高 飛 管建峰 易 風(fēng) 郭蘭中

常熟理工學(xué)院 江蘇常熟 215500

現(xiàn)代社會(huì)正處于第四次工業(yè)革命，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，為了搶占技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)，德國率先提出了“工業(yè)4.0”的發(fā)展戰(zhàn)略，緊隨其后，美國與中國也分別提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和《中國制造2025》的戰(zhàn)略規(guī)劃[1]。德國的“工業(yè)4.0”概念其實(shí)就是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)等相結(jié)合，形成虛擬與現(xiàn)實(shí)相融合的智能制造系統(tǒng)[2]。機(jī)器人作為智能制造系統(tǒng)的重要執(zhí)行部件，其功能與性能直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，因此，隨著“工業(yè)4.0”的提出和應(yīng)用，各國在機(jī)器人研發(fā)和制造方面投入了大量的精力和物力，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速[3]。

2015年“兩會(huì)”期間，我國提出了《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃，部署了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的工作。中國要從制造大國變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國，必須要發(fā)展一大批具有國際競(jìng)爭力的骨干企業(yè)。因此，國家“十三五”規(guī)劃，明確將智能制造列入國家發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)[4]。《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求，需要掌握核心技術(shù)的創(chuàng)新型人才、多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才和具有工匠品質(zhì)的技能型人才[5]。

1 新工業(yè)體系下的企業(yè)人才需求

通過對(duì)用人單位和畢業(yè)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們雖然很好地掌握了基礎(chǔ)工業(yè)課程中的相關(guān)知識(shí)，但是對(duì)各種知識(shí)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系知之甚少，嚴(yán)重缺乏系統(tǒng)性解決實(shí)際問題的能力[6]。機(jī)器人控制系統(tǒng)決定了機(jī)器人的功能和性能。機(jī)器人控制又涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機(jī)械工程等多學(xué)科的內(nèi)容[7]。

美國等西方國家的機(jī)器人教學(xué)體系較為完善。如斯坦福、伯克利等著名美國高校均開設(shè)了機(jī)器人課程。其機(jī)器人教學(xué)具有課程設(shè)置靈活、交叉性強(qiáng)，以項(xiàng)目為導(dǎo)向，實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。尤其是科研實(shí)力較強(qiáng)的高校，往往以其最新的科研成果為載體，讓學(xué)生參與到科研與實(shí)踐當(dāng)中，在實(shí)踐和動(dòng)手過程中學(xué)習(xí)[8]。

我國機(jī)器人教育起步較晚，但也已取得了一定成果。浙江大學(xué)正在實(shí)施的交叉化、職業(yè)化、多元化和國際化“四化相輔”的工程教育特色實(shí)踐，就取得了非常好的效果[9]；中山大學(xué)通過在專業(yè)課程中引入機(jī)器人技術(shù)，將自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)課程相互貫通，整合成一體化的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，使學(xué)生最終有能力實(shí)現(xiàn)完整的機(jī)器人系統(tǒng)[10]。

工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成課程的核心技能是工業(yè)機(jī)器人的工作站的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)應(yīng)用技能，滿足工業(yè)機(jī)器人及系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)以及工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品銷售及售后服務(wù)等崗位群的需要[11]。該門課程在培養(yǎng)智能制造人才過程中具有重中之重的地位。

2 課程改革措施

常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程共32學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)20學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)12學(xué)時(shí)，是機(jī)械電子工程專業(yè)(機(jī)器人方向)本科生的選修課程，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程以理論介紹為輔，實(shí)踐操作為主，針對(duì)這一教學(xué)要求，在教學(xué)過程中，要先修工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)，工業(yè)機(jī)器人仿真及材料成型與控制等課程,然后在本科課程中，針對(duì)某一工程需要，針對(duì)特定的機(jī)器人工作站(例如弧焊機(jī)器人工作站)，介紹整體設(shè)計(jì)方法，提及所需要的知識(shí)，將已學(xué)習(xí)或未學(xué)習(xí)的與該工作站集成相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)介紹給學(xué)生，讓學(xué)生知曉工作站設(shè)計(jì)需要什么樣的知識(shí)，需要掌握到什么程度，達(dá)到學(xué)以致用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以便能更好地對(duì)知識(shí)進(jìn)行掌握，并為實(shí)踐環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)。

2.1 課程理論改革

針對(duì)人才市場(chǎng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人方面人才的需求，在20學(xué)時(shí)的理論課程中，將已學(xué)習(xí)的電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、機(jī)械加工工藝及機(jī)器人技術(shù)等知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來，還需介紹整體工作站的設(shè)計(jì)方法、實(shí)現(xiàn)過程和生產(chǎn)安全等知識(shí)。具體過程如下：

(1)針對(duì)某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，例如智能弧焊機(jī)器人工作站，先介紹產(chǎn)品需求。智能機(jī)器人工作站是實(shí)現(xiàn)無人化全自動(dòng)化生產(chǎn)的設(shè)備，機(jī)器人廠家提供的產(chǎn)品需要機(jī)器人工程師的設(shè)計(jì)，并搭配相應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)和傳感器，才能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的需求。因此需求分析是能否交貨的關(guān)鍵。所以在未進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，要對(duì)所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行需求分析，待加工部件的結(jié)構(gòu)，加工需要什么樣的工序，零件加工后的性能指標(biāo)需要達(dá)到多少，該工作站要完成什么樣的功能，需要什么樣的機(jī)械裝置，需要什么樣的傳感器，傳感器的數(shù)量等。

(2)根據(jù)產(chǎn)品需求和設(shè)計(jì)方案，完成系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。工業(yè)機(jī)器人仿真軟件不僅僅是提供離線程序，最重要的是在設(shè)計(jì)階段，驗(yàn)證機(jī)器人能否完成相應(yīng)的工作，驗(yàn)證其生產(chǎn)能否達(dá)到所需的節(jié)拍。因此，在設(shè)計(jì)階段，需要使用機(jī)器人仿真軟件規(guī)劃生產(chǎn)車間的布局，按節(jié)拍設(shè)計(jì)所需的機(jī)器人數(shù)量，規(guī)劃機(jī)器人不能夠完成的部分是否需要添加人工生產(chǎn)工位等。在節(jié)拍設(shè)計(jì)方面，以弧焊加工為例，機(jī)器人工程師必須要等的弧焊工藝，以免路徑規(guī)劃出的結(jié)果是錯(cuò)誤的。

(3)仿真工序完成后，進(jìn)行實(shí)體工作站加工。仿真工序完成后，可以采購所需的設(shè)備，進(jìn)行后續(xù)的實(shí)物集成工作，機(jī)器人系統(tǒng)集成，需要進(jìn)行機(jī)械、電氣及仿真人員的協(xié)同工作，機(jī)器人電氣集成需要按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，機(jī)械人員要按照仿真人員給出的安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝，電氣人員和機(jī)器人調(diào)試人員要共同進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證系統(tǒng)信號(hào)的發(fā)出與接受是否正確。

(4)在生產(chǎn)過程中，安全是重中之重需要強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人雖然只能稱為是自動(dòng)化的裝備，但是它比現(xiàn)有的自動(dòng)化裝備更具智能化，機(jī)器人工程師更是高危職業(yè)，因此，機(jī)器人工作站生產(chǎn)過程中的安全更不能小覷，特別是后續(xù)的調(diào)試階段。在這個(gè)過程中，機(jī)器人工程師既要保證自身的人身安全，也要保證設(shè)備的安全。不能隨意操作，更不能在機(jī)器人可達(dá)空間內(nèi)有人的情況下，任意按動(dòng)任何按鈕發(fā)出指令。

工業(yè)機(jī)器人工作站所包含內(nèi)容非常之多，但是在先修課程基礎(chǔ)之上，用一條總線進(jìn)行串接，更能夠調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來并不復(fù)雜，理論教學(xué)上加入了安全環(huán)節(jié)，培養(yǎng)的學(xué)生更貼近于生產(chǎn)實(shí)際。

2.2 實(shí)踐教學(xué)改革

在實(shí)踐教學(xué)方面，常熟理工學(xué)院采用的是仿真軟件和實(shí)體工作站集成的方式進(jìn)行教學(xué)?，F(xiàn)有的機(jī)器人本體、控制柜、PLC、工控機(jī)、傳感器等放置在既定的位置，學(xué)生可根據(jù)前序的設(shè)計(jì)，自行選用相應(yīng)的模塊進(jìn)行集成。

2.2.1 仿真實(shí)踐教學(xué)

學(xué)生先根據(jù)教師所提供的產(chǎn)品及需求進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)，將機(jī)械設(shè)備、機(jī)器人的數(shù)模導(dǎo)入到仿真軟件中；然后，自己進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，規(guī)劃路徑，形成代碼，并將離線代碼導(dǎo)出。在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生需要生成生產(chǎn)過程視頻，用于考核和后續(xù)工作。

2.2.2 工作站集成教學(xué)

將學(xué)生進(jìn)行分組，每組學(xué)生自行分工作仿真工程師、機(jī)械工程師、電氣工程師和機(jī)器人調(diào)試工程師等，每人完成各自的工作并集體完成設(shè)備的集成，最終集成可以完成既定任務(wù)的機(jī)器人工作站。

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。通過實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生更能體會(huì)到所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用與掌握牢固的重要性，在實(shí)踐過程中，還能意識(shí)到安全的重要性。

2.3 考核方式改革

機(jī)器人工作站生產(chǎn)是一項(xiàng)非常大的生產(chǎn)任務(wù)，決非一人能夠完成。在考核時(shí)，不能像以往理論與實(shí)踐教學(xué)的考核那樣進(jìn)行考核，因此，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每組的學(xué)生每個(gè)人完成各自的工作，全班學(xué)生的成果一定是完全不同的。按照生產(chǎn)模式，每組需提交設(shè)計(jì)方案、采購清單、布局圖、機(jī)械圖紙、電氣圖紙、工藝說明、仿真視頻和離線程序等?？己宋臋n采用企業(yè)交貨的模式實(shí)行，使所培養(yǎng)的學(xué)生更能夠適應(yīng)市場(chǎng)需求，有用程度更高。

3 結(jié)語

《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃需要掌握核心技術(shù)的創(chuàng)新型人才、多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才和具有工匠品質(zhì)的技能型人才。機(jī)器人是智能制造系統(tǒng)的重要執(zhí)行部件，學(xué)生雖然很好地掌握了基礎(chǔ)工業(yè)課程中的相關(guān)知識(shí)，但是對(duì)各種知識(shí)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系知之甚少，嚴(yán)重缺乏系統(tǒng)性解決實(shí)際問題的能力。通過對(duì)在培養(yǎng)智能制造人才過程中具有重中之重的地位的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程理論教學(xué)內(nèi)容和方法的改進(jìn)，實(shí)踐教學(xué)方法的革新，采用企業(yè)交貨模式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，類似企業(yè)“交鑰匙”工程的方法，針對(duì)企業(yè)需求，培養(yǎng)大量能夠制造智能制造系統(tǒng)的有用人才。這些改革措施更接地氣，能夠滿足應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求和地方企業(yè)對(duì)“智能制造”人才的需求。

[1]朱正偉,周紅坊,李茂國.面向新工業(yè)體系的新工科[J].重慶高教研究,2015,5(3):15-21.

[2]周國順,圖雅,張陽.面向“工業(yè)4.0”的智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新課程體系構(gòu)建[J].計(jì)算機(jī)教育,2016(10):66-69.

[3]張毅,汪幫富,王思明.機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)改革與探索[J].教育教學(xué)論壇,2016(51):133-134.

[4]朱集錦,寧建強(qiáng),徐誠.關(guān)于工業(yè)機(jī)器人教學(xué)課程體系的探討[J].南方農(nóng)機(jī),2016(12):145,148.

[5]張拓,李丹丹.《中國制造2025》背景下高校自動(dòng)化專業(yè)改革與發(fā)展研究[J].教育探索,2016(6):70-72.

[6]馬慧民,許圣良.技術(shù)應(yīng)用型院?；A(chǔ)工業(yè)工程課程建設(shè)與改革探索[J].物流工程與管理,2015,37(10):167-168.

[7]劉娣,劉坤,溫秀蘭.應(yīng)用型本科工業(yè)機(jī)器人控制課程教學(xué)改革[J].中國教育技術(shù)裝備,2017(4):97-99.

[8]張奔.以實(shí)踐為導(dǎo)向的機(jī)器人教學(xué)改革探索[J].中國教育技術(shù)裝備,2017(6):91-92.

[9]鄒曉東,李拓宇,張煒.中國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略與工程教育改革實(shí)踐[J].高等工程教育研究,2016(3):9-14.

[10]郭東亮,保延翔,劉樹郁.綜合性大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017,36(3):212-216,230.

[11]薛文奎,周斌.“工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成”課程教學(xué)與實(shí)踐[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2016,12(23):127-128,135.