姚 鋼

（湖南網(wǎng)絡(luò)工程職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

仿真技術(shù)在高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

姚 鋼

（湖南網(wǎng)絡(luò)工程職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

仿真技術(shù)作為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的重要發(fā)展方向，涌現(xiàn)出諸多優(yōu)秀的仿真軟件，如ABB公司配套工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的RobotStudio仿真軟件。RobotStudio的功能設(shè)置覆蓋了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的完整生命周期，與高職工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用課程體系由認(rèn)知→操作→編程→工具設(shè)計(jì)→行業(yè)應(yīng)用及自動(dòng)化生產(chǎn)線裝調(diào)的逐層遞進(jìn)教學(xué)過(guò)程相契合。因此，將RobotStudio仿真軟件豐富的資源融入到整個(gè)專業(yè)課程體系的教學(xué)過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)課程內(nèi)容的有效充實(shí)、實(shí)訓(xùn)練習(xí)的有效支撐。

仿真技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人；仿真軟件

仿真技術(shù)在教育教學(xué)中得到良好應(yīng)用，成為開(kāi)展信息化教學(xué)的重要支撐。高職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)包含基礎(chǔ)認(rèn)知、機(jī)器人操作與編程、簡(jiǎn)單工具設(shè)計(jì)、不同行業(yè)工作站及自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用等一系列基本理論與實(shí)踐相結(jié)合的知識(shí)與技能，具有一定的難度。仿真技術(shù)作為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向之一，在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，為了能夠更好地激發(fā)學(xué)生興趣、豐富教學(xué)手段、充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，在專業(yè)課程體系中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人仿真軟件對(duì)教學(xué)、訓(xùn)練進(jìn)行支撐。

目前，常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人仿真軟件有RobotArt、Robotmaster、RobotWorks、ROBCAD、DELMIA、RobotStudio、Robomove等。其中，RobotArt是國(guó)內(nèi)首款商業(yè)化離線編程仿真軟件，支持多種品牌工業(yè)機(jī)器人離線編程操作，如ABB、KUKA、Fanuc、Yaskawa、Staubli、KEBA系列等；其他仿真軟件是行業(yè)內(nèi)國(guó)外優(yōu)秀品牌，其中RobotStudio仿真軟件是ABB工業(yè)機(jī)器人的配套產(chǎn)品，作為本體制造商仿真軟件制作最為精良的一款，其功能包括了各種常見(jiàn)CAD模型導(dǎo)入、自動(dòng)路徑生成、自動(dòng)分析伸展功能、碰撞檢測(cè)、在線作業(yè)、模擬仿真、行業(yè)應(yīng)用功能包等，覆蓋了工業(yè)機(jī)器人完整的生命周期。因此，為配合ABB工業(yè)機(jī)器人教學(xué)，將RobotStudio仿真軟件與專業(yè)課程體系相結(jié)合，輔助專業(yè)教學(xué)，如圖1所示。

表1 RobotStudio對(duì)專業(yè)方向課程的支撐

1 RobotStudio與專業(yè)課程的對(duì)接

工業(yè)機(jī)器人作為典型的機(jī)電類裝備，其專業(yè)課程體系主要有兩個(gè)方面構(gòu)成，一方面是專業(yè)基礎(chǔ)課程，其中包括機(jī)械及電氣控制類課程，如機(jī)械制圖、機(jī)械基礎(chǔ)、電工電子技術(shù)、電氣控制及PLC技術(shù)等；另一方面是專業(yè)方向課程，主要涉及工業(yè)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)與技能，形成由工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知→操作→編程→工具設(shè)計(jì)→行業(yè)應(yīng)用及自動(dòng)化生產(chǎn)線裝調(diào)的從基礎(chǔ)到進(jìn)階再到綜合應(yīng)用的逐層遞進(jìn)教學(xué)過(guò)程。

RobotStudio仿真軟件因其豐富的模型庫(kù)資源、強(qiáng)大的虛擬控制技術(shù)、離線編程技術(shù)以及生產(chǎn)線仿真技術(shù)能夠較好地對(duì)接整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)方向課程。

2 RobotStudio在課程中的應(yīng)用

2.1 幫助實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知

《工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知》課程是工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，承擔(dān)著向?qū)W生闡述工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用、解析工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)、展示工業(yè)機(jī)器人作業(yè)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)等專業(yè)知識(shí)的任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人種類多、結(jié)構(gòu)形式多樣化，實(shí)訓(xùn)條件難以覆蓋，仿真軟件的引入為初步認(rèn)識(shí)和了解工業(yè)機(jī)器人提供了便利。

RobotStudio仿真軟件配置的機(jī)器人模型庫(kù)包含了水平關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人、六軸工業(yè)機(jī)器人、蜘蛛手機(jī)器人、人機(jī)協(xié)作機(jī)器人以及噴涂專用機(jī)器人等本體模型，涵蓋了各類主要機(jī)型。

圖1 機(jī)器人模型庫(kù)

通過(guò)機(jī)器人模型庫(kù)，可以針對(duì)不同類型工業(yè)機(jī)器人全面解析其運(yùn)動(dòng)自由度、坐標(biāo)系、工作空間、結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)等知識(shí)，并且結(jié)合不同行業(yè)應(yīng)用案例直觀展示。

2.2 輔助工業(yè)機(jī)器人操作訓(xùn)練

《工業(yè)機(jī)器人操作》是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，熟練的工業(yè)機(jī)器人操作能力是后續(xù)學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。課程圍繞工業(yè)機(jī)器人示教器基本操作、關(guān)鍵數(shù)據(jù)創(chuàng)建、常見(jiàn)指令應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)展開(kāi)。

RobotStudio仿真軟件中可以構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人虛擬控制系統(tǒng)，通過(guò)虛擬示教器實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的控制。軟件所提供的虛擬示教器與機(jī)器人本體示教器完全相同，其對(duì)于教學(xué)有重要支撐：

（1）支持各種功能操作的學(xué)習(xí)：基礎(chǔ)功能，如工業(yè)機(jī)器人操作環(huán)境配置、手動(dòng)操縱、數(shù)據(jù)處理等；I/O通信，如標(biāo)準(zhǔn)I/O板配置、I/O信號(hào)監(jiān)控與操作、Profibtis適配器連接、系統(tǒng)輸入/輸出與I/O信號(hào)關(guān)聯(lián)等；數(shù)據(jù)創(chuàng)建，如工具坐標(biāo)、工件坐標(biāo)、有效載荷等數(shù)據(jù)創(chuàng)建。

圖2 仿真軟件示教器

（2）提前介入學(xué)生作業(yè)實(shí)操練習(xí)，有效強(qiáng)化學(xué)生的操作技巧及安全操作規(guī)范，將可能出現(xiàn)的誤操作等提前暴露，進(jìn)行針對(duì)性強(qiáng)化，為機(jī)器人本體實(shí)操奠定基礎(chǔ)，較大程度提升安全系數(shù)；另外，學(xué)生可根據(jù)自身情況在課余時(shí)間靈活、自由開(kāi)展自主練習(xí)；

（3）充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)對(duì)不同操作技能點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的工況設(shè)置，增強(qiáng)學(xué)生的分析判斷能力，同時(shí)豐富教學(xué)案例。

2.3 支持工業(yè)機(jī)器人離線編程

《工業(yè)機(jī)器人編程》是工業(yè)機(jī)器人操作的進(jìn)階階段。工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)主要分為示教編程與離線編程。示教編程是一種現(xiàn)場(chǎng)編程方式，占用機(jī)器人作業(yè)時(shí)間，影響效率，同時(shí)示教效果取決于操作人員，對(duì)于較為復(fù)雜軌跡的示教準(zhǔn)確性有限。離線編程相較于示教編程，主要優(yōu)勢(shì)有：減少機(jī)器人停機(jī)時(shí)間，當(dāng)對(duì)后續(xù)任務(wù)編程時(shí)，機(jī)器人仍可工作；編程者能夠遠(yuǎn)離部分較為危險(xiǎn)的工作環(huán)境，改善編程環(huán)境；程序修改容易、優(yōu)化便捷。

依托仿真軟件進(jìn)行離線編程，能夠有效提升編程效率，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，機(jī)器人作業(yè)軌跡并非簡(jiǎn)單的點(diǎn)線結(jié)合，程序設(shè)計(jì)也通常涉及邏輯判斷及各類子程序的嵌套，如果采用示教編程方式，通過(guò)示教器編輯較大程序，操作繁瑣、難度大。

通過(guò)RobotStudio仿真軟件的離線軌跡編程及輔助工具、RAPID程序編輯模塊等，能夠便捷完成程序的編輯工作，并且程序修改、優(yōu)化方便，設(shè)計(jì)完成的程序能夠直接下載到機(jī)器人控制器使用。為學(xué)生學(xué)習(xí)掌握碼垛、搬運(yùn)、打磨、注塑及焊接等各類行業(yè)應(yīng)用程序的特點(diǎn)及編程方法打好基礎(chǔ)。

2.4 實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人關(guān)聯(lián)設(shè)備設(shè)計(jì)

仿真軟件應(yīng)用過(guò)程中三維模型的構(gòu)建是基礎(chǔ)性必要工作。在工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)中，需要?jiǎng)?chuàng)建的三維模型包含生產(chǎn)設(shè)備、輔助裝置、工裝夾具等，如碼垛作業(yè)需要構(gòu)建流水線、工業(yè)機(jī)器人基座、護(hù)欄、碼盤以及吸盤等。合理的工作場(chǎng)景三維布局、準(zhǔn)確的設(shè)備及工裝夾具模型構(gòu)建是保障仿真效果的重要基礎(chǔ)。

RobotStudio仿真軟件兼容多種三維工程設(shè)計(jì)軟件，如Pro/e、Soliworks等，同時(shí)提供了建模工具。建模功能的集成，為RobotStudio仿真軟件在模型構(gòu)建中提供了便利，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人工具的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)特別具有針對(duì)性。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，通過(guò)第六軸法蘭盤安裝的各類專用夾具實(shí)施作業(yè)，實(shí)現(xiàn)不同功能，常見(jiàn)的工具如焊接用焊槍、物件拾取吸盤、夾爪、真空吸嘴、涂裝噴槍等。教學(xué)過(guò)程中，可以根據(jù)應(yīng)用實(shí)際引導(dǎo)學(xué)生思考設(shè)計(jì)適用性更強(qiáng)的作業(yè)工具，通過(guò)模型構(gòu)建及優(yōu)化，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人在不同行業(yè)應(yīng)用中的理解以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，突出教學(xué)的工程實(shí)踐性。

圖3 碼垛流水線作業(yè)

2.5 幫助熟悉各類工業(yè)機(jī)器人集成生產(chǎn)線

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的落腳點(diǎn)在于自動(dòng)化系統(tǒng)的集成，在搬運(yùn)、碼垛、弧焊、噴涂、打磨、壓鑄、裝配等各類行業(yè)應(yīng)用中，自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用形式及功能各具特色，理解并掌握行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人使用的需求及特點(diǎn)，將為學(xué)生拓展視野、夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)、強(qiáng)化邏輯思維、提升綜合應(yīng)用能力起到良好的推動(dòng)作用。

RobotStudio仿真軟件行業(yè)應(yīng)用功能包能夠?qū)崿F(xiàn)不同的作業(yè)類型仿真，訓(xùn)練流水線的完整創(chuàng)建過(guò)程，即從基礎(chǔ)建?！O(shè)備布局→I/O系統(tǒng)設(shè)置→程序編制→目標(biāo)點(diǎn)試教→調(diào)試運(yùn)行，能夠使學(xué)生在任務(wù)實(shí)施的過(guò)程中清晰認(rèn)識(shí)和掌握系統(tǒng)創(chuàng)建及工業(yè)機(jī)器人的配置、編程要點(diǎn)，訓(xùn)練判斷、分析、糾錯(cuò)、優(yōu)化的工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)能力。

在RobotStudio中，工業(yè)機(jī)器人與流水線及關(guān)聯(lián)設(shè)備的動(dòng)態(tài)效果通過(guò)軟件的Smart組件功能實(shí)現(xiàn)。以工業(yè)機(jī)器人碼垛作業(yè)為例，整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)包含產(chǎn)品、輸送鏈、工業(yè)機(jī)器人、吸盤、碼盤等。通過(guò)Smart組件的應(yīng)用能夠良好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程。Smart組件在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體作業(yè)效果時(shí)，需要關(guān)聯(lián)仿真的關(guān)鍵性動(dòng)態(tài)屬性如表2所示。

表2 碼垛作業(yè)Smart組件動(dòng)態(tài)仿真功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的集成如碼垛作業(yè)，能夠覆蓋專業(yè)課程體系的全部?jī)?nèi)容，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型綜合。將RobotStudio仿真軟件融入到工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線課程教學(xué)當(dāng)中，一方面能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)設(shè)不同的工程應(yīng)用背景，熟悉不同行業(yè)典型應(yīng)用；另一方面，仿真系統(tǒng)的集成不僅是設(shè)備的集成，也是專業(yè)知識(shí)與技能的集成，能夠?qū)⒐I(yè)機(jī)器人操作與編程、工裝工具設(shè)計(jì)、工藝流程編制、傳感技術(shù)等系列專業(yè)知識(shí)融合，使學(xué)生體會(huì)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線裝調(diào)集成應(yīng)用全過(guò)程。

2.6 輔助專業(yè)技能素養(yǎng)的初培育

工業(yè)機(jī)器人及相關(guān)行業(yè)的工程應(yīng)用，專業(yè)素質(zhì)的支撐至關(guān)重要，一方面要強(qiáng)化專業(yè)技能，幫助學(xué)生深入領(lǐng)悟技術(shù)要點(diǎn)、熟練掌握操作規(guī)范、全方位理解各類應(yīng)用的工藝流程；另一方面要塑造職業(yè)精神，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)于從業(yè)人員的職業(yè)態(tài)度和觀念的重視程度越來(lái)越高，嚴(yán)謹(jǐn)、勤奮的工作態(tài)度對(duì)于學(xué)生成才及后續(xù)發(fā)展提供保障，因此，專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)應(yīng)貫穿在整個(gè)專業(yè)課程體系，融入專業(yè)課程教學(xué)課程當(dāng)中。

RobotStudio仿真軟件在專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)于學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的養(yǎng)成以及創(chuàng)新精神的培育能夠起到很好的輔助作用。一方面，行業(yè)應(yīng)用流水線或工作站的工作環(huán)境布局及工藝流程應(yīng)符合實(shí)際工程應(yīng)用，同時(shí)可以對(duì)常規(guī)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)工裝夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)于學(xué)生職業(yè)規(guī)范意識(shí)的形成及發(fā)散創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有良好效果；另外，RobotStudio仿真系統(tǒng)的搭建，特別是使用Smart組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)屬性的設(shè)置和關(guān)聯(lián)過(guò)程中，對(duì)于工作流程較為復(fù)雜的工程應(yīng)用，各類信號(hào)的關(guān)聯(lián)以及與工業(yè)機(jī)器人的匹配，需要學(xué)生耐心細(xì)致的優(yōu)良作風(fēng)，對(duì)于學(xué)生踏實(shí)做事的習(xí)慣的磨練起到一定的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

仿真技術(shù)作為現(xiàn)代教學(xué)的重要組成和手段，能夠?qū)I(yè)教學(xué)起到良好的支撐作用。文章將ABB工業(yè)機(jī)器人仿真軟件RobotStudio應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用專業(yè)課程體系當(dāng)中，與相關(guān)課程融合，作為教學(xué)的輔助手段，一方面有效提升學(xué)生應(yīng)用機(jī)器人仿真技術(shù)的水平；另一方面較好地支撐和拓展了專業(yè)課程教學(xué)的內(nèi)容，不僅能夠輔助實(shí)訓(xùn)練習(xí)，豐富的案例也開(kāi)闊了學(xué)生的視野和思路；同時(shí)，對(duì)于學(xué)生良好職業(yè)素養(yǎng)及學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成起到了一定的幫助作用。

［1］葉輝.工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用虛擬仿真教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015，（12）.

［2］金自立.工業(yè)機(jī)器人的離線編程和虛擬仿真技術(shù)［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2015，（6）：44-46.

湖南省職業(yè)教育與成人教育學(xué)會(huì)2015-2016年科研規(guī)劃課題，課題編號(hào)XHB2015095

姚鋼（1981-），男，河北張家口人，工程師，主要研究方向：機(jī)械電子工程等。