用项目引领工业机器人实操与应用教学

伍倩兰

工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、食品工业、物流等诸多领域。佛山作为制造业重地，机器人需求将持续稳步增长，目前，佛山市制造业就业人数为253.23 万人，机器人行业人才需求紧迫，需求数量大。

近年来，国内企业和科研机构加大机器人技术研究与本体研制方向的人才引进与培养力度，在硬件基础与技术水平上取得了显著效果，但现场调试、维护操作与运行管理等应用型人才的培养力度依然有所欠缺。机器人应用与维护专业人才又是市场紧缺的，所以培养此类人才符合市场需求。

为适应社会及用人单位的人才需求，我校从2017年开始开设机器人应用与维护专业。在2019年佛山市和顺德区中职学校机器人应用与维护专业人才培养质量第三方考核评价中，我校共有46名学生参加考核，其中25名学生参加佛山市第三方考核，21名学生参加顺德区第三方考核。参加考核学生通过率100%，并取得佛山市第二、顺德区第一的成绩。本文结合笔者的教学实践，以ABB工业机器人为例，通过五个项目探析如何用项目引领工业机器人实操与应用教学。

一、项目一：认识工业机器人

（一）齐齐参与，揭开机器人面纱

机器人品牌和种类很多，如果教师一味滔滔不绝地介绍，学生听着就没有兴趣了。为了让学生能主动参与到学习中，笔者引入了第一个项目——认识工业机器人。在这个项目里，知识点分成三个模块，将学生分成三个小组，并指定三名学生为小组长，由小组长决定组员名单及选定一个模块查找资料，做成海报或ppt，在上课时分享给其他人。三个模块分别是：工业机器人定义及应用行业;如何正确开、关机器人，有哪些安全注意事项;机器人由哪几部分组成？各部分作用是什么？

通过这种方式，学生自己揭开机器人神秘的面纱;根据项目书的内容，教师引领学生一步步走进机器人的世界。课堂上，小组间相互展示，组员相互补充，课堂气氛空前高涨，在愉快的学习中，学生掌握了机器人定义，了解了当前机器人四大家族的名称和品牌，了解了国内机器人品牌及机器人发展史;并掌握机器人操作的安全要求，懂得如何正确开、关机器人;掌握机器人组成和各部分作用。

（二）现场展示，一睹机器人芳容

对机器人有基本认识后，学生带着项目书进入机器人实训室。我校机器人操作室用的是ABB120机器人，共有11个工位。将学生分成11个小组，在机器人不通电的情况下，由小组长带着组员先按项目书要求找到机器人各部分所在位置，并再一次认识各部分名称。然后笔者现场讲解机器人实验室安全操作要求，最后通电演示机器人的开机、关机、急停等操作。在讲述工业机器人的组成时，笔者用类比法进行总结。通过讲解，学生进一步掌握机器人的三大组成部分：①控制柜：是机器人的心脏，相当于电脑主机。电源总开关、急停开关、电动机通电/复位开关及机器人状态选择开关，电磁抱闸开关都在控制柜上;同时，后面学习的io板也是挂在控制柜。②示教器：相当于玩手游时的操纵器，机器人的各种运动都由示教器进行操控，机器人的程序编写也是在示教器完成。③本体：是控制对象。一般机器人有六个轴，每个轴可以单独进行运动，称为单轴运动。也可以几个轴同时运动，称为线性运动或重定位运动。

（三）动手操作，解密机器人运动

在充分认识机器人的组成和结构后，学生根据项目一的操作步骤进行训练。

1.开关机操作

要求学生正确进行开机并打到手机状态，然后按关机顺序正确关机。

2.示教器使用

（1）将示教器语言改为中文。

（2）设置系统时间为2020年6月16日15：22：30。

（3）事件日志查看，说出当前示教器显示的信息。

（4）将手动操作速度调整为50%、30%。

（5）切换机器人动作模式为轴1-3和4-6轴，并熟练进行各轴正负方向控制。

（6）按下面给出的六个轴旋转度数要求调出机器人姿态。姿态一：35，-45，20，0，0，0;姿态二：0，0，0，-50，70，20;姿态三：0，20，-35，45，63，0;姿态四：15，45，-45，25，30，-28。

項目一要求学生认识工业机器人，通过动手操作，正确进行机器人开关机、单轴运动，初步认识机器人六轴运动的正方向操作。为了训练学生的耐心细致，同时也为了让学生能更专注于机器人操作，笔者引入项目二的教学。

二、项目二：手动精准操作

用线性运动平稳操控机器人，机器人运动速度和运动方向要求都非常高。对于刚接触工业机器人的学生来说，机器人的运动方向常常分不清楚，特别是Z轴的正负方向，而方向错误常常造成撞坏工具笔。所以手动精准操作项目，旨在通过反复训练，让学生熟练操纵机器人，无论站在机器人正面、侧面、后面，都能正确判断出机器人X、Y、Z轴的正方向。训练时，结合项目书的操作步骤，要求学生用笔芯3mm的画笔，在线框宽5mm的纸块上手动画直线，不能出现断线、方向错误和碰边。

具体训练要求如下：工具笔安装，采用对角螺丝依次锁紧，全部零件都要装上;手动操作，不能出现断线、碰到迷宫边缘，操作方向正确，不损坏工具笔。

该内容需要反复不断的练习，为了提高学生的兴趣，笔者将每组学生的作品都进行展示和点评，共同找出问题所在：操作速度太快造成碰边，方向不清造成反方向，增量使用造成彩笔出墨不均衡，机器人动作延时造成断线……通过训练，学生基本能做到不碰边，方向正确。但由于工作台不是绝对平整，对于操控能力相对薄弱的学生来说，会出现断线现象。在学生能熟练手动走轨迹后，引入第三个项目。

三、项目三：建立机器人坐标

机器人工作首先要清楚机器人自己的位置，同时还要清楚操作对象（工件）的位置。因此，在进行正式编程之前，让学生清楚理解机器人编程环境，掌握三个必须的程序数据（工具数据TOOLDATA、工件坐标WOBJDATA、负荷数据LOADDATA）。

（一）机器人坐标系设定

需要学生在给出的参数中，设定好机器人的坐标系。如PERS tooldata gripper：=[TRUE，[[97.4，0，223.1]，[0.924，0，0.383，0]]，[5，[23，0，75]，[1，0，0，0]，0，0，0]]。

此表达式定义如下内容：工具数据名称：gripper;TRUE表示工业机器人法兰盘上安装工具;[97.4，0，223.1]表示tcp所在点沿工具坐标系X方向偏移97.4mm，沿工具坐标系Z方向偏移223.1mm;5表示工具质量为5kg;[23，0，75]表示工具重心所在点沿腕坐标X方向偏移23mm，沿腕坐标系Z方向偏移75mm。为加深学生的认识，分两种情况进行训练。

1.第一种情况

直接给出各数据。对于给出各数据的设定，只要在菜单-程序数据-tooldate（wobjdate）-显示数据-新建，按项目书的步骤完成。

（1）工具数据tooldate的设定：名称：TOOL_A1;robhold：TRUE;位置（x，y，z）：（0，0，150）;质量：0.2KG;重心（x，y，z）：（0，0，100）。

（2）工件数据wobjdate的设定：名称：WOBJ_A1;robhold：FALSE;位置（x，y，z）：（300，200，5）。

2.第二种情况

根據给出工具特点设定工具数据或工件数据。例如：某涂胶笔，安装在机器人第六轴的法兰上，笔尖离法兰中心正前方150mm。重心在离法兰中心50mm处，质量0.2kg，可视为一个点质量。数据名称为TOOL_A2。要求先写出表达式，再在机器人中设定。

PerstooldateTOOL_A2：=[true，[[0，0，150]，[1，0，0，0]]，[0.2，[0，0，100]，[1，0，0，0]，[0，0，0]]。

（二）工具TCP标定

工具TCP标定可通过4点法、5点法和6点法标定ABB机器人工具坐标。以6点法标定机器人工具TCP为例，要求学生按下面的步骤操作：安装尖点工具时正确使用销钉;锁紧尖点工具时，采用对角螺丝依次锁紧;拆卸尖点工具时，规范使用工具正确操作;按照任务书要求以指定姿态完成标定操作;TCP精度平均误差小于0.5m。

（三）工件坐标标定

初学者对于工件坐标系的理解是容易混淆的：工件坐标系对应工件，定义工件相对于大地坐标系（或其它坐标系）的位置。有两个作用：一是方便用户以工件平面方向为参考手动操纵调试;二是当工件位置更改后，通过重新定义该工件坐标系，机器人即可正常作业，不需要对机器人程序进行修改。

为了让学生能深刻理解工件坐标，笔者直接给出图1、图2两个长方形，让学生先建立图1和图2的工件坐标系，项目四学习完后再来完成这两个图形的程序编写。

四、项目四：轨迹编程

经过前面的学习，学生已经能熟练地手动操作机器人。接下来就学习如何让机器人自己动起来，进行轨迹编程。

本次任务需要掌握机器人程序数据，如何创建模块和例行程序，如何进行程序编写、程序调用;同时，还需要掌握机器人运动指令：movej、movel、movec、moveasbj。

（一）项目训练

在home点启动程序;工艺过程的起始点、结束点为工作原点home;程序运行过程中不能出现轴超限或出现奇异点，或运行过程中止;写字/划线位置不符要求，偏离位置、少连接线条，点与点之间必须连接;设备运行时没有明显晃动;程序运行后，能正确地把单周运行时间显示在示教器上;不能与周边设备碰撞致设备损坏，或损坏工具笔。

（二）完成项目三的两个长方形的轨迹

如果用一般方法，即分别编写两段程序，示教8个目标点，完成两个图形的轨迹。学习了工件坐标系，就可以分别建立图1的工件坐标系WORDJ1和图2的工件坐标系WORDJ2，然后只需要编写图1的例行程序，示教4个目标点;然后将图1的例行程序复制到图2的例行程序，并将工件坐标更改成图2的工件坐标系就可以了。

五、项目五：搬运和码垛

工业机器人点到点搬运是生产线中最常见的应用，本项目让学生从简单的搬运程序开始，慢慢通过自己的理解掌握多物料搬运，最后完成码垛操作。

搬运和码垛涉及配板和配置I/O，因此本项目拆分成配板、I/O设置、单物料搬运、多物料手搬运、码垛。

Proc  f1（ ）

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj1

Movej  p1，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel  p2，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel  p3，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel  p4，v1000，fine，tool0/wordj1;

Movel  p1，v1000，fine，tool0/wordj1;

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj1;

Procend

Proc  f2（ ）

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj2

Movej  p1，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel  p2，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel  p3，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel  p4，v1000，fine，tool0/wordj2;

Movel  p1，v1000，fine，tool0/wordj2;

Moveabsj p0，v1000，fine，tool0/wordj2;

procend

（一）I/O模塊通讯

I/O板在系统中的名字为：Board10，区分大小写;I/O板的类型：D652;I/O板连接的总线：DeviceNet1;I/O板在总线中的地址为10。

（二）I/O设置

定义输入信号，名字正确，名字与地址匹配;定义输出信号，名字正确，名字与地址匹配。

（三）程序编写

1.单物料搬运

工作要求：根据生产需要，将流水线上的工件搬运到放置台。

此任务只搬运一次，程序相对简单，只需要一个例行程序就可以。因涉及机器人与外部设置的通讯，需要进行硬件接线。故在项目书编写时，先进行配板及IO配置，然后进行外部接线。最后才开始规划路线编程。使用偏移指令，示教2个目标点就可以完成。还需要用到waitdi，set，reset 指令。

2.多物料搬运

在掌握单物料搬运后，让学生搬运2个物料、8个物料。搬2个物料，写两次程序就好。搬8个物料呢？这时我们就要规划例行程序：初始状态，取式件，放工件，主程序。同时要掌握程序调用指令、while指令、赋值指令等的使用。

3.码垛

搬运8个工件，如果不是放在同一个地方，而是有序排一起，如何编写程序？如果4个放一排，另4个放第二排，又如何编写程序？通过变换不同的码垛方式，让学生通过思考灵活进行编程，掌握机器人搬运码垛的应用。

通过以上五个项目训练，学生对工业机器的操作有了全面认识，并能进行典型应用，为后面开展机器人仿真教学、生产线教学等打下牢固基础，同时也带领学生进入机器人领域的大门。

责任编辑 陈春阳