后的程序可以上傳至機(jī)器人示教器中運(yùn)行，有效提高了編程效率[7]。

3.3.4培育專業(yè)技能素養(yǎng)在焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用中，操作員的專業(yè)素養(yǎng)尤為關(guān)鍵。首先，要加強(qiáng)專業(yè)技能，理解工藝流程，掌握技術(shù)要點(diǎn)，幫助學(xué)生熟練掌握操作規(guī)范；其次，要塑造職業(yè)精神，嚴(yán)謹(jǐn)、勤奮的工作態(tài)度對學(xué)生成才及后續(xù)發(fā)展有很大保障作用，從業(yè)人員的職業(yè)態(tài)度和觀念是現(xiàn)代企業(yè)重點(diǎn)考察內(nèi)容，因此，將專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)相關(guān)內(nèi)容融入專業(yè)課程教學(xué)中。ROBOGUIDE仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用有助于學(xué)生培育創(chuàng)新精神和提高專業(yè)素質(zhì)。利用ROBOGUIDE仿真軟件建立符合實(shí)際系統(tǒng)的工作站，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在生活、生產(chǎn)等方面的創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人方案，這有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和職業(yè)規(guī)范意識[8]。

4ROBOGUIDE軟件在教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

（1）充當(dāng)課程內(nèi)容銜接的紐帶。在機(jī)器人焊接實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中，焊接機(jī)器人基礎(chǔ)內(nèi)容、手動操縱與示教編程等內(nèi)容都會用到焊接機(jī)器人的虛擬仿真。虛擬仿真教學(xué)軟件起到串聯(lián)各知識點(diǎn)的作用。（2）提高學(xué)生對接崗位需求的能力。離線編程廣泛應(yīng)用于焊接機(jī)器人生產(chǎn)、調(diào)試、維修等工作崗位中，在高職教育中主要是培養(yǎng)學(xué)生提前適應(yīng)崗位工作的能力，焊接機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中加入離線編程相關(guān)內(nèi)容，在校期間培訓(xùn)離線編程技術(shù)便于實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與崗位工作能力無縫對接[9]。（3）提高教學(xué)安全性。操作焊接機(jī)器人必須嚴(yán)格遵守機(jī)器人安全操作規(guī)程，違規(guī)操作容易對學(xué)生或設(shè)備造成傷害。因此，要求學(xué)生先利用仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練再進(jìn)行實(shí)機(jī)操作練習(xí)。學(xué)生在仿真練習(xí)過程中可能遇到機(jī)器人伺服報(bào)警、奇異點(diǎn)報(bào)警、極限位置以及其他誤操作帶來的意外情況，這些都能夠在軟件上解決。由于虛擬示教器與真實(shí)工作站內(nèi)示教器一致，因此，學(xué)生在進(jìn)入真實(shí)工作站內(nèi)操作機(jī)器人之前大大提高了機(jī)器人操作能力，避免了軟件中出現(xiàn)過的故障報(bào)警再次出現(xiàn)，減少了危險(xiǎn)的發(fā)生，提高了實(shí)踐教學(xué)的安全性。（4）緩解實(shí)訓(xùn)條件無法滿足教學(xué)需求的現(xiàn)狀。針對學(xué)院機(jī)器人設(shè)備少、學(xué)生多、無法完全滿足全部學(xué)生同時(shí)參與機(jī)器人焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求的現(xiàn)狀，可以通過ROBOGUIDE仿真軟件進(jìn)行任務(wù)式、模塊化實(shí)訓(xùn)教學(xué)，一定程度上緩解實(shí)訓(xùn)條件壓力。同時(shí)，學(xué)生隨時(shí)可以在仿真實(shí)訓(xùn)室或用自己的電腦對所學(xué)知識進(jìn)行鞏固訓(xùn)練，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，解決了機(jī)器人實(shí)訓(xùn)場地的限制問題。

5結(jié)束語

虛擬仿真作為現(xiàn)代教學(xué)的重要組成和手段，對專業(yè)教學(xué)起到很大的輔助作用。其不僅滿足了低碳教學(xué)的理念，而且解決了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生多設(shè)備少的難題，大大降低了教學(xué)成本，同時(shí)減少了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安全隱患，提高了教學(xué)質(zhì)量。通過虛擬仿真技術(shù)與實(shí)訓(xùn)基地工作站實(shí)操相結(jié)合的這種線上與線下、虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的新教學(xué)模式，一方面有效提升了學(xué)生對FANUC機(jī)器人仿真技術(shù)的應(yīng)用能力；另一方面較好地支撐和豐富了課程教學(xué)的內(nèi)容，不僅能夠輔助編程練習(xí)，提高了教學(xué)效率，而且能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人積極性、培養(yǎng)學(xué)生耐心細(xì)致的學(xué)習(xí)習(xí)慣和良好的職業(yè)素養(yǎng)起到了很好的推動作用。

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作者:冶維財(cái) 單位:甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院