机器人焊接实训教学的应用研究

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了一篇机器人焊接实训教学的应用研究范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

随着科学技术的高速发展，工业机器人已广泛应用于制造业中，已成为先进制造业中不可或缺的重要装备和技术，承担着搬运、焊接、喷涂、码垛等多种工作，焊接机器人作为应用最多的工业机器人，占据着近四分之一的份额，对制造业有着非常重要的作用。我国在机器人焊接教育方面师资薄弱，起步晚，虽然许多职业院校为了适应企业对焊接技术技能型人才的需求开设了机器人焊接相关课程，但因焊接机器人设备价格昂贵等原因，在实践教学过程中难以做到一人一机的实操练习，很多学校甚至仅有一两台焊接机器人或没有焊接机器人。因此，针对高职院校焊接专业实训条件的局限性、实训设备缺乏等现状，引入ROBOGUIDE仿虚拟仿真教学软件可以省去了部分硬件的购买。一方面实现教学资源的合理分配，降低了教学成本；另一方面保证了学生的编程练习时间，同时有效提高了教学过程中的安全系数，实现了高效率低成本的教学效果，可以明显改善和提高焊接机器人应用人才培养的实训条件和培养质量[1]。

1机器人焊接实训教学现状

1.1欠缺课程需要的先学知识机器人焊接实训课程授课对象通常为高职二年级学生，虽然学生前期学习了焊接相关理论知识并有很高的学习积极性，但欠缺焊接机器人的组成、编程及运动原理等相关知识，获取知识和运用知识解决实际问题的能力较差。

1.2缺乏实训条件实训教学一方面是让学生理论联系实际，强化理解和记忆，另一方面是提高学生解决实际问题的能力和动手操作能力。由于设备少，学生多，实训教学无法实现一对一精准教学，只能通过分组进行操作练习，但练习时间有限，很多学生都没有达成学习目标。

1.3难实现理实一体化教学当前，大部分学院教学采用的是传统的演示性教学，重理论、轻实训。虽然学生能够获取焊接机器人应用的感性认识，但无法将相关知识应用到实践中。由于实训设备少，实训条件有限，理论与实践分开教学，无法有效地进行理实一体化教学，教学效果和质量大打折扣。

2虚拟仿真教学的必要性

2.1实现低碳化教学从低碳经济的角度来看，虚拟仿真教学是一种低碳的教学。低碳课堂是在有限的课堂时间里，降低成本和效率，降低无效或低效的教学活动，在教学环境中节约师生时间和精力，使教学效率最大化，避免资源浪费，实现师生可持续发展。焊接机器人广泛应用于汽车、航空航天等很多工业领域且品牌种类较多，除了库卡、发那科、安川、ABB四大家族的机器人之外，还有埃斯顿机器人、熊猫机器人和钱江机器人等国产机器人，工业机器人系价格昂贵，由于在操作与使用上不同品牌的机器人有着一定差异，将所有不同品牌的机器人和应用环境都配齐存在很大的困难，同时也不符合低碳化教学模式的要求[2]。

2.2满足课程实训教学的需求机器人焊接的教学过程主要是示教、编程和焊接，按每台机器人最大允许3人操作编程来计算，这就要求需要较多的焊接机器人。因此，引入ROBOGUIDE仿真教学软件替代焊接机器人实际工作，学生可以在虚拟仿真实训室进行线上编程练习，然后导出离线编程文件，并导入到焊接机器人工作站进行校正调试。使用仿真教学软件，学生可以随时模拟练习机器人编程，帮助学生快速认识机器人，学会机器人示教器在虚拟环境中的基本操作，降低学习成本，明显缩短学习周期，同时提高课堂学习效率，也节省了实训成本[3]。

3ROBOGUIDE软件虚拟仿真教学

3.1虚拟仿真教学软件的选择ROBOGUIDE软件是日本FANUC公司在机器人基础上研究开发的机器人离线编程系统软件。该软件能够满足不同型号的FANUC机器人的离线仿真和通信等基本功能。该软件运行于Windows环境，通过使用虚拟机器人控制技术来模拟仿真实际机器人作业。可实现分析机器人干涉性和可达性、设计系统方案布局和估算系统的节拍、机器人离线程序的自动生成、诊断机器人故障和优化程序等功能[4]。

3.2ROBOGUIDE软件的使用流程

3.2.1工作空间搭建工作空间搭建环节需要以下几个步骤：（1）选择机器人。ROBOGUIDE机器人库里有各种型号的机器人模型，选择与现场机器人工作站型号一样的机器人FANUCM-10iD。（2）选择工具。在工具项里选择与现场焊枪型号一样的焊枪作为工具。（3）搭建平台。从数据库里导入与现实工作站中尺寸大小一样的工作平台和需要加工的工件。（4）TCP校准。将工具中心点（ToolCenterPoint,TCP）从机器人原始的第六轴法兰中心通过六点法（XZ）移至焊丝顶尖位置。（5）工件校准。在实际机器人工作站中的机器人与工件的相对位置固定的前提下需要进行工件校准，这样设计的轨迹才有意义。

3.2.2离线编程离线编程是指在建立了机器人工作站的三维模拟场景后，经由软件仿真计算，生成控制机器人的运动轨迹，进而生成机器人的控制指令[5]。主要有以下三方面的内容：（1）在虚拟环境中创建工作站，将现实中的工作内容还原到软件中；（2）规划并编写机器人运动路径，生成相应的控制指令；（3）设置焊接工艺，完成机器人离线编程。

3.2.3仿真运行编写完成的离线程序，为便于检查机器人工作过程中是否有奇异点，是否会发生干涉等报警，启动碰撞检查功能，如有异常报警可以进行轨迹调整。

3.2.4导出在确认仿真没有问题的前提下，将离线仿真程序导出到FANUC机器人示教器中进行操作调试，最后完成焊接。

3.3ROBOGUIDE软件在教学中的应用

3.3.1认识焊接机器人认识焊接机器人是机器人焊接实训课程的基础内容，主要包含焊接机器人运动规律、技术特点、技术参数、原理、控制系统解析及结构等专业知识。

3.3.2实践工业机器人手动操纵在机器人编程与焊接课程教学中，机器人的手动操纵对于机器人的基础理论知识和机器人编程两大部分知识模块起到承上启下的作用，熟练的操作能力便于学生后续学习焊接机器人。因为学生在动手接触机器人前，对机器人存在陌生感，因此用ROBOGUIDE仿真软件建立虚拟控制系统，并通过虚拟示教器控制实现机器人的手动操作等功能，可以帮助学生熟悉机器人。由于仿真软件上的虚拟示教器和真实示教器功能完全一样，非常有助于教学的实施。（1）支持学习焊接机器人各种功能。例如，建立焊接机器人操作环境、手动操纵、数据处理等基础功能；I/O通信；建立坐标系、有效载荷等数据[6]。（2）通过仿真软件对学生的实际编程操作情况进行检验，有效强化学生安全操作规范和提高操作技能水平，并通过对可能出现的误操作提前进行针对性的分析改进，方便后续在机器人焊接工作站的操作，从而大大降低在工作站内的失误率。此外，学生会根据自己的实际情况课后进行自主训练。（3）通过设置对不同操作要点的针对性训练，增强学生的分析判断及解决实际问题的能力，充实教学内容，丰富教学案例。

3.3.3机器人工作站离线编程应用机器人编程与焊接是焊接实训课程核心内容。目前，焊接机器人编程技术主要分为示教在线编程和离线编程。示教在线编程主要是在现场进行，示教效果取决于操作人员，对于较为复杂轨迹的示教准确性有限，并且占用机器人作业时间，影响效率。与示教在线编程相比，离线编程能减少对机器人资源的占用时间，机器人在工作时操作人员仍可在仿真教学软件上对后续任务进行编程，能够远离部分危险的工作环境，有效改善编程环境，降低工作强度。在实际教学过程当中，如果采用示教在线编程方式，编辑较大程序时，操作烦琐、难度大，因此依托仿真教学软件进行离线编程能够方便快捷地完成编程工作，并且优化和修改程序非常方便，调试正常后的程序可以上传至机器人示教器中运行，有效提高了编程效率[7]。

3.3.4培育专业技能素养在焊接机器人的工程应用中，操作员的专业素养尤为关键。首先，要加强专业技能，理解工艺流程，掌握技术要点，帮助学生熟练掌握操作规范；其次，要塑造职业精神，严谨、勤奋的工作态度对学生成才及后续发展有很大保障作用，从业人员的职业态度和观念是现代企业重点考察内容，因此，将专业素质培养相关内容融入专业课程教学中。ROBOGUIDE仿真软件在教学中的应用有助于学生培育创新精神和提高专业素质。利用ROBOGUIDE仿真软件建立符合实际系统的工作站，结合工业机器人在生活、生产等方面的创新应用进行设计工业机器人方案，这有利于培养学生创新思维和职业规范意识[8]。

4ROBOGUIDE软件在教学中的应用价值

（1）充当课程内容衔接的纽带。在机器人焊接实训课程教学中，焊接机器人基础内容、手动操纵与示教编程等内容都会用到焊接机器人的虚拟仿真。虚拟仿真教学软件起到串联各知识点的作用。（2）提高学生对接岗位需求的能力。离线编程广泛应用于焊接机器人生产、调试、维修等工作岗位中，在高职教育中主要是培养学生提前适应岗位工作的能力，焊接机器人专业教学中加入离线编程相关内容，在校期间培训离线编程技术便于实现教学内容与岗位工作能力无缝对接[9]。（3）提高教学安全性。操作焊接机器人必须严格遵守机器人安全操作规程，违规操作容易对学生或设备造成伤害。因此，要求学生先利用仿真软件进行虚拟仿真训练再进行实机操作练习。学生在仿真练习过程中可能遇到机器人伺服报警、奇异点报警、极限位置以及其他误操作带来的意外情况，这些都能够在软件上解决。由于虚拟示教器与真实工作站内示教器一致，因此，学生在进入真实工作站内操作机器人之前大大提高了机器人操作能力，避免了软件中出现过的故障报警再次出现，减少了危险的发生，提高了实践教学的安全性。（4）缓解实训条件无法满足教学需求的现状。针对学院机器人设备少、学生多、无法完全满足全部学生同时参与机器人焊接实训教学需求的现状，可以通过ROBOGUIDE仿真软件进行任务式、模块化实训教学，一定程度上缓解实训条件压力。同时，学生随时可以在仿真实训室或用自己的电脑对所学知识进行巩固训练，提高了学生学习的自主性和积极性，解决了机器人实训场地的限制问题。

5结束语

虚拟仿真作为现代教学的重要组成和手段，对专业教学起到很大的辅助作用。其不仅满足了低碳教学的理念，而且解决了实践教学环节学生多设备少的难题，大大降低了教学成本，同时减少了实践教学环节的安全隐患，提高了教学质量。通过虚拟仿真技术与实训基地工作站实操相结合的这种线上与线下、虚拟与现实结合的新教学模式，一方面有效提升了学生对FANUC机器人仿真技术的应用能力；另一方面较好地支撑和丰富了课程教学的内容，不仅能够辅助编程练习，提高了教学效率，而且能够进一步提高学生的学习热情，对于提高学生学习工业机器人积极性、培养学生耐心细致的学习习惯和良好的职业素养起到了很好的推动作用。

参考文献

[1]凌双明,黄有全.RobotArt在工业机器人编程仿真教学中的应用研究[J].湖南工业职业技术学院学报,2016,16(4):9-11.

[2]王功亮,王好臣,李振雨,等.基于RobotStudio的工业机器人输送链跟踪仿真[J].机械设计与制造,2019(11):231-234.

[3]樊泽明,余孝军,王鹏博,等.面向工业机器人专业的混合式教学系统[J].高等工程教育研究,2021(6):183-189.

[4]朱文华,史秋雨,蔡宝,等.基于RobotStudio的工业机器人工艺仿真平台设计[J].制造业自动化,2020,42(12):28-31,89.

[5]苏宇,刘海燕.自主学习导向下的虚实结合实验教学探索与实践:以“工业机器人技术”实验课程为例[J].工业和信息化教育,2021(04):79-83.

作者:冶维财 单位:甘肃钢铁职业技术学院