強紅賓 王聯(lián) 丁力 單文桃 巢淵江蘇理工學(xué)院 江蘇 常州 213000

引言

2015年我國為實現(xiàn)制造業(yè)強國戰(zhàn)略提出了“中國制造2025”計劃，2017年教育部提出“新工科”建設(shè)計劃，要求我國高校要能夠培養(yǎng)出有創(chuàng)造力、有良好工程意識的畢業(yè)生。

“工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐”課程是機器人工程專業(yè)綜合性、實踐性和工程性很強的專業(yè)核心課，是大學(xué)生鍛煉創(chuàng)造力、工程實際能力與綜合能力的主要環(huán)節(jié)。改實踐涉及機械設(shè)計、力學(xué)、電學(xué)、伺服電機、傳感器、自動控制等多方面的基礎(chǔ)知識。一般在學(xué)習(xí)“機器人技術(shù)基礎(chǔ)”、“機器人測試技術(shù)”等專業(yè)課程基礎(chǔ)之后開設(shè)。因此，該課程主要培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、綜合應(yīng)用能力及技術(shù)創(chuàng)新能力。

1 工業(yè)機器人綜合實踐課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，該實訓(xùn)課程一般是對工業(yè)機器人進行示教路徑規(guī)劃、PLC編程等，對現(xiàn)有的工業(yè)機器人進行應(yīng)用，沒有根據(jù)需求對工業(yè)機器人進行設(shè)計、制造環(huán)節(jié)，不能培養(yǎng)工程應(yīng)用能力，對工程意識的培養(yǎng)有不利影響，具有主題單調(diào)，缺乏創(chuàng)新。缺乏團隊合作、設(shè)計不完整，缺乏整體意識的缺點[1-2]。

2 工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐項目式教學(xué)方法

工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐主要目標(biāo)是對多門專業(yè)核心課程進行綜合，使機器人工程專業(yè)學(xué)生能夠?qū)C械、機器人、控制系統(tǒng)有整體感受?；陧椖渴浇虒W(xué)的工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐[3-4]，涉及的專業(yè)知識及項目實施流程如圖1所示。

圖1 工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐實施過程

2.1 明確任務(wù)

允許學(xué)生對項目進行自主選題，既拓展項目范圍，又提高學(xué)生興趣，給其充分想象空間，使其學(xué)會獨立思考[5]。綜合實踐項目可以為六自由度機器人、Delta機器人、挖掘機器人、三自由度碼機器人等，其驅(qū)動方式可以為電液伺服驅(qū)動、電動或氣動。由于實際工業(yè)機器人的造價高、復(fù)雜性大，對學(xué)生機器人技術(shù)綜合實踐來說完成難度大、費用高、不利于實施，因此本次改革提出，學(xué)生在真實工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上建立一個機械系統(tǒng)的比例模型進行設(shè)計、制作與裝配，但控制系統(tǒng)仍然采用真實的工業(yè)控制器，如EPEC控制器、西門子S700PLC等。因此，學(xué)生的項目任務(wù)為：①根據(jù)工程任務(wù)需求選定一款工業(yè)機器人；②設(shè)定其工作空間、負(fù)載能力、額定功率等性能指標(biāo)，并對機械系統(tǒng)進行等比縮??；③小組任務(wù)分工，每項任務(wù)保證至少有2個學(xué)生參與，保證每項任務(wù)都經(jīng)過小組討論后做出決定。

2.2 項目設(shè)計

對于比例縮小的機械系統(tǒng)，進行機械設(shè)計，首先應(yīng)用專業(yè)核心課程內(nèi)容，對工業(yè)機器人進行運動學(xué)分析，根據(jù)工業(yè)機器人工作空間來確定機構(gòu)參數(shù)，根據(jù)負(fù)載能力，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，非標(biāo)結(jié)構(gòu)件主要包括機器人的機械臂、底座、夾具等，標(biāo)準(zhǔn)件主要包括軸承、緊固件、齒輪、導(dǎo)軌等。在設(shè)計過程中，對于簡單的結(jié)構(gòu)可以采用《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》中的知識點進行受力分析，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以采用ANSYS等軟件進行受力分析。對于機器人的驅(qū)動能力可以采用ADAMS等軟件進行功率校核。通過分析、校核，機械結(jié)構(gòu)合格后，對非標(biāo)結(jié)構(gòu)件繪制工程圖紙。對工業(yè)機器人進行運動控制，根據(jù)工業(yè)機器人工作順序、定位精度等來確定工業(yè)機器人控制方法、控制參數(shù)等。

2.3 項目實施

根據(jù)三維模型、二維圖紙對機械結(jié)構(gòu)進行加工、制作、裝配。對于標(biāo)準(zhǔn)件直接進行采購，對于簡單的零件可根據(jù)二維圖紙直接進行加工，對于復(fù)雜的零件可以用3D打印機制造。目前，實驗室3D打印機可滿足學(xué)生自行打印。最終對機械加工件、3D打印件、標(biāo)準(zhǔn)件進行裝配、完成工業(yè)機器人的本體制作。此外，對工業(yè)機器人電路系統(tǒng)進行連接，并根據(jù)工作順序?qū)I(yè)機器人進行路徑規(guī)劃，根據(jù)不同控制器編寫PLC、C語言等運動控制程序，最終完成工業(yè)機器人整體安裝調(diào)試。

2.4 評估檢查

基于項目式教學(xué)的機器人綜合實踐，以項目考核與以賽代考的形式進行考核。調(diào)動學(xué)生的積極性，鍛煉學(xué)生綜合分析解決問題的能力，為在機器人競賽獲得優(yōu)異成績打下基礎(chǔ)，提高學(xué)生的機器人應(yīng)用能力與就業(yè)競爭力，以適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)對機器人創(chuàng)新人才的需求。在評估的過程中，學(xué)生首先進行自評和組內(nèi)互評，依次保證組內(nèi)學(xué)生之間的公平性，然后進行教師評閱。對于本組學(xué)生撰寫報告，包括項目實施過程中的具體過程，如機器人項目的選擇、方案設(shè)計過程、項目實施過程中遇到的問題及解決辦法、最終項目展示以及整體過程中項目實施經(jīng)驗總結(jié)與分享。

3 綜合實踐舉例

根據(jù)項目實施流程，對一組基于挖掘機器人項目的工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐進行說明，如圖2所示，具體過程如下：

圖2 挖掘機器人課程實踐

3.1 明確任務(wù)

本組學(xué)生認(rèn)為，隨著“一帶一路”政策的實施，其在不斷推動基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，而挖掘機器人是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必不可少的工程機械，因此研究與開發(fā)挖掘機器人具有十分重要的現(xiàn)實意義。因以“挖掘機器人課程實踐”作為項目任務(wù)。課題選定后，學(xué)生對挖掘機器人進行具體的調(diào)查，了解其工作原理和各部件結(jié)構(gòu)，教師帶領(lǐng)同學(xué)參觀卡特CAT306小型挖掘機器人的實際生產(chǎn)過程或相關(guān)視頻。通過調(diào)查和參觀，學(xué)生對挖掘機有一定的了解。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)原型確定縮放比例，獲得項目參數(shù)，如表1所示。

表1 項目任務(wù)參數(shù)

3.2 項目設(shè)計

對挖掘機器人進行運動學(xué)分析，根據(jù)工業(yè)機器人表1所示的工作空間來確定工業(yè)機器人機構(gòu)參數(shù)，動臂總長716mm，斗桿總長462mm，動臂電動推桿行程150mm，斗桿電動推桿行程200mm，鏟斗使電動推桿行程150mm。確定挖掘機器人機構(gòu)參數(shù)后，根據(jù)鏟斗1.8L的負(fù)載能力，對挖掘工業(yè)機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括非標(biāo)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)件的選型。采用Solidworks建立三維模型，并采用ADAMS等軟件進行功率校核，最終繪制工程圖紙?？刂葡到y(tǒng)采用西門子S700PLC，對其進行單臂動作、雙臂聯(lián)合動作、三臂聯(lián)合動作編程，并能夠自動實現(xiàn)3種典型挖掘動作。

3.3 項目實施

根據(jù)二維圖紙對挖掘機機械臂結(jié)構(gòu)進行加工，對于履帶、螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件進行采購，完成工業(yè)機器人本體制作。對挖掘機器人電路系統(tǒng)進行連接，并根據(jù)工作順序?qū)I(yè)機器人進行編程，最終完成挖掘機器人整體安裝調(diào)試。

3.4 評估檢查

基于Solidworks制作動畫、撰寫設(shè)計計算及項目實施過程。首先進行學(xué)生自評和組內(nèi)互評，然后教師根據(jù)報告進行評閱。通過此次的實踐課程可以將機器人專業(yè)理論課程的相關(guān)內(nèi)容有機結(jié)合起來使學(xué)生對機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子、電氣控制的軟硬件的設(shè)計過程有全面的了解，使學(xué)生掌握機電產(chǎn)品工程設(shè)計的基本方法，提高其分析問題和解決實際工程問題的能力，將專業(yè)課程內(nèi)容有機而系統(tǒng)地結(jié)合起來。

4 結(jié)束語

基于項目式教學(xué)的工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐，充分考慮的實際工程項目，通過對工業(yè)實際機器人進行比例縮放，進行設(shè)計、制造、裝配及調(diào)試，讓學(xué)生全面了解工業(yè)機器人的生產(chǎn)過程，行程一個有機整體，且最大限度的綜合本專業(yè)核心課程、鍛煉學(xué)生了的實踐能力。該基于項目式教學(xué)的工業(yè)機器人技術(shù)綜合課程實施后，學(xué)生普遍反映工業(yè)機器人技術(shù)綜合實踐課程的效果比以前有所提高。