浅谈高职院校工业机器人校内实训基地建设

2020-01-01张明河谭本军邓建南

装备制造技术 2019年10期

张明河，谭本军，邓建南

（张家界航空工业职业技术学院，湖南张家界42700）

0 引言

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。高档数控机床和机器人产业是“中国制造2025”战略重点发展的十大领域之一[1]。高职院校作为技术技能型人才的重要供给侧，是解决工业机器人行业人才结构性短缺的重要途径之一[2]。全国职业院校专业设置管理与公共信息服务平台网站数据显示：截止2019年7月，工业机器人技术专业招生备案高职院校已达634所[3]。在该专业建设过程中，校内实训基地的建设是关键问题之一。校内实训基地的建设水平，直接影响专业人才培养的质量。因此，研究高职院校工业机器人专业校内实训基地建设的总体思路及建设内容，并提供一种可行的建设案例供参考，具有重要的理论和实践意义。

1 专业校内实训基地建设总体思路

1.1 指导思想

高职院校工业机器人校内实训基地建设，首先应服务国家制造业发展战略。“中国制造2025”战略明确将机器人产业列入重点发展领域，工业机器人技术专业的建设，包括实训基地建设，势必服务于该战略。其次，该专业实训基地建设应契合国家职业教育发展改革思路。2019年1月，国务院出台的《国家职业教育改革实施方案》明确提出打造一批高水平实训基地。因此，该专业校内实训基地的建设，应当高度契合《国家职业教育改革实施方案》，体现该方案的思想。再次，该专业实训基地建设应符合院校自身发展实际。工业机器人实训基地建设，资金投入量大但办学效益不一定高，因此各高职院校应结合自身发展实际来建设，切忌盲目贪多求新，好大喜功。

1.2 建设原则

高职院校工业机器人校内实训基地建设，首先应遵循科学系统性原则[4]，即建设前应充分论证可行性，建设方案应科学合理，系统规范，杜绝“拍脑袋”式决策，杜绝“走一步看一步”式建设。其次，应遵循实用性原则，即实训室建设应符合专业实践教学的要求，符合专业人才培养方案的要求，符合学院自身办学理念的要求，切忌华而不实，盲目追求设备和技术的先进性。最后，应遵循前瞻性原则，即充分考虑本校该专业的发展前景及行业发展趋势，最大限度做到模块化、数字化、网络化建设，为后续系统升级改造做好技术储备。

1.3 建设体系

高职院校工业机器人校内实训基地建设中，技术基础实训室是基础，虚拟仿真实训室是润滑剂，操作编程实训室是纽带，典型工程应用实训室是核心，系统集成实训室是升华，机器视觉实训室是拓展[5]。在实际的建设过程中，应结合院校实际，分期分批建设，或将以上两个功能密切联系的实训室合二为一，或依据办学特色适当增添专业实训室。

2 校内实训基地建设具体思路和内容

2.1 建设具体目的、意义及思路

校内实训基地、校外实习基地是高职工科学生实习实训的两大最主要的实训场所。相对于校外实训基地，校内实训基地一般由高职院校投资兴建，由专业师资使用、管理与维护，是专业建设的核心内容之一。工业机器人校内实训基地建设，旨在服务人才培养方案，体现本校人才培养特色，加强学生动手实践能力。本实训基地的建设，除了功能工业机器人技术专业教育实训外，还可以供机电一体化技术、电气自动化技术、智能控制技术等电气类专业的教学实训；同时还可为相关专业教师从事科研工作提供支撑，为优秀学生参加各类机器人技能竞赛提供实训条件。此外，该校内实训基地还可承担招生宣传、中小学生科普教育、城镇下岗职工及农民工培训等任务。本实训基地的建设，在经费充足的情况下，力求科学、实用、完备，让实训环节贯穿于学生所需专业技能的各个环节，让每门专业课都有实训项目可开展，让该专业每一位学生都有充分的时间亲自实践。工业机器人校内实训基地至少应包括以下6类专业实训室：工业机器人技术基础实训室、工业机器人虚拟仿真实训室、工业机器人操作编程实训室、工业机器人典型应用实训室、工业机器人工作站系统集成实训室、工业机器人视觉技术实训室。各实训室根据技能对应原则，分别用于培养学生某一方面的具体技能，对应1～2门专业课程。需要指出的是，以下各类实训室，并不指实际建设时就是一间实训教室。实训基地内各实训室集中统一管理，资源共享，分工协作，组成一个有机整体，共同完成各项任务。

2.2 各组成实训室建设具体内容

一是工业机器人技术基础实训室。该实验室应配备典型机电设备模型或实物、典型机构示教板、典型传动示教装置、常用机械零部件示教板和典型工业机器人机构模型等。该实训室主要用于工业机器人导论课程，是所有专业课程的基础。

二是工业机器人虚拟仿真实训室。按照每班定额40名学生，再预留5台左右备用，该实训室应配备计算机至少45台，另外配置教师用大屏台式机一台。同时配备投影仪、白板等并接入互联网。配备工业机器人编程及仿真、工装夹具机械设计、系统集成设计等相关软件。在建设资金充足时，应尽可能提高计算机硬件配置。该实训室主要用于工业机器人建模与虚拟仿真、工业机器人工装夹具设计、工业机器人工作站系统集成等课程。该实训室的投资相对较少但功能多，使用灵活，性价比高，是专业实训基地的润滑剂。

三是工业机器人操作编程实训室每班分两批轮流实训，按照每小组3人，该实训室配备典型的单体工业机器人和简单的外围辅助作业工具7～8套，用于工业机器人操作编程课程，训练学生机器人的单机基本操作，如示教器操作，I/O配置、程序数据创建、轨迹规划、基本程序编写和调试等。此实训室是培养学生动手实操能力的纽带，是后续课程的基础。

四是工业机器人典型应用实训室。该实训室应配备典型的工业机器人应用系统，包含工业机器人搬运、码垛、装配、弧焊、喷涂等。某些应用系统可以合并，如搬运与码垛共用一台机器人。限于实验场地及经费投入，同时教学时可交叉实训，每种应用系统可配置1～2套，提高设备利用率。为减少投资，一些辅助设备可以适当简化，但应保证实训师生的安全。该实训室主要用于工业机器人典型应用，工业机器人工作站系统集成等核心专业课程。

五是工业机器人工作站系统集成实训室该实训室应配置各种典型的工业机器人工作站，如码垛机器人、喷涂机器人、焊接机器人和分拣机器人等工作站。该实训室主要用于工业机器人工作站系统集成，工业机器人系统维护等核心课程，学生可以学习工业机器人的系统成站技术，各种典型的作业工艺、典型的通信接口技术等。该实训室可以与典型应用实训室合并建设，每种应用系统可单独占用一间实训室，也可以独立建设。

六是工业机器人视觉技术实训室。该实训室作为专业能力拓展的平台，容易被忽视。该系统包括小型工业机器人、气动夹具、光源、镜头、工业相机、计算机、标定板、图像处理软件、工业机器人编程软件等。该实训室一般与操作编程实训室合并建设，也可独立建设，主要用于工业机器人视觉技术、工业机器人工作站系统集成等课程。若与操作编程实训室合并建设，则该实训室同样配备7～8套工业机器人视觉系统；若只配置视觉系统，不涉及工业机器人动作，因每个工位占地面积较小，则可以配置13～15套，每个工位不超过3人。

3 工业机器人实训基地建设案例

工业机器人专业校内实训基地在实际的建设中，往往受到招生规模、资金投入、师资力量等因素限制，难以一次性投入巨资完成上述6类专业实训室建设。为保证该专业人才培养质量不打折扣，让学生完成各类实训课程，在专业开设初期，可以对实验室建设方案做出适当调整，合并重组部分实训室。提出一种经济型建设方案，供相关高职院校参考。

3.1 方案概况

本方案是考虑到实训基地建设经费有限、场地不足、招生不多等限制因素，分三期建设方案中的第一期方案。后续的第二期、第三期建设可视专业开设的具体情况，不断优化调整，既避免一次性建设中因人才培养方案的大改动导致实训室的整体改造，又可以充分考虑到行业技术发展趋势。

该方案中涉及到的实训室可称为“工业机器人综合技能实训室”，建设方式为新建，由10套工业机器人综合实训工作站与相关组件以及配套资源组成，按照每班学员40名，每两名学生共用一套系统，每班分两批实操。同时配备投影仪或大屏触控电脑、白板，讲桌，并接入互联网，教师可实现示范教学。项目直接经费预算207万，为：设备采购每套约人民币20万元，运输、安装与调试每台约5 000元，使用及维护初级培训约每人次5 000元，4人次参与培训。项目实训室占地不低于80 m2，设置10个工位，并设计有前后门及安全通道。实训室内配备烟雾报警装置，并配备足够数量灭火器。实训室管理制度、安全操作规范、实训指导教师岗位职责、学生实训守则等规范文件需张贴于实训室墙壁明显位置。

3.2 工作站简介

该工作站示意图如图1所示。其主体结构由方通支架和铝合金导轨实训台面组成。台面搭载有小型六轴工业机器人（ABB IRB1200）、分层送料机构、步进电机供料机构、矩形放料装置、CNC模拟机构、视觉分拣定位系统、轨迹跟踪区、工具坐标练习机构、工件坐标练习机构、气缸模组、皮带模组、PLC及触摸屏控制系统、工控电脑及视觉检测系统、安全防护装置等构成。实际工作实训中，根据需要搭载模组部件，除工业机器人外，其他模组均可拆卸。视觉分拣定位模组如图2所示。

图1 工业机器人综合实训工作站示意图

图2 视觉分拣定位模组示意图

该工作站可以自由拆分组合，不同机构的配置辅以不同的配线，形成多种功能的教学实训项目。整个工作站选用气动元器件、真空组件、步进马达、视觉控制单元等，结合PLC、触摸屏形成联动控制机制，各控制单元通过以太网实现网络通讯。

利用本工作站，可以实现基本结构、基础操作、参数配置、在线示教编程等项目的实训；结合工具架、基础实训工作台、综合实训工作台可实现工具更换、复杂轨迹规划及编程、典型工艺应用的综合编程实训；利用I/O及PLC实训单元实现工业机器人系统集成实训；利用视觉系统及自动化相关执行元件，可以完成视觉识别与抓取实训。

3.3 工作站特点

本工作站的特点之一是高度集成。以小型工业机器人为主体，集成了视觉系统及自动化相关执行元件（气缸、气爪、真空组件、步进马达）和控制元件（PLC、触摸屏、视觉控制器等），并配备工控机，基本可以满足工业机器人导论、建模与虚拟仿真、操作编程、典型应用，系统集成，机器视觉等课程的要求。其特点之二是模块化设计。操作机台为铝合金槽板，可方便拆卸与安装实训所需部件。实训平台可拆装组合，控制电路可自行接线，具有较高开放性和灵活性，适合于现场实训教学。模块出现故障，只需更换对应模块，维修维护成本低。其特点之三是安全高效。该设备自带线路保护装置。线路保护装置位于平台下方柜体中，平台正面设置有学生专用接线端口。保护装置能有效的防止因学生接线错误而导致设备损毁。

4 工业机器校内实训基地建设应注意的问题

4.1 科学规划，量入为出

工业机器校内实训基地建设，应科学规划，量入为出，做到技术先进性与实用性的统一。建设中常出现的问题可能有：无建设总体规划，“走一步看一步”式建设；因人才培养方案大的变动导致实训基地建设方案摇摆不定；建设途中因经费或场地不足而被迫中途停工等。为避免类似问题出现，建设前应充分调研，充分考虑可能的未知因素，形成书面的报告并请专家组审议；建设的资金和场地，应通过学校党政高层决议，并以书面文件作为依据，防止陷入空口无凭的尴尬境地。

4.2 以我为主，突出特色

工业机器校内实训基地建设，投入经费动辄上百万，被各利益方视为大蛋糕。在项目咨询阶段，各类科技教育企业、各供应商会敏锐嗅到商机，主动上门游说，提供所谓的“免费帮助”。这些企业或找到学校职能部门变相推销，或以本公司的产品与服务为基础推进方案。这时，方案决策者一定要保持定力，不受外界因素干扰，以专业需求为依据，突出学校特色，拿出一份科学合理的方案。

4.3 慎签合约，管控过程

工业机器校内实训基地建设，涉及到物资采购、技术服务等合作协议，有些院校甚至将建设项目完全外包，让企业提供“交钥匙”工程。对于物资采购协议，因工业机器人、视觉系统等设备一般是出厂标准产品，注意按照合同注明的技术参数详细核对验收即可。对于“交钥匙”类协议，因校方在技术上处于劣势，应该让专业教师仔细审读合同中的技术细节，明确技术规范，消除技术上的模糊点，避免施工中出现争议。在实训基地建设过程中，校方一定要有专人专责监管，确保施工有序进行，各项工序规范严谨，所用设备、材料质量安全可靠。