基于企业调研的中职工业机器人应用与维修课程开发浅析

文/李  静   2018-09-14 10:02:02

课 题:本文系2016年广西职业教育教学改革研究项目(重点)“《工业机器人应用与维修》课程开发与建设”的阶段性成果。

《中国制造2025》指出“制造业是国民经济的主体,是科技创新的主战场,是立国之本、兴国之器、强国之基。”《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》明确提出:“以服务为宗旨,以就业为导向,推进教育教学改革。”

现阶段,职业教育担负着为我国制造业发展提供人力支撑的重要责任,急需输送合格的“工业机器人应用与维修”应用型人才,开发中职《工业机器人应用与维修》课程具有重大的实际价值。

一、机器人及工业机器人的定义

机器人(Robota)一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本《罗萨姆的万能机器人》中,意为“苦力”“劳役”,是一种人造劳动者。真正的工业机器人始于20世纪40年代的美国橡树岭国家实验室搬运核原料的遥控机械操作手。1954年美国人George.C.Devol设计、制作了可编程序的关节型搬运装置,并获得专利。

1984年ISO(国际标准化组织)对机器人的定义为:机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料,零件、工具的操作机或为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统。

我国国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为:是一种能自动定位控制,可重复编程的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具,用以完成各种作业。

二、工业机器人在企业、行业应用的调查及分析

我国工业机器人的发展趋势,正如ABB董事长兼总裁顾纯元所说:“工业机器人以现实本土化的需求为导向”,即将相关技术从碎片化的状态融合到中国制造的具体行业或工艺上。

中职《工业机器人应用与维修》课程开发的关键,是通过调查工业机器人在企业、行业对人才的需求情况,找到“工业机器人应用与维修”岗位职业能力体系,确定“工业机器人应用与维修”人才培养方向。为此,项目组成员深入广西柳州、广东、深圳等城市运用工业机器人的企业,实地参观及发放调查问卷,然后对问卷结果进行细致分析处理,得出结论。

从统计数据看到,工业机器人最多应用于搬运,占总数的38%,其次是焊接,占总数的29%,第三是装配,占总数的10%,第四是喷涂,占总数的4%。

通过分析和比对,我们发现:占工业机器人应用总数98%的搬运、焊接、装配和喷涂工作都有一个共同的特点,即对工作点进行准确定位。工业机器人在做搬运、焊接、装配和喷涂等工作时,其工作任务经常发生一定的改变。

比如,同样是搬运工作,但是被搬运的物件、搬运物件的起始位置、搬运物件摆放的终点位置等都有可能根据不同的要求而发生改变。实现这个改变,企业没有必要重新编写全部程序,更不需要另外再买一个工业机器人,只需要调出工业机器人原有程序,在原程序中找到相应定位点的位置指令,将这个指令按照新的位置数据进行变更即可。只要程序正确,工业机器人就能够按照变更后的程序从事新的工作。

此外,项目组还发现工业机器人应用的另外一种情况,就是企业根据自身生产需要,进行简单工业机器人的研发。比如一些要求不高的装配工作,用步进电机、私服电机,结合一个芯片所做的工业机器人就可以完成生产要求。企业自主研发的工业机器人不仅能快速投入生产,而且还能有效降低成本。这对企业来说,无疑是很好的选择。

根据国家统计局数据显示,最近三年——2015年、2016年、2017年,国内人均GDP分别约为7131美元、8123.26美元、8582.94美元。依据涂尔干社会论和经济学中人力资本理论,人均GDP在6000~11000美元,处于工业化后期,对人才的需求由劳动密集型向集约型、智能型转变,对技术技能水平要求较高的工作越来越多。

开发中职《工业机器人应用与维修》课程,要有利于我国职业教育质量的提升,其定位需要与我国经济发展水平相适应,同时具备一定的先进性。

三、中职工业机器人应用与维修课程开发方向

中等职业教育主要培养技能型人才。他们在生产、服务和建设一线,一部分在组织管理生产、建设、服务等实践活动中从事现场技术服务工作,另一部分从事产品的制造、复杂设备的操作、生产工具、机器、设备的运行与维护等。完成这些工作,他们需要接受系统科学的训练及掌握一定的专业理论知识和文化知识,并有一定的人文素养。

1.工业机器人应用与维修课程开发内容

中职教育有别于高等教育,主要强调技能的熟练程度,而技术的难度低于高职。此外,工业机器人并不是一项全新的技术,与学校原有的专业及设备存在着千丝万缕的联系,需要兼顾学校现有设备。因此工业机器人应用与维修课程开发内容的内容分为两个部分。

(1)开发新内容。根据上述对工业机器人在企业、行业应用的调查及分析情况,项目组将中职工业机器人应用与维修课程开发新内容确定为两个方面。

一是对现成工业机器人的教学内容开发。具体为选择目前应用最广、性能最好,最具有代表性的工业机器人(比如华数工业机器人和ABB工业机器人)进行工业机器人拆装技能训练开发;解读工业机器人的应用程序,可以选择一些典型的应用实例,比如工业机器人码垛、工业机器人弹钢琴等,重点放在识读它的程序,训练学生根据定位点不同快速改变原程序的能力。

二是研发简单的工业机器人的内容开发,具体为学校配备步进电机、私服电机及相应芯片,教师设计一些简单的工作任务,学生根据任务要求,将三者适当连接并编写一些简单的应用程序,进行研发式教学。

(2)兼顾学校现有的设备。引入控制中心,对现有电气设备进行改造升级。学校现有一个PLC实验室,内置18台三菱MELSEC FX3u-48M;一个光机电一体化实验室,内置5套光机电一体化设备。

从两个实验室的设备中选出部分设备,让每台设备能独立运作并完成某个特定功能。比如一台能进行液体混合、另一台能进行远程恒压供水,某生产线能进行物料分拣,某路口能进行红、绿灯时间控制等。所有的设备独立运行,单独控制与操作,没有任何关联。

现在将选出的设备的PLC输入输出端口与电气设备集成系统的监控中心连接,将各部分的动作联系起来进行统一的监控,每一台设备的运行状态即时呈现在控制中心的显示屏幕上。显示运行状态的触摸屏组态程序,需要根据所监测的PLC型号及其通讯方式进行同步编写。

2.工业机器人应用与维修课程开发方法

我国中等职业教育发展迅猛,CBE/DACUM课程开发模式的应用却相对稳定,自20世纪90年代引入我国以来,一直是公认的具有代表性的中职课程开发模式。工业机器人应用与维修课程开发仍然使用CBE/DACUM课程模式。

CBE/DACUM课程模式主要有三个步骤:第一步是找准典型工作任务,第二步是确定学习领域,第三步是构建教学内容和体系。其中找准典型工作任务是课程开发的起始点和立足点,尤为重要。

典型工作任务来源于真实工作过程,却不是真实工作过程。将真实的工作过程的各个离散的工作环节和工作任务进行归纳和概括,使之间形成一定的逻辑关系,突出其主要工作环节和典型特征才能成为典型工作过程。即“典型工作过程是按照职业规范、生产工艺和职业资格要求等归纳的必要的和能突出工作流程典型特征的工作过程。”

不仅如此,工作过程还是主体的心理机制指导下通过动觉系统对客体进行改造和加工的系列化活动。与典型工作过程和工作主体心理机制相对应的工作任务才是典型工作任务。

项目组将深入生产一线,收集各个具体的工业机器人应用和维修的工作任务,整理出每一个工作任务主体的工作过程,挖掘工作过程中存在的外显的、可观察到的、具体的行为程序,及内隐的、不易观察到的、抽象的心理机制的参与。

比如,机械手原来加工的材料是金属材料,现在加工的材料是塑料材料,需要对工业机器人进行调整。这个任务显现的工作是识别两种探测器并进行更换和调试至调试成功;隐性的工作是是否主动、迅速做出反应,能否组织团队或协助团队,大家共同完成整个调整工作,调整成功之后能否对工作的效果进行检测及客观的评价,以指导和改进今后的工作等。

开发的课程将以学生的认知规律和职业能力形成规律为辅助线索,按由易到难、由简到繁的顺序编排。在教学过程中,教师逐渐减少参与的工作量、逐渐提升参与的层次,从而在较为容易的学习情境中逐渐培养学习者良好的学习习惯、行动规则、职业规范、思维方法和解决问题策略等,从而形成中职层次职业教育的专业课程。

四、小结

众所周知,职业教育是培养应用型人才和提高职业技能的关键手段,新技术的不断涌现促使职业教育的课程开发向前发展。项目组以国内外最新课程开发方式为依据,结合工业机器人在企业、行业的应用,找到人才需求的关键点,科学、有效地确定了中职工业机器人应用与维修课程开发方向。

参考文献:

[1]徐元昌.工业机器人[M].北京:中国轻工业出版社,1999.

[2]吴晓川.建立和完善中国特色现代职业教育体系需要解决的六个主要问题[J].中国职业技术教育, 2017(15).

[3]吴全全,闫智勇.工作过程系统化课程开发范式的内涵与特征[J].职教论坛,2017(19).

(作者单位:广西机电工业学校)

《职业》2018年8月第24期 目录

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