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摘要：針對目前工業機器人專業存在的課程知識點設置分散，理論與技能應用分離的情況，提出了一種基于工業機器人集成設計的教學改革方案。該方案以工業機器人實訓課程為支點，通過融合機械與電氣方面的相關知識和技能，幫助學生全方位掌握工業機器人課程的知識點架構，為日后從事工業機器人設計與應用以及智能制造相關工作奠定穩固的基礎。

關鍵詞：工業機器人；實訓課程；教學設計；實境教學

1引言

近年來，隨著社會的發展和時代的進步，越來越多的生產加工型企業意識到引入全自動智能化生產線的重要性，特別是在電子3C、食品工業等勞動力密集型企業，工業機器人的運用更為突出，突如其來疫情更是加劇了社會對于工業機器人專業的人才需求量增加。據統計，2025年高檔數控機床和機器人的人才缺口在450萬人，為此很多高校開設了工業機器人、智能制造類的課程，然而做為一個多學科融合的新專業，高校對于此類專業課程的建設仍然處于初期的探索之中，尚未形成一個完整的課程體系。目前很多高校仍然沿用傳統的機電類教學模式，在課程設置上僅僅將工業機器人作為一門新課傳授，并沒有真正的實現傳動機電課程向智能制造課程的轉型。這樣的課程設置直接導致工業機器人專業的學生對專業課程知識點缺乏了解和認知，在理論和實踐層面僅僅停留在工業機器人的簡單操作和使用階段，對機器人的運作機機制缺乏了解，在真實的實踐過程中難以靈活運用機器人解決實際問題，造成所學與所用脫節的情況。針對上述問題，在新工科背景下實施多軸工業機器人課程開發與教學改革尤為必要。以工程項目為引領，采用案例教學形式，通過整合電氣、機械課程中的相關知識，指導學生自己設計一臺多軸工業機器人，在提升學生學習興趣的同時，培養和拓展學生的綜合職業能力。

2總體結構設計

課程設計緊緊圍繞工程中實際應用的多軸工業機器人展開，分為機械本體和電氣控制兩個部分，如圖1所示。其中機械本體包含五個模塊，主要聚焦工業機器人的機械框架搭建，考慮到電氣部分的安裝調試，機械部分應預留相應的接口，以便后續驅動單元的接線和安裝。電氣控制同樣也由五個模塊組成，主要解決機器人算法控制和電機驅動相關問題，為整個機器人的運轉提供動力支持，此部分包含一套完整的電氣設計過程，完成該部分的設計可使學生對機器人的實際控制有一個深刻的理解。首先機械本體圍繞工業機器人的零部件結構設計展開，學生首先需要查閱相關的機械設計資料，理解機器人的基本構造和動作功能。在此過程中，教師可以給出一些具體的工程實踐案例，學生根據實際情況完成機器人的整體布局設計，形成整體的設計方案，經教師和學生共同評定可行后，再計算所需要的零部件尺寸、機械強度等設計參數，選擇合適的部件完善設計方案。設計過程中，應充分考慮后續的電氣接口問題，避免出現電氣組件無法安裝的情況。上述一系列設計完成后，學生需要根據軟件生成的物料清單，完成機械部分的搭建調試工作。其次電氣控制系統則圍繞機器人運動設計展開，主體控制采用PLC與運動控制器相結合的方式進行。電氣控制選取PLC控制實踐與電力拖動兩門課程的相關內容，融合多軸工業機器人相應的控制算法，調試機器人按照操作人員的指令有規律的進行作業活動。

3課程教學實施

課程教學模塊分機械本體與電氣控制，兩個部分既相互關聯，又相互融合，均采取資訊、計劃、決策、實施、檢查、評價六步教學法進行課程的教學組織與實施。

3.1機械結構設計

機械本體的設計任務如圖2所示，學生首先查閱相關資料，完成機械部分的資訊收集工作。在確定工業機器人設計方向后，師生針對收集到的目標信息列出相應的執行計劃并根據計劃要求對整個設計予以實施，完成實施后由教師對整個教學環節進行檢查和評價。3.1.1工業機器人機構資訊收集。作為一個相對成熟的工業產品，市面上有很多工業機器人設計可供學生進行參考和選擇。針對眾多機器人生產廠家，可選擇從其中一家入手。通過瀏覽廠家網站，查閱機器人相關選型樣冊，了解該廠家機器人產品的樣式和設計特征。對于同一個機器人廠家出現的不同產品型號類型，可以從其中一個系列入手，思考比較不同系列機器人的優秀和不足之處。在完成一系列的選型和比較之后，學生確定自己喜歡的工業設計樣式，并針對自己選擇的樣式進行進一步的資訊收集工作。在樣式選型這個資訊收集環節，學生應考慮自身的實際設計能力：即在選型時將自身設計條件納入考慮范圍之內。不應考慮過于復雜的機器人設計樣式，以免后期在設計過程中出現一系列自身無法解決的設計問題，使最后的教學任務無法完整進行下去。在完成樣式風格的資訊收集后，學生根據自己的樣式選擇，搜索產品相關的性能參數。不同于前期的樣式選擇，參數選擇部分應將重心放在工業機器人的實際性能指標。例如：工作范圍，載重負荷這些與機器人實際作業息息相關的工業產品運行參數。在這一部分的資訊收集過程中，學生會面臨很多新的性能指標術語，部分沒有學過的術語可能會給學生造成很大的迷惑進而降低學生的學習興趣并分散學生的注意力。針對此種情況，可以采取分組討論輔以教師指導的方法予以解決。即針對簡單、容易理解的術語，在資訊收集環節中鼓勵學生相互討論。在討論過程中循序漸進的啟發學生理解此術語在當前情境的具體含義。對于比較復雜的詞匯，教師應當先補充相關術語理解所需的材料和說明，再鼓勵學生進行討論和交流。特別復雜且對設計沒有實質影響的技術術語，教師應當引導學生暫時忽略此術語，以保證課堂任務的有序進行。資訊收集是后續步驟實施的前提條件，這一部分應該給予足夠的時間以保證此部分教學環節的教學質量。3.1.2機械設計計劃與實施。在完成資訊收集任務后，機器人機械設計進入實際的實施環節。此部分的教學實施過程，教師可以從最基本的底座繪制入手，通過講解底座的繪制方法，幫助學生熟悉繪圖軟件并教會他們基本制圖指令的使用方法，從簡單的圓形、矩形繪制入手，在繪圖過程中重點講解平面圖形轉三維圖形的操作方法，期間穿插一些圖形尺寸的標注方法。通過一系列有計劃的引導和決策，幫助學生掌握CAD軟件的使用方法，引導他們自主完成剩余部件的繪制工作。在整個教學實施的過程中，教師可根據實際教學情況拓展教授一些相關的機械工程技術知識，并針對設計過程中可能出現的如強度不足等問題和學生進行討論，引導學生理解諸如加筋設計，強度分析等改進措施。完成上述的設計分析后，機械本體設計進入最后的檢查和評價環節，教師根據學生給出的設計方案對學生做出客觀公正的評價，并就生成的物料清單及設計圖紙展開分析討論，對后續可能出現的缺陷提出改進意見并進行修改，最終對生成的加工圖紙進行留存供課程評價時使用。

3.2電氣控制設計

電控系統設計分為任務解析、參數計算、電氣安裝、編程調試和系統驗證等五個工序，分步進行，具體設計如圖3所示。電控設計主要目的是為工業機器人的機械部分提供驅動動力，使機械裝置能夠按照操作人員的指示完成相應的動作流程。為了達成上述目標，電控設計需要根據機械設計的要求對機器人運動所需要的電機參數進行計算，在得到具體參數數值后，挑選合適的器件進行安裝，并編寫相應的程序進行調試驅動。上述目標完成后便可進入下一環節的系統驗證以確保工業機器人能夠正常運行。3.2.1電機參數選型計算。電機參數的選型計算在整個工業機器人電氣設計部分顯得尤為重要，這關系著機器人是否有能力執行控制器發出的指令參數，在這一部分的計劃決策過程中，學生需要根據機器人的受力分析以及旋轉速度選擇合適的電機。就教學流程而言，教師可從常見的電機講起，引導學生思考不同電機在執行定位驅動上的優缺點，通過不同類型電機的比較，讓學生了解每種電機的具體運動特性，最后引導學生根據機器人的受力情況和運動需求選取合適的電機。在課程的實施過程中，講解應結合實際的工程應用案例進行，盡量避免講解一些過于冷門的電機知識和使用技巧，使學生糾結于電機的具體特定參數上，從而影響整個課程的上課進度。3.2.2安裝選型與調試。電氣安裝是實現機器人運動的重要環節，這一部分涉及到電氣元件的選型和設備安裝調試。在前期的資訊采集過程中，學生需要對常見的電氣控制元件有所了解，包括基本的電路知識，這部分可采用復習回顧的方式完成。在選型安裝調試過程中，電機控制器的選擇是需要重點關注的。這個在決策部分可以通過提供不同的電機控制器型號，讓學生比較了解各個電機的實際性能差距，進而形成一個有效的解決方案。相比前期的計劃決策而言，實施部分較為簡單，電氣設計的制圖軟件選擇性較多，學生可以選擇一個自己熟悉的軟件進行圖紙的繪制工作從而完成整個電路的搭建、評估和分析。3.2.3程序設計與實現。程序結構設計是電氣編程調試的重點和難點，要求學生根據電氣設計的總體要求，完成操作模式，參數控制，設備監視，機器人操作五個功能，具體設計界面如圖4所示。在教學操作過程中，教師需要結合前面已經完成的機器人機械實例，指導學生根據需要完成整個機器人程序的編寫。首先教師需要根據學生的實際情況，有針對性的選擇電機種類并指導學生選用相應的電機控制方法完成程序的編寫工作。其次在硬件條件滿足的情況下，要求每位學生實地參與到電機相關參數的設置工作中來。程序的編寫實施過程需要學生查閱PLC編程手冊和電機控制參數手冊，完成電機，觸摸屏，PLC的組態配置工作。在此過程中教師應根據實際已有的設備情況講授相應的電機控制方法，避免出現教學內容過于抽象學生無法理解的情況。

3.3系統驗證

系統驗證的教學目標是要求學生對已經構建好的機器人進行功能檢驗和設計優化，包括但不限于算法驗證，功能實現以及動力學的改進優化。針對工業機器人運動過程中出現卡頓狀況為例，在教與學的過程中，從機械設計和電氣優化兩個方面驗證分析，一是機械設計上考慮優化夾爪的安裝位置，重新選擇機械連接件進行安裝；二是電氣設計上，考慮優化程序運行過程中的插補算法從而改變機械本體運轉軌跡，進而達到運轉自如的目的。程序部分采用腳本測試的方式進行，即針對程序設計中調用和編寫的程序模塊，通過給出限定范圍內的隨機數值，測試是否出現程序崩潰的情況。不同于純計算機程序的腳本測試方法，由于機器人的設計涉及到機械本體，在測試之前應預先在系統里設定機器人的盲區和撞擊范圍。測試時系統應規避這些區域，避免對機器人本體造成損壞。一個可以良好運行的程序需要開發人員反復調試才能實現，這個過程需要任課教師有足夠的耐心并進行細心的指導。如果時間允許還可以進一步拓展機器人相關的控制算法知識，指導有能力的學生對機器人的設計進行進一步的思考學習和優化。

4結語

工業機器人實訓課程設計是在新工科背景下，充分利用仿真技術將機械與電氣的各種技術知識運用于工程實踐項目的具體體現，解決了工業機器人專業課程實訓教學模式存在的弊病，有效地加深學生對于工業機器人運行機制的理解和運用能力。實踐表明，多學科知識點相融合式的工業機器人教學實施在激發學生學習興趣和創新熱情的同時，不僅解決了理論與實踐脫節問題，而且切實提升了實訓課程的教學質量。

作者:韓銳 單位:蘇州健雄職業技術學院