高职院校理实一体的“机器人焊接工艺技术”课程探索与实践
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作者:刘双耀 程文锋 王伟春 鲁亚楠
摘要：高职院校“机器人焊接工艺技术”课程主要是培养学生掌握焊接工艺基础知识的基本能力与机器人焊接编程的应用能力充分融合的综合能力和素质。本文以“机器人焊接工艺技术”课程“虚实结合的机器人焊接应用”教学项目为例，把虚拟仿真技术与实际机器人操作有效结合起来，阐述了理实一体的教学设计与实施思路。
关键词：机器人；焊接；虚实结合；理实一体
ExplorationandPracticeof"RobotWeldingTechnology"
CourseIntegratingTheoryandPracticeinHigherVocationalColleges
LiuShuangyaoChengWenfengWangWeichunLuYanan
ZhejiangelectromechanicalvocationalandtechnicalcollegeZhejiangHangzhou310000
Abstract：Thecourseofrobotweldingprocesstechnologyinhighervocationalcollegesismainlytocultivatestudents'basicabilitytomasterthebasicknowledgeofweldingprocessandtheapplicationabilityofrobotweldingprogramming.Takingtheteachingof"virtualandrealrobotweldingapplication"inthecourseofrobotweldingtechnologyasanexample，thispapereffectivelycombinesthevirtualsimulationtechnologywiththeactualrobotoperation，andexpoundstheteachingdesignandimplementationideaofintegratingtheoryandpractice.
Keywords：robot；welding；virtualandreal；theoryandpractice
理一体教学主要是以学生为中心，以教师为主导，将理论教学与实践教学融为一体的教学模式［1］。“机器人焊接工艺技术”课程是工业机器人专业的焊接机器人分方向的专业核心课程，其理论和实践在教学中相互依托。
在之前的教学中，“机器人焊接工艺技术”课程主要是以理论课程为主。目前，基于新的实训室条件，打破传统的授课模式，实现“理实一体化”引入课堂教学，提高学生的理论与实践动手能力，结合机器人焊接技术，使学生在第一时间学习到新技术、新方法、新工艺、新标准，同时注重学生创新能力的培养，也进一步提升了学生学习的主动性与积极性［2］。
理实一体教学通过项目式教学，开拓了学生和教师的思路，突出学生的个性发展，增强学生的竞争意识，也可以锻炼学生在团队合作中与他人交流的能力以及团队协作能力［3］。
1课程分析与学校实训教学条件
1.1课程分析
“机器人焊接工艺技术”是工业机器人技术专业焊接机器人方向的一门必修的技术专业课。本课程根据工业机器人技术专业（焊接机器人应用技术方向）需要而设，目的是提高学生职业能力。其总体设计思路是以“理论教学+能力训练”为主要特征的专业课程教学模式，教学内容反映职业岗位能力要求；教学中注重理论与实践的结合，注重从理论与实践结合的角度阐明基本理论及应用。教学中注意反映知识的先进性，结合机器人焊接技术，使学生在第一时间学习到新技术、新方法、新工艺、新标准，同时注意学生创新能力的培养。本课程开设在大二下学期，主要内容包括：熔化极气体保护焊焊接工艺、焊接设备、机器人操作基础知识、焊接机器人编程指令及参数、焊接机器人编程案例、机器人点焊基础知识及编程、机器人焊接缺陷及优化，任务是培养学生掌握机器人焊接工艺、焊接缺陷及机器人编程应用及其优化，具备应用机器人焊接工艺知识完成焊件的编程工作，并提升学生的机器人焊接工艺水平，为今后从事实际工作和打下坚实的基础［4］。
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1.2学校实训教学条件
学校实训室的ABB工业机器人焊接工作站，主要由ABB机器人（型号为IRB1520ID）、机器人控制柜、福尼斯焊机、焊枪（TBI）（含防碰撞传感器）、清枪剪丝装置、焊接工作台、抽排烟设备等组成。
2课堂教学实施过程（仿真模拟教学实施）
本课程目前是以实训室现有的设备ABB、KUKA机器人和福尼斯焊机工作站，通过讲解工作站焊接工艺知识、机器人焊接工作站主要设备、机器人与焊机通信、机器人焊接指令及机器人案例编程，完成由易到难的焊接编程案例，使学生掌握整个工作站集成所需要的焊接工艺知识、机器人及其周边附属设备基本知识、机器人与焊机主流通信方式及配置方法、焊接机器人编程知识，包括离线编程和再现编程的方法，使学生具备行业应用中未来岗位所需要的职业技能，得到以机器人基础知识和焊接工艺基础知识的基本能力以及以机器人再现编程与离线编程的应用能力充分融合的综合能力。
下面以工业机器人技术专业“机器人焊接工艺技术”课程的“虚实结合的机器人焊接应用”项目教学设计为例，简述仿真模拟教学设计的思路和实施过程。
2.1任务分析
在机器人实际使用过程中，经常会遇到机器人堆焊需求，比如在产品表面堆焊logo或者是在工件表面测试焊接工艺参数。如果机器人焊接轨迹为复杂曲线，通过示教再现的方式很难完成焊接轨迹的规划任务，或者是能完成但需要大量的编程量，耗时且费力。
本课堂任务基于此背景，利用ABB机器人仿真软件和学校实训室ABB机器人与福尼斯焊机MAG焊接完成一个复杂字体的堆焊任务。机器人班级共分9组，学生可以在以下三个案例（浙江机电、ZIME、校徽）中选择其中任意一个或学生可以发挥自己的想象焊接一个其他图案也可以，完成本次焊接任务。
2.2任务一：仿真模型导入并创建焊接轨迹
基于Robotstudio软件，导入机器人模型IRB1520ID，创建机器人底座，并将机器人放置在底座上，导入三维软件里创建好的焊接工作台模型，并调整好工作台位置，导入需要堆焊的焊接工件模型，添加焊枪并创建工具坐标系与工件坐标系。选择焊枪工具和已经创建的工件坐标，利用Robotstudio的自动生成路径的功能，生成四个汉字的轨迹程序，同时增加焊接开始点和过渡点。
2.3任务二：将程序同步到RAPID
任务一中通过自动生成路径功能创建的程序，机器人并没有记住，接下来需要做的是，将其存储到机器人的大脑，即让机器人记住，也就是同步到RAPID。
2.4任务三：批量修改焊接指令
在虚拟示教器上将程序模块另存在本地计算机上，以记事本的格式打开后，将非焊接指令批量修改为焊接指令和参数。
3课堂教学实施过程（实际焊接教学实施）
实际焊接按照分小组的形式进行，教学模式也进行了一些探索，发挥学生的自主能动性，激发学生的兴趣，提前培养学生的安全意识和质量意识［5］。下面简述实际焊接教学设计的思路和实施过程。
3.1机器人安全讲授
安全是实际操作机器人最重要的一块内容。在前面软件操作中学生最容易忽视的就是安全意识，容易麻痹大意，还很容易忽视工业机器人的安全操作规程。
本教学实践结合课堂的知识内容完成安全教育小游戏。教师给出机器人错误操作的图片，引导学生找错。学生随机选择图片，找出图中安全隐患，指出操作错误之处。
最后，教师总结安全操作口诀，提醒同学们注意培养认真仔细、精益求精的工匠精神。
3.2教师操作示范
教师通过现场操作示范法，讲解机器人示教器基本操作，教师讲解机器人手动操作及坐标系创建方法，教示范操作，用案例操作示范给同学们看。从开保护气、核对焊机参数、增加弧焊指令、确认起弧收弧的起点终点，打开焊接工艺键，实际起弧焊接演示。
3.3焊接程序测试
本任务主要是完成在仿真软件生成的焊接程序的导入及测试。
加载焊接程序前需要对实际实训室现场机器人的全数据进行备份，这也是为学生以后养成良好的职业素养打好坚实的基础。
另外，在实际工作站中定义的工具坐标系和工件坐标系与模拟仿真中一致。
验证离线轨迹前，需要禁止启动焊接功能，即锁定焊接功能。离线程序导入真实机器人时先慢速手动单步走轨迹，确认无误后，再慢速手动连续走轨迹，轨迹验证好后启动焊接功能实施焊接。
3.4焊接参数设置
本任务以分小组探索的方式进行焊接参数试验，学生分组，通过简单的堆焊直线焊接实验，学生自主探索出较为理想的焊接参数。同时锻炼了学生的团队协作能力以及自主探索的精神，为后续的工业机器人焊接更深入的学习内容打下了坚实的基础。
通过试验测试出的较为合理的工艺参数见下表，焊接工艺参数主要包含焊接电流、机器人速度、送丝速度、预吹起时间和后吹气时间。
3.5实际焊接效果与实验总结
实际焊接效果如图4所示，实际焊接与仿真模型之间存在一定的差异，需要后期进行工艺的优化改进。
结语
本课程采用了焊接机器人工作理实一体的教学法，以实训室现有的设备ABB机器人和福尼斯焊机工作站集成思路，理实一体，有虚有实，融入了焊接工艺知识、机器人焊接工作站主要设备、机器人焊接指令及机器人案例编程，以学生为主体，项目式教学，使学生掌握焊接机器人编程知识与机器人在线编程与离线编程的应用能力。同时也提升了学生的安全意识和质量意识，小组团结协作能力及创新意识。焊接存在一定的危险性，尽管安全措施已经考虑较为周全，但难免有疏漏之处，还需严格加强教学活动中的安全教育和安全管理。
今后的课程还需要充实课程资源，完善评价体系。利用企业典型机器人焊接工艺，着重培养学生分析问题和解决实际问题的能力。有条件组织学生参观相关企业，参观典型机器人焊接产品的制造工艺流程，增加感性认识，有利于学生对于机器人焊接工艺理解的提升，同时学生也能真实感受制造业的生产现场，激发内心尊崇工匠精神的社会风尚。
参考文献：
［1］袁慧彬.理实一体化教学模式在“汽车发动机结构与拆装”课程教学中的实践［J］.四川职业技术学院学报，2020，30（06）：104107.
［2］夏中坚.工业机器人的虚拟仿真技术在信息化课程教学中的有效应用［J］.南方农机，52（10）：148149.
［3］曾妍.基于理实一体的项目化机器人教学设计［J］.中国职工教育，2013（22）：148.
［4］时雷.“汽车电工基本技术”课程“理实一体化”教学探索［J］.汽车实用技术，2020，45（22）：185186.
［5］罗钶.基于RobotStudio的工业机器人理实一体化实验室构建［J］.木工机床，2021（3）：2325.
基金资助：浙江机电职业技术学院教学改革项目（项目编号：A015221333）
作者简介：刘双耀（1989―），男，山西晋中人，硕士研究生，工程师，研究方向：工业机器人焊接应用与研究、职业教育。
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