新型《焊接机器人》本科教材的编制①

时间：2024-07-28

黎文航，朱杰，陈书锦，周方明(江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003)

1 背景

随着我国机器人战略的实施，焊接机器人在许多企业迅速得到应用，对焊接机器人人才的需求也尤为迫切［1］。但目前，本科高校对焊接机器人人才的培养相对滞后。这是因为上世纪90年代中期，受宽口径教育思想的影响，很多学校焊接专业被并入材料成型及控制工程专业，焊接专业课时大为缩减［2］。后来，受焊接行业强烈需求影响，很多学校又恢复了焊接专业或焊接模块，但仍受专业课程总学时限制，《焊接机器人》课程往往仅作为选修课开设。

此外，缺乏适合焊接本科专业的《焊接机器人》教材也严重影响了教学效果。焊接机器人中的经典教材是林尚扬院士、陈善本教授于2000年编著的《焊接机器人及其应用》［3］，该教材目前已停止出版，且因出版时间较早没有反映当前焊接机器人的最新技术。而目前市面上较新的《焊接机器人编程及应用》［4］、《焊接机器人基本操作及应用》［5］等教材主要是面向高职高专，侧重应用，缺乏系统讲解。《汽车机器人焊接工程》［6］、《中厚板焊接机器人系统及传感技术应用》［7］等更偏向为专业技术书籍。而《智能化焊接机器人技术》［8］则是学术论著。

《焊接机器人》是一门涉及数学建模、电工、通讯、机械、软件编程等综合知识的课程，学生需要丰富的实践、解决机器人应用中遇到的各种问题，才能积累经验，提高水平。所以，单纯的教师讲授，学生听课难以达到好的教学效果。受本科高校环境影响，学生一般没有足够的机器人进行操作，难以通过直接操作使用机器人来学习。而随着机器人仿真技术或离线编程技术的发展，在一般PC机上已可以顺利运行各种焊接机器人仿真操作［9］，由此可以通过机器人仿真提高教学效果、增加学生“操作”机器人的机会。这同样需要编制新的焊接教材以适应这种新型教学模式。

总之，目前迫切需要出版适合焊接本科专业的焊接机器人教材，以适应目前行业需求和教学需要，提高焊接机器人人才培养质量。

2 教材编制

本教材的编制流程如图1所示。首先是确定教材内容，然后引入机器人仿真软件，编制适合教学的项目，并将其合理嵌入教材中，最后通过审核、试用后交付出版社出版。下面对其中的关键步骤进行说明。

图1 教材编制流程

2.1 教材内容的确定

在教材编制过程中，首先需要考虑焊接机器人行业对人才培养的需求、授课学生对象特点、最新发展技术等确定合适的教材内容。

焊接机器人从本质上说是工业机器人，后者属于机械或电气学科。工业机器人相关课程可分为两大类，一类侧重于工业机器人的设计，以机器人学为主，重点讲述机器人运动学、动力学等知识;另一类侧重于工业机器人的应用，以机器人的硬件构成、软件编程和系统集成学习为主。此外，作者通过与ABB等机器人生产制造商、北人机器人公司等机器人系统集成商、以及大众汽车、外高桥造船等机器人用户交流，确定企业需求。

对焊接机器人来说，其作用是将机器人应用于焊接领域，使焊枪、焊接参数能按照期望的方式运作。对焊接专业学生来说，更重要的是需要掌握机器人的基本原理，熟悉机器人的特点，用机器人的方式去解决焊接问题，实现高效、快速的焊接。焊接机器人领域侧重工业机器人和焊接系统的集成，而不是设计、制造机器人。若将《工业机器人》尤其是“机器人学”的相关教材生搬硬套，则难以达到好的教学效果，与社会需求也偏离。

《焊接机器人》课程作为焊接专业课一般在大四开设。对于焊接专业或材料成型及控制工程专业学生来说，其前期学习中已经具备了机械、材料、电气中的基础知识。如机械部分学生一般都已学习过《机械原理》;焊接工艺与设备方面已学习过《焊接方法与设备》、《弧焊电源》等课程;在电气方面也初步了解电工电子、PLC原理、继电器控制、单片机系统、传感器原理等知识;在软件编程方面，一般也学习过Visual Basic或Visual C++等课程。故在教材编制过程中，涉及到上述知识部分时不再系统介绍相关基础知识，重点介绍焊接机器人领域相关的重要知识，如接触传感器、电弧传感器等知识。

此外，焊接机器人的内容应反映近年来的重要新技术，如机器人前臂中空送丝改善了电缆布线和焊枪的可达性，而七自由度机器人的使用提高了机器人的避障能力和可达性。

2.2 机器人仿真项目的引入

目前，高校中《焊接机器人》教学模式还是以板书、PPT教学为主，配以焊接机器人实验。近年来，教学技术也在不断创新发展，很多高校在开展项目式教学、网络化教学、微课、慕课等教学研究。在新《焊接机器人》课程教材编制中，也要结合课程特点，便于应用新的教学技术。由于受本科高校发展定位、人才引进的影响，一般难以配备大量的机器人供教师、学生操作，这影响了学生对机器人的认识和经验积累。机器人仿真技术的发展为解决上述问题提供了一条途径。仿真技术可以应用于课堂中、上机实习、甚至实验中。而在教材编制中，仿真技术也可以作为实例讲解，拉近机器人理论与机器人应用之间的距离。

机器人仿真软件的出现已经有30年，基本上可分为两类:一类是通用的仿真软件(如 IGRIP)，功能强大，适合所有机器人，但是价格很高;一类是由机器人厂商开发的软件，一般只适合厂商的机器人，但是价格更便宜，有的具有一定的免费试用期。ABB公司开发的Robot Studio离线编程仿真软件功能强大，故本教材选用其作为仿真软件［10］。图2所示为采用仿真技术进行机器人示教编程的实例。学生可以按照教材所示步骤，在PC机上完成相关机器人配置、变位机构建、夹具构建、示教点确定、焊接路径规划与调整等内容。

图2 机器人仿真实例

《焊接机器人》作为一门工程实践性较强的课程，采用项目式任务驱动教学方法容易取得较好的教学效果。但是若教材中完全采用项目方式进行编写，则难以阐述清楚原理。同时，教材应具有一定的独立性。故在本教材的编著中，采用折衷的方法，即按照知识层次，循序渐进讲述焊接机器人原理，同时，在适当章节采用实例对知识点进行应用和总结。