郝建豹，林子其，龔儉龍，易煥銀

在線工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真平臺(tái)的構(gòu)建

郝建豹，林子其，龔儉龍，易煥銀

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 廣州 510800）

為提高學(xué)生關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐技能，利用SolidWorks和RobotStudio構(gòu)建了21個(gè)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真工作站。通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知與操作、工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)單項(xiàng)實(shí)訓(xùn)、工業(yè)機(jī)器人綜合技能實(shí)訓(xùn)、工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)等4個(gè)模塊的層次化案例設(shè)計(jì)，構(gòu)建出與職業(yè)能力層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)匹配的進(jìn)階式虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。在實(shí)踐教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)有益于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和在工業(yè)機(jī)器人工程領(lǐng)域的應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

工業(yè)機(jī)器人；虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；RobotStudio

工業(yè)機(jī)器人的使用是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的強(qiáng)力技術(shù)手段[1]。為滿足我國(guó)制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)技能人才的需要，很多高職院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)課程[2]。但是工業(yè)機(jī)器人及其配套設(shè)備購(gòu)置成本較高，高職院校配置的數(shù)量難以保證在工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)中讓每個(gè)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立操作和編程[3]。另外，實(shí)訓(xùn)教學(xué)中學(xué)生的誤操作可能造成設(shè)備的損壞和人身傷害；而虛擬仿真實(shí)訓(xùn)可以有效彌補(bǔ)這一不足[4-6]。

廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院利用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建了“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)階式能力訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”。該平臺(tái)以“虛實(shí)結(jié)合，資源共享”為指導(dǎo)思想，為學(xué)習(xí)者提供充足的實(shí)訓(xùn)資源，提高學(xué)習(xí)者的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用能力。

1 建設(shè)目標(biāo)、設(shè)計(jì)思路和開發(fā)流程

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)聚焦“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”，服務(wù)《中國(guó)制造2025》，滿足制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人才的需求，利用SolidWorks和RobotStudio等軟件構(gòu)建3D全真或高度仿真的虛擬環(huán)境，模擬工業(yè)機(jī)器人工作站的真實(shí)操作，構(gòu)建包括工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)、專項(xiàng)技能訓(xùn)練、多機(jī)器人綜合虛擬仿真、創(chuàng)新實(shí)踐等內(nèi)容的多層次、開放共享、可擴(kuò)展的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

平臺(tái)的構(gòu)建秉承“平臺(tái)引領(lǐng)，需求導(dǎo)向；校企協(xié)同，項(xiàng)目對(duì)接；虛實(shí)結(jié)合，學(xué)工同境”的人才培養(yǎng)理念，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容對(duì)接工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展和職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成商、合作企業(yè)的專家共同做好規(guī)劃論證，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真項(xiàng)目與工程項(xiàng)目一致、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人才職業(yè)能力培養(yǎng)與企業(yè)需求一致，切實(shí)提高使用者的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)工作站的開發(fā)流程包括機(jī)器人工作場(chǎng)景轉(zhuǎn)換、三維建模、虛擬仿真場(chǎng)景構(gòu)建、工作站或系統(tǒng)發(fā)布等步驟[7-8]。以機(jī)器人工作站為例，其開發(fā)流程如圖1所示。

（1）利用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)機(jī)器人外圍設(shè)備的三維仿真模型，轉(zhuǎn)換為.STP格式，導(dǎo)入RobotStudio，完成建模布局工作；

（2）打開軟件模型庫(kù)，導(dǎo)入ABB機(jī)器人；

（3）調(diào)整RobotStudio的可視化系統(tǒng)，進(jìn)行Smart組件設(shè)計(jì)、設(shè)置各參數(shù)。

圖1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)工作站開發(fā)流程

2 平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)容

平臺(tái)建設(shè)的內(nèi)容結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和能力訓(xùn)練要求，與職業(yè)能力層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相匹配，如圖2所示。按資源的屬性，平臺(tái)建設(shè)的內(nèi)容可包含2類：

圖2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源：該資源是高度仿真的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境和實(shí)訓(xùn)對(duì)象，均可下載和進(jìn)行編程實(shí)訓(xùn)，包括工業(yè)機(jī)器人基本操作訓(xùn)練、機(jī)床上下料訓(xùn)練、多功能綜合平臺(tái)等共8個(gè)虛擬仿真工作站（見表1）。這部分資源與我校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)中心設(shè)備相同，可作為實(shí)際實(shí)訓(xùn)的訓(xùn)前練習(xí)資源。

（2）拓展資源：共有13個(gè)項(xiàng)目，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造課堂以外的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境。資源的配置充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的原則。平臺(tái)按照任務(wù)功能共分為學(xué)校虛擬仿真資源、企業(yè)學(xué)習(xí)資源、職業(yè)培訓(xùn)資源、職教立交橋資源，其中虛擬仿真資源分為4個(gè)模塊，分別為工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知與操作模塊、工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)單項(xiàng)技能實(shí)訓(xùn)模塊、工業(yè)機(jī)器人綜合技能實(shí)訓(xùn)模塊、工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊。

2.1 工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知與操作模塊

入門級(jí)認(rèn)知與操作模塊為基礎(chǔ)性模塊，共有基本運(yùn)動(dòng)指令操作、規(guī)則軌跡運(yùn)動(dòng)仿真、波形板運(yùn)用、基本邏輯指令仿真、偏移指令快速編程、程序數(shù)組應(yīng)用、TPwrite寫屏指令、機(jī)器人離線軌跡編程、兩同樣工件離線編程、虛擬程序中斷指令等10個(gè)虛擬仿真工作站，幫助學(xué)習(xí)者掌握操作、調(diào)試等基本技能，可對(duì)接工業(yè)機(jī)器人操作員崗位。

表1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源一覽表

以波形板運(yùn)用工作站為例，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行建立工作站的訓(xùn)練，例如機(jī)器人手動(dòng)關(guān)節(jié)、線性運(yùn)動(dòng)的基本操作，工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)定義訓(xùn)練，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)波形板模擬弧焊、涂膠軌跡的訓(xùn)練。

2.2 工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)單項(xiàng)實(shí)訓(xùn)模塊

工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)單項(xiàng)實(shí)訓(xùn)模塊是編程技術(shù)提高模塊，共有零件裝配、玻璃涂膠、車身弧焊、車門點(diǎn)焊、工件搬運(yùn)、機(jī)床上下料、包裝箱碼垛等7個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)工作站，涵蓋了機(jī)器人所有主要應(yīng)用領(lǐng)域。該實(shí)訓(xùn)模塊可進(jìn)行示教編程、離線編程，提高編程、程序調(diào)試，并對(duì)接機(jī)器人編程員崗位。以工件搬運(yùn)為例，學(xué)習(xí)者可在本站進(jìn)行I/O板卡配置、程序數(shù)據(jù)創(chuàng)建（即創(chuàng)建工具坐標(biāo)tGripper，創(chuàng)建工件坐標(biāo)Wobj，創(chuàng)建載荷數(shù)據(jù)LoadFull）、目標(biāo)點(diǎn)之間使用MoveL、MoveJ和MoveC指令進(jìn)行示教、程序編寫及調(diào)試，還可運(yùn)用到軸配置監(jiān)控指令Confl等。通過(guò)此仿真系統(tǒng)，可以很直觀地檢查碼垛方式和編程結(jié)果，并進(jìn)行人工修正。虛擬仿真生成的程序可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸給工業(yè)機(jī)器人，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試[9]。該虛擬仿真工作站可以為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)碼垛的設(shè)計(jì)提供理論驗(yàn)證平臺(tái)，為工程技術(shù)人員的編程和調(diào)試提供安全、靈活的環(huán)境。

2.3 工業(yè)機(jī)器人綜合技能實(shí)訓(xùn)模塊

工業(yè)機(jī)器人綜合技能實(shí)訓(xùn)模塊是綜合技能提高模塊，共有多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)、多機(jī)器人多機(jī)床柔性制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)、多機(jī)器人汽車從動(dòng)盤裝配虛擬仿真系統(tǒng)、多功能機(jī)器人綜合應(yīng)用仿真平臺(tái)等4個(gè)綜合虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該模塊可進(jìn)行 綜合應(yīng)用、系統(tǒng)集成、程序調(diào)試實(shí)訓(xùn)，對(duì)接機(jī)器人系統(tǒng)集成助理工程師崗位。例如多機(jī)器人柔性制造生 產(chǎn)線仿真系統(tǒng)由CNC上下料工業(yè)機(jī)器人（ABB IRB2600）、裝配機(jī)器人（IRB910）、裝箱機(jī)器人（IRB140）、2臺(tái)數(shù)控機(jī)床(CNC)、供料站、裝配站和其他周邊設(shè)備組成。學(xué)習(xí)者可編程實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)行速度、運(yùn)行軌跡、機(jī)器人位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，碰撞檢測(cè)、軌跡追蹤，還可計(jì)算生產(chǎn)節(jié)拍、優(yōu)化機(jī)器人協(xié)同作業(yè)等，可以為實(shí)際制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10]。

2.4 工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊

工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊用于展示學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)意作品，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。圖3所示為學(xué)生創(chuàng)作的多機(jī)器人陶瓷盤類生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)，包含了陶瓷制作的壓膜、烘干、脫模、雕刻、打磨、噴釉、印章、碼垛、燒制等多道工序，完全由機(jī)器人完成[11]。該作品獲得全國(guó)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真大賽創(chuàng)意作品一等獎(jiǎng)，展現(xiàn)了學(xué)生較好的創(chuàng)新意識(shí)。

圖3 陶瓷盤類生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)

3 在線教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

在線教學(xué)平臺(tái)是工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)工作站或系統(tǒng)的載體，也是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開放共享的基礎(chǔ)[12]。根據(jù)權(quán)限不同，在線教學(xué)平臺(tái)分為系統(tǒng)管理、教師、學(xué)生（包括校外學(xué)習(xí)者）等3個(gè)功能區(qū)，每個(gè)功能區(qū)有不同的工作模塊，并根據(jù)需要加載或下載相關(guān)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)工作站或系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 在線教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)圖

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

學(xué)校建設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室配置電腦60臺(tái)。學(xué)生可在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室完成仿真學(xué)習(xí)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把仿真程序下載到實(shí)體設(shè)備進(jìn)行操作和驗(yàn)證。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室與校外應(yīng)用平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的客戶端采用Web瀏覽器。學(xué)生可以下載網(wǎng)頁(yè)或工作站并獲取機(jī)器人各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息；校外學(xué)習(xí)者注冊(cè)后可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)和編程操作。

圖5 虛擬仿真平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

5 虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)成效

2015—2018年，工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)完成了6期“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)”和“工業(yè)機(jī)器人與西門子全集成自動(dòng)化技術(shù)”廣東省中職和高職骨干教師培訓(xùn)，培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人教師約300人。2017年，該平臺(tái)成為校級(jí)“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)階式能力培養(yǎng)虛擬仿真平臺(tái)”，依托該平臺(tái)建設(shè)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”課程成為省級(jí)精品在線開放課程。2018年，借助工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)申報(bào)的“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造背景下高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)階式能力培養(yǎng)虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)與研究”被教育部職業(yè)院校信息化教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)立項(xiàng)為重點(diǎn)課題。近3年，平臺(tái)團(tuán)隊(duì)獲得全國(guó)機(jī)械職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)微課大賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲廣東省高職青年教師教學(xué)大賽二等獎(jiǎng)2項(xiàng)和全國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真大賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。另外平臺(tái)成員近3年發(fā)表工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)研究論文8篇，其中中文核心期刊論文4篇。

從2015年開始，面向我校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)、機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)和電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的學(xué)生舉辦每年一屆的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真設(shè)計(jì)大賽，并對(duì)獲獎(jiǎng)學(xué)生給予獎(jiǎng)勵(lì)。2016—2018年，本校學(xué)生獲得全國(guó)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真大賽一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，連續(xù)2年獲得廣東省工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用二等獎(jiǎng)；近兩年獲得校級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目4項(xiàng)、省級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目8項(xiàng)。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合SolidWorks和RobotStudio開發(fā)的3D工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容幾乎涵蓋了機(jī)器人工程應(yīng)用的全部領(lǐng)域，并且可編程、可調(diào)試，可以完成真實(shí)設(shè)備不能或難以完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，有助于提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高機(jī)器人的工程應(yīng)用能力和科技創(chuàng)新能力。該虛擬仿真平臺(tái)也可用于中高職師資培訓(xùn)和校外學(xué)習(xí)者。

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Construction of virtual simulation platform for industrial robot technology under background of “Internet +”

HAO Jianbao, LIN Ziqi, GONG Jianlong, YI Huanyin

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong Communication Polytechnic, Guangzhou 510800, China)

In order to improve students’ practical skills of industrial robots, 21 virtual simulation workstations of industrial robots are constructed by using SolidWorks and Robot Studio. Through the hierarchical case design of four modules such as the industrial robot recognition and operation, industrial robot programming technology training, industrial robot comprehensive skills training and industrial robot innovative design, an advanced virtual simulation training platform with the professional competence hierarchical standards is constructed.In practical teaching, the virtual simulation training platform is beneficial for cultivating students’ self-study ability and application and innovation ability in industrial robot engineering field.

industrial robot;virtual simulation; practical training platform; RobotStudio

G712；TP165

A

1002-4956(2019)11-0113-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.028

2019-05-10

2019-07-02

教育部職業(yè)院校信息化教指委重點(diǎn)課題（2018LXA062）；廣東省教育廳教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（GDJG2019108）；廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研課題（QKYB18503）

郝建豹（1978—），男，山東莘縣，碩士，副教授，主要從事工業(yè)機(jī)器人教學(xué)、實(shí)訓(xùn)及科研。E-mail: 952691544@qq.com