工业机器人技术专业升级与数字化改造实施路径.pdf

2 0 2 4年2期 8 7 2 0 2 4年第4 6卷第2期工业机器人技术专业升级与数字化改造实施路径高 维基金项目:2 0 2 1湖南省职业院校教育教学改革研究项目:现代产业学院背景下产学研“多元融合”协同育人模式的探索与研究 以工业机器人技术专业为例(Z J G B 2 0 2 1 1 9 8);2 0 2 2年湖南省教育厅科学研究项目:基于数字孪生的工业机器人虚实驱动系统的研究(2 2 C 1 1 7 4)作者简介:高维(1 9 8 2-),本科,高级工程师,研究方向为职业教育、工业机器人技术。(湖南信息职业技术学院 长沙4 1 0 2 0 0)摘 要 目前,我国高校数字化转型实践还处于探索阶段。教育数字化转型是数字中国建设的重要组成部分,文中以工业机器人技术专业为例,从实训室建设、课程结构体系、教师的数字化素养、竞赛培训等方面探索了实践路径。通过技术和数据的创新应用,可以构建以数据为关键要素的高质量教育数字化体系,实现教育要素、教育过程、教育领域的全面数字化,提高育人质量。关键词:工业机器人技术;教育数字化;高校数字化转型中图分类号 G 4 3 4I m p l e m e n t a t i o nP a t h f o rU p g r a d i n ga n dD i g i t a lT r a n s f o r m a t i o no f I n d u s t r i a lR o b o tT e c h n o l o g yM a j o rG AO W e i(H u n a nI n s t i t u t eo f I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,C h a n g s h a4 1 0 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t A tp r e s e n t,t h ep r a c t i c eo f d i g i t a l t r a n s f o r m a t i o n i nc o l l e g e s a n du n i v e r s i t i e s i nC h i n a i s s t i l l i n t h ee x p l o r a t o r ys t a g e.E d u c a t i o n a l d i g i t a l t r a n s f o r m a t i o n i sa n i m p o r t a n tp a r to f t h ec o n s t r u c t i o no fd i g i t a lC h i n a.T a k i n g i n d u s t r i a l r o b o tt e c h n o l o g ya sa ne x a m p l e,t h i sp a p e re x p l o r e st h ep r a c t i c a lp a t hf r o mt h ec o n s t r u c t i o no ft r a i n i n gr o o m s,c u r r i c u l u ms t r u c t u r es y s t e m,d i g i t a l l i t e r a c yo f t e a c h e r s,c o m p e t i t i o n t r a i n i n ga n do t h e r a s p e c t s.T h r o u g h t h e i n n o v a t i v e a p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g ya n dd a t a,ah i g h-q u a l i t ye d u c a t i o nd i g i t a l s y s t e mw i t hd a t aa s t h ek e ye l e m e n t c a nb eb u i l t,t h e c o m p r e h e n s i v ed i g i t i z a t i o no f e d u c a t i o n a l e l e m e n t s,e d u c a t i o n a l p r o c e s sa n de d u c a t i o n a l f i e l dc a nb e r e a l i z e d,a n d t h eq u a l i t yo f e d u c a t i o nc a nb e i m p r o v e d.K e y w o r d s I n d u s t r i a l r o b o t t e c h n o l o g y,E d u c a t i o nd i g i t a l i z a t i o n,U n i v e r s i t yd i g i t a l t r a n s f o r m a t i o n1 研究背景数字经济的发展,促进了制造业的全面转型升级,使制造业生产环节向着精细化、流程化和智能化的方向发展,生产过程也向着数字化、智能化的方向发展,使生产者成为生产过程的中心,同时对技术技能人才提出了新的要求。因此,需积极适应新技术和产业变革,探索工业机器人技术专业的迭代升级和数字化赋能,提升数字化技术技能人才的培养质量。2 建设任务为实现专业升级和数字化改造,适应数字经济下的就业新需求,本文分别从实训室建设、课程结构体系、教师的数字化素养以及竞赛培训等方面探索了实践路径。2.1 打造数字化实训中心(1)基于数字孪生技术构建网络化、数字化的虚实融合创新型实践教学平台以工件仓储、检测、搬运、装配等流程为主线,依靠工业机器人技术、机器视觉检测、A G V运载机器人技术、变频控制、可编程控制器、输送技术、智能制造信息化管理、数字孪生等先进的制造技术,构建一条可追溯产品检验、分拣、装配、转运、入库流程的自动生产线。虚实融合的实践教学平台以实现机器人关节的混流生产为目标,其基本流程如下。由智能制造ME S生产管理软件协调调度,码垛机从立体仓库中取出工件与托盘,并将其放置于A G V机器人上部的输送线,通过A G V机器人输送至托盘流水线上,然后通过视觉系统识别工件,由工业机器人进行混流生产。系统工件被放置在托盘上,并存储于立体仓库内。系统启动运行后,托盘与工件由堆垛机出库,经A G V运载机器人运输至倍速链输送机上。此时,视觉检测系统会检测托盘上工件的位置、形状、颜色等信息。根据检测结果,工业机器人会将工件搬运至板链式输送机相应位置,并完成相应工件的装配作业1。(2)基于虚实融合的实践教学平台开发虚拟现实融合8 8 2 0 2 4年2期的机器人拆装实训系统基于虚拟现实技术,针对性地开发工业机器人拆装实训系统。该系统可以在虚拟环境中演示和虚拟操作设备拆装的过程,帮助受训人员快速掌握设备构造、拆装规程等知识,为实物拆装实训提供必要的准备,帮助技术人员增强理论知识和实践技能,降低拆装工作的难度、提高工作效率。系统采用无插件、轻量化设计架构,基于数字孪生平台技术二次开发,内设高精度3 D设备模型数据库及装配工艺信息库。通过整个配置引导流程,可以实现从模型输入到场景培训的闭环。受训人员可自由选择设备进入培训流程,进行人机交互式训练,在界面中通过点击3 D模型的某组件,将模型组件从模型上拆解出来,展示模型“从整到零,从零到整”的过程。同时,通过将设备检修规范、拆解流程等内置在系统中,可对受训人员进行培训,帮助培训人深化对设备结构的掌握程度。(3)基于智能产线开发自动化模块的虚拟仿真与调试项目构建基于西门子P r o f i N e t的工业以太网络,完善和升级智能产线的硬件,以满足虚拟仿真与调试项目的要求。利用西门子D E S数字化仿真套件,基于N X MC D(机电一体化概念设计软件)、S I M I T(自动化项目仿真 与 设 计 软件)、T I AP r o t a l(P L C编程软件)、P L C s i m A d v a n c e d(P L C高级仿真软件)、KUKA.S i m(KUKA高效离线编程智能模拟软件)、KUKA.O f f i c e L i t e(KUKA虚拟控制器)、T e c n o-m a t i x仿真平台等,完成智能产线设备数字孪生体机械模型的设计、电气原理图设计、气动回路图设计、P L C程序设计、工业机器人程序设计、通信接口设计等,研究和设计具有装配容易、柔性化优、精度高、安全可靠等优点的数字孪生体实践教学平台,实现以智能产线为典型实例的自动化虚拟仿真与调试,其技术路线如图1所示。图1 虚拟调试运行实现技术路线2.2 重构数字化的课程体系2.2.1 基于典型任务构建课程体系按照数字化技术技能人才成长的逻辑规律,重新构建工业机器人技术专业课程体系2。基于虚实融合实践教学平台的生产目标,对标职业技能等级的要求,按照从中级到高级再到技师的发展路径,将生产目标分解为典型的工作任务。采用行动导向的教学方法,师生共同完成机器人关节的混流装配,实现虚实融合实践教学平台的生产目标。基于典型工作任务的一主两辅课程体系以专业课程为主翼,以公共基础课程、拓展课程为辅翼,既保证了学生的专业技能,也保证了对学生专业的迁移能力和人文素质的培养。在设置课程时,应坚持“能力为本,学以致用”的理念,充分考虑数字孪生技术、工业以太网技术的应用,将“工业机器人应用系统建模”等课程的内容修改为基于西门子N X M C D的生产线数字化设计与仿真,并在“工业机器人应用系统集成”等课程中增加基于工业以太网的数据驱动教学内容。结合前期专业调研结果,组织行业、企业和教育专家进行讨论,梳理工业机器人技术专业对接的工作岗位及工作任务,总结、归纳出典型的工作任务,分析完成典型工作任务所需的数字化职业素质和职业能力,然后将典型工作任务转化为学习要求,进而转化为课程内容。2.2.2 基于课程体系开发数字化资源整体教学资源建设思路如图2所示。图2 教学资源建设思路(1)建设与实践相关的理论知识的认知类教学资源。例如,设计开发机械装配、传感器工作原理、气动控制等演示类教学资源,以可视化的方式调阅设备各方面的运行数据,让学生更直观地理解传感器、气缸的工作机制和原理。(2)设计、开发自动控制类的实践教学资源。应遵循技能点碎片化和自主训练的教学理念,将各阶段控制流程的移动信息2 0 2 4年2期 8 9 实现分解为技能点、能力点,并给予学生相应的指导。(3)综合性实践教学资源建设,通过“项目引导”的教学形式进行自动化技术综合实践3。例如,在数字孪生实验实训环境中,利用多领域全息的信息物理数据模型找出控制方案中的缺陷与不足并加以改进,利用项目经历培养学生的工程实践与创新能力。2.3 提升专业教师的数字化素养(1)加强对教师数字化教学能力的培养从教师、教材、教法改革各层面激励教师主动适应数字化等新技术变革,数字化技术应用需要融入教育教学的全过程,促进教师的数字化技术应用能力向数字化素养转变。完善考核与培训激励机制,定期开展多学科、多类型的数字化培训与学习,提升教师对数字孪生相关软件的应用能力,强化数字化教学技能,创新数字化教学方法,推动数字技术与课堂教学的深度融合。(2)加强专业合作,促进数字资源的开发与应用开发数字教学资源是开展数字化教学的重要基础,数字资源设计与开发能力也是衡量教师数字化教学水平的关键。依托湖南省高水平专业群(电子信息工程技术专业群)建设与师资队伍建设,工业机器人技术作为专业群内专业,积极参与了协作共同体建设,加强了专业教学资源库的建设,完善了高水平专业群和团队建设工作,分工推进数字化教学的全面实施,组织专业群内不同专业教师协同合作,提高了数字教学资源的质量与水平。另外,应鼓励教师参加在线精品课程建设、教学能力大赛,制定校级、市级、省级、国家级课程与教学能力梯队培养制度,持续推进数字资源的开发与建设。(3)开展数字技术下的教学改革教学模式逐渐丰富为线上与线下、虚拟与现实自由切换的混合模式,教材开发和课程建设逐渐融入了各种数字化资源,对教师的数字素养提出了更高的要求。需要应用数字技术手段,开展线上线下混合式教学,探索自主式、协作式、探究式的课堂教学形式,推进以学生为中心的教学设计与教法改革,打造辐射广、应用强的“精品课程”;依托精品课程资源,大力开发数字教材,创新教材样式,同步课程与教材资源;开展专业虚拟教研室活动,规范教学组织管理,促进高质量精品资源的示范与共享。2.4 数字赋能职业技能培训和技能竞赛(1)通过实践教学的信息化和数字化,可以将教学资源应用于职业技能培训、继续教育等社会培训。随着数字技能的广泛应用,人们对数字技能教育和培训需求的激增,驱动着教育和培训内容的更新和服务转型。在数字化时代,职业教育的专业教学资源库打破了传统教育的局限性,实现了优质教育资源的共享与共学,让学习型社会建设有了前行的“加速器”。通过构建真实的工作环境,开展混合式教学,应用虚拟仿真、数字孪生等数字技术和资源创设教学场景,能有效解决实习实训难题。(2)基于数字化的虚实融合实践教学平台可以开展更高层次的理论和实践培训,提高学生的技能水平。通过理论讲解、案例研讨等多种形式,以工业互联网技术、人工智能技术、边缘计算技术、数字孪生技术、机器人技术等为切入点,以数字化设计、智能化生产、绿色化制造、数字化管理、安全化管控为基础,结合网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新模式特征,深入浅出地讲解未来工厂的技术重点和难点,生动地展现课程内容的系统性、应用性和趣味性。实操培训环节围绕智能线运行与维护、ME S系统操作应用、变频与伺服驱动应用、触摸组态控制、机器视觉系统应用、智能线集成与应用等内容,采用小班化教学,两人一组,分批进行。学生可以参与到前沿领域中相互交流学习,不断提升高实际操作能力。3 专业升级与数字化改造的思考专业升级与数字化改造,需要构建新型学习生态,对接企业新技术岗位、智慧化管理、智能化生产、数据化应用、数字化技能等核心问题。(1)教学资源的数字化,增强双向实时信息交互和实时交互体验。以工业机器人技术专业为例,借助三维虚拟仿技术实时展示机器人,通过数字孪生技术模拟机器人的拆装和检修,实时引导学生操作,跟踪分析学生的实操过程,按行业操作安全规范给予智能化的过程评价和自动化的结果评价。(2)教学管理的数字化。1)以学生为中心,数字化的教学平台应能实时采集学生的学习数据。2)以实训为核心,推动职业教育的数字化,强调实训中心的数字化,推动虚拟仿真技术的应用,有效提升职业教学品质。(3)教学手段数字赋能。1)以数字赋能为数字化目标,职业教育从有边界走向无边界、教学方法从统一标准走向个性定制、老师教学从经验导向走向数字驱动。2)将持续创新作为数字化结果,教学内容应紧随数字经济潮流而及时更新;学习方式以“云课程+智能技术+虚拟现实”为主;教师将成为学习的组织者和启发者、成为培养学生核心素养和关键能力的引导者;评价方式从单一的学业水平表现转变为对学生综合素质的评价。4 结语目前,我国职业教育数字化转型实践还处于探索阶段,需要通过对国际范围内已有案例的系统化分析,来探索数字化转型的一般性规律,以指导实践。在实际工作中,需要将教育数字化转型视为数字中国建设的重要组成部分,落实立德树人的根本任务,通过技术和数据的创新应用,构建以数据为关键要素的高质量教育数字化体系,实现教育要素、教育过程、教育领域的全面数字化,提高育人质量,培养具有数字化素养的技术技能人才。参考文献1杜学 元,赵 斌刚.教育 元 宇宙:数 字孪 生 高校 的未 来 构 想J.教育学术月刊,2 0 2 2(1 0):1 6-2 3.2华子荀,黄慕雄.教育元宇宙的教学场域架构、关键技术与实验研究J.现代远程教育研究,2 0 2 1,3 3(6):2 3-3 1.3陈云龙,翟晓磊.教育数字化转型的构想与策略J.教育数字化,2 0 2 2(1 2):1 0 1-1 0 6.移动信息