浅谈工业机器人专业在高职院校的培养
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.004
1 工业机器人的概念及分类
1961年美国Unimate公司生产了第一台可用于上下料等简单工作的商用工业机器人，标志着工业机器人诞生。直到80年代初，工业机器人技术才开始较快的发展。尽管工业机器人在工业领域应用广泛，但各国对于工业机器人至今没有统一定义，因此该部分将列举不同工业机器人的定义及分类。
1.1 工业机器人的概念
在美国标准中，只有易于再编程的装置才是机器人，而通过手动装置或者固定顺序的机器人都不认为是机器人，即通过人来驱动装置或者需要安装强制启停驱动器才能运动且运动顺序固定很难更改的都不认为是机器人。而在工业领域一些数控机床也可以实现编程后的功能实现，因此也要区分数控机床和工业机器人的区别。当一台机械设备通过编程可实现多种用途则可能被称作工业机器人，而当一台设备通过编程只能执行同一类型任务的则称为专用自动化设备。目前工业机器人的定义普遍形成以下基本论述：该设备可以将预先编排的程序存入存储装备，靠自身动力和控制能力来实现各种功能，且受人指挥，操作程序能自动重复的一种自动化设备。
1.2 工业机器人的分类
由于工业机器人没有形成较为统一的定义，因此机器人的分类也不尽相同。不同国家、不同协会甚至不同企业分类方法也也有差异。根据日本工业机器人协会（the Japanese Industrial Robot Association， JIRA）的定义，将机器人分为六大类：分别是人工操作装置、固定顺序机器人、可变顺序机器人、示教再现机器人 、数控机器人、智能机器人，而根据美国机器人协会（ the Robotics Institute of America， RIA）的定义，只将以上最后四类认定为机器人装置。而欧洲各个国家对机器人的定义分类表述各异。
目前，工业机器人根据其发展理论及运动控制分析大致分为四种形式。第一种是基于直角坐标系变换的机器人，该结构由三个独立关节组成，运动相互独立，没有耦合，运动算法简单且自身结构有很多限制，自由度不够高。第二种是球坐标式机器人，该机器人工作空间大，占地面积小，但自身结构复杂。第三种是圆柱坐标是机器人，该机器人可进行空间上的上下及水平伸缩运动，具有较大的灵活性，但末端执行装置由于受到自身结构的限制，精度不好控制。第四种是关节式机器人，这种机器人目前在工业领域中应用广泛，一般由三个或三个以上的自由度组成。该机器人类似于人的上半身，具有运动灵活，结构紧凑的特点。
2 工业机器人在高职院校的培养
2.1 工业机器人专业在职业院校的培养目标
2000年我国工业机器人保有量仅为3500?_，而到了2013年我国机器人销售量则高达3.6万多台一举超越日本成为世界上工业机器人销售市场占比最高的国家。2016年中国工业机器人市场需求增长至9.2万台。随着我国人口红利的消失以及“中国制造2025”、“智能转型”的提出催生了工业机器人产业在我国的快速发展。在未来一段时间，机器人制造厂商及其集成商需要大量制造、设计集成、安装调试、销售及技术研发人员及服务人员。而机器人用户也需要大量的工作人员进行日常的维护、调试与保养等工作。以上工作人员都是职业院校工业机器人专业的人才培养目标。由于职业院校受制于招生、科研等客观因素的限制，且工业机器人是一个由多学科组成的高新技术，因此职业院校在人才培养上一方面要进行机器人的理论的学习，为今后在该领域发展的打好基础，另一方面要将更多的教学精力集中在设备的维护、调试及简单的维修等方面。
2.2 工业机器人专业在职业院校的培养内容
目前，我国工业机器人在众多行业已经广泛应用，尤其在冲压、压铸、锻造、机械加工、焊接、热处理、喷涂、仓库堆垛等工业环境中运用广泛。传统的工业机器人系统一般都包含机器人躯干、示教器编程器、机器人控制柜等。图1为六轴机器人躯干简图，其中轴1、4、6为三个旋转轴，每个轴由电机驱动并经过减速器减速来达到增大输出扭矩进而来带动各旋转轴及其以后各部件绕该电机轴做旋转运动，而根据功能的不同，轴6的末端执行器会安装不同的设备，比如喷枪、焊枪、抓手等。轴2、3、5为摆动轴，由减速器连接电机进行驱动各关节部件进行运动。示教编程器是一个机器人控制系统的核心部件，是用来注册和存储机械运动或者处理记忆的设备，可以实现在线编程，该设备由电子系统或者计算机系统来执行。现阶段职业院校机器人专业可通过以下三个层次进行培养：第一，机器人集成应用基础知识学习；第二，机器人操作及基础编程学习；第三，通过焊接工作站、码垛工作站、及喷涂工作站等实训项目对工业机器人的操作学习。
（1）机器人集成应用系统的学习。工业机器人在运动当中都是通过驱动电机进行运动的。机器人集成应用系统的学习很大程度上就是在了解机器人控制柜的原理。该系统主要通过PLC、PLC模拟量的输出模块、电磁阀、对射开关、变频器、伺服驱动器等设备对电机或者伺服电机进行方向、转速以及位置的控制。在实际教学当中，PLC作为实现工业现场自动化程序的控制核心，该课程可作为工业机器人专业的核心课程之一。变频器通过整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、监测微处理单元来调整输出电源的电压和频率，从而达到对电机的调速控制。变频器的内部是靠IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，因此电力电子技术也是该专业一个核心课程。伺服驱动器是控制电机运动的一个重要部分，由于涉及矢量控制电流、速度、位置等闭环算法，因此对于伺服驱动器的学习在职业院校不宜进行深入的理论学习，只要达到能灵活运用的目的即可。最后，通过触摸屏及其相关编程软件的学习，实现对工业机器人的控制。 （2）机器人的操作及基础编程。第二阶段的学习则是一个以实践为主学习过程。在掌握各元器件及PLC的应用基础上，首先实现通过变频器和伺服驱动器对电机实现多段速控制、位置控制及速度控制。实现上述控制以后，通过自学引导方式掌握485通信、Modbus协议等，最终实现通过PLC对变频器、伺服驱动器的通信来达到控制电机目的。最后一个阶段可尝试PLC之间的相互通信，学会PLC之间主站、从站的设立。进入该部分学习，可进行2至3人的小组分配学习方式进行。
（3）机器人实训学习。焊接工作站、码垛工作站及喷涂工作站等项目基本涵盖工业环境当中所遇到的机器人操作情形。每个工作站的建立，除了机器人躯干以外，根据实现的功能不同，需对工作站进行不同单元的调整。以焊接工作站为例，除了机器人本体以外，还包括电源单元、焊枪单元、焊接工作台、夹具单元、机器人底座、自动清枪单元等。通过一个工作站的学习可以做到了解机器人工作站的构成，在掌握好理论和做好安全防护的基础上，可以进行一些简单机器人操作。在实训的同时联系机器人集成系统的应用对机器人工作站工作原理的进行探索。
3 机器人专业在高职院校的培养方向的总结
工业机器人一般由机器人躯干、控制系统、驱动与传动、传感器等几个部分组成。而其中的高精度减速机、高性能的直流伺服驱动器和稳定的控制系统等关键技术??内企业还没很好的掌握。因此未来一段时间我国工业机器人的发展将集中在对基础零部件的、制造能力提升、设计理念的更新以及对工业机器人行业的规范、整合等。作为高等职业类院校，在掌握机器人理论的基础之上，可以更加注重人机互访环境的学习，尝试机器人的在线/离线等编程的教学。另外，机器人产业的发展势必需要相应的机器人管理、销售、营销等人才，高职院校工业机器人专业也可以进行相关人才的培养。最后，针对工业机器人技术更新快的特点，一方面在校教职工要不断的在学习，积极去企业学习最新的机器人技术，另一方面在教学中也要及时的更新设备与教材，保证培养出该专业的学生就业后可快速上岗操作。
