陳磊，張建榮，郭金妹

基于高職院校的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程的開發(fā)研究＊

陳磊，張建榮，郭金妹

（江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000）

為實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”這一宏偉藍(lán)圖，必須大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)相關(guān)人才。闡述了ABB工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)的必要性，并構(gòu)建了高職院校工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程開發(fā)的項(xiàng)目，這些項(xiàng)目與當(dāng)前企業(yè)需要緊密結(jié)合，讓學(xué)生畢業(yè)之后能夠跟工作崗位無縫對(duì)接。

高職院校；ABB工業(yè)機(jī)器人；虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)課程

中國制造業(yè)大而不強(qiáng)，正處于從制造業(yè)價(jià)值鏈的低端向中高端、從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的階段。隨著國家對(duì)制造業(yè)的高度重視和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以及推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重大機(jī)遇，對(duì)高素質(zhì)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才的需求將更加迫切，有機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)到2021年，全國工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量將達(dá)到100萬臺(tái)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才需求總量達(dá)到63萬人[1]。而中國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)剛處于起步階段，很多學(xué)校的工業(yè)機(jī)器人相關(guān)設(shè)備尚未配齊，或者缺乏相關(guān)資金導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用人才得不到應(yīng)有的培訓(xùn)[2]。因此本文從構(gòu)建虛擬仿真軟件出發(fā)，探到借用相關(guān)的虛擬仿真軟件可以建設(shè)的課程內(nèi)容。

1 仿真軟件簡(jiǎn)介

通常仿真軟件可以分為專用型和通用型［工業(yè)機(jī)器人離線編程（ABB）］，專用型軟件是機(jī)器人公司對(duì)自身產(chǎn)品開發(fā)的軟件，如ABB公司的RobotStudio、發(fā)那科公司的RoboGuide、庫卡公司的KUKA Sim、安川電機(jī)公司的MotoSim等。通用型離線編程軟件是能夠兼容市場(chǎng)主流品牌的機(jī)器人，國外的軟件有RobotMaster、RobotMove等；國內(nèi)的軟件有華航唯實(shí)RobotArt、華數(shù)機(jī)器人InteRobot等。

2 虛擬仿真教學(xué)的必要性

2.1 現(xiàn)實(shí)需求

工業(yè)機(jī)器人實(shí)操教學(xué)過程主要是控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，確定機(jī)器人末端執(zhí)行的位置和姿態(tài)[3]，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中通過示教器編程操控機(jī)器人。但目前工業(yè)機(jī)器人教育處于剛剛起步階段，如果直接購買工業(yè)機(jī)器人設(shè)備，少則幾十萬，多則數(shù)百萬，這對(duì)高職院校是一個(gè)巨大的投入。采用虛擬仿真進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，能省去購買設(shè)備的成本，而學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)又可以模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，獲得工作崗位上操控機(jī)器人的真實(shí)技能。

2.2 教學(xué)需求

工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格比較昂貴，由于成本的約束，學(xué)校不可能大規(guī)模采購機(jī)器人用于學(xué)生實(shí)操，因此只能分批讓學(xué)生動(dòng)手鍛煉。動(dòng)手時(shí)間的限制導(dǎo)致學(xué)生在課程結(jié)束后普遍感覺還未能夠掌握相關(guān)技能，加之部分學(xué)生學(xué)習(xí)理解力差，他們更難于達(dá)到實(shí)訓(xùn)的要求，而虛擬仿真教學(xué)能夠事先在電腦上模擬現(xiàn)場(chǎng)情況的操作，即使課堂上未完成的任務(wù)，課后都可以完成，并且可以反復(fù)模擬和練習(xí)，并且在模擬的過程中，糾正學(xué)習(xí)過程中的錯(cuò)誤。不僅如此，工業(yè)機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)操作需要嚴(yán)格遵守設(shè)備的安全操作規(guī)程，一旦違規(guī)操作就可能導(dǎo)致機(jī)器人與外圍設(shè)備發(fā)生碰撞，甚至對(duì)學(xué)生的人身安全造成傷害，比如，初學(xué)者往往忘記設(shè)置機(jī)器人運(yùn)行速度，而使機(jī)器人全速運(yùn)行。采用虛擬仿真軟件可在電腦上模擬實(shí)際工作站，機(jī)器人速度過快、路徑錯(cuò)誤、奇異點(diǎn)等異常問題都可以在程序中及時(shí)修改，這樣就保證了教學(xué)的安全性?？傊ㄟ^虛擬仿真教學(xué)既保護(hù)了學(xué)生人身安全，又通過虛擬仿真教學(xué)增加了學(xué)生練習(xí)的機(jī)會(huì)，最后在真實(shí)的機(jī)器人上操作，學(xué)生能夠更加熟練完成相關(guān)的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，并且能夠提高操作的安全性。

2.3 大賽需求

中國高等教育學(xué)會(huì)每年都會(huì)發(fā)布全國普通高校學(xué)科競(jìng)賽評(píng)估排名，它共篩選出19個(gè)競(jìng)賽項(xiàng)目納入排行，其中職業(yè)院校技能大賽（高職）中的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)就是其中之一，好的排名對(duì)提升學(xué)校的影響力有著重要的作用。不僅如此，技能大賽還可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)實(shí)踐操作能力。相關(guān)技能大賽設(shè)備高昂，而虛擬仿真技術(shù)除了可以滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求外，還可針對(duì)技能大賽不同應(yīng)用的要求，創(chuàng)建虛擬工作站，既可以手動(dòng)控制機(jī)器人也可以通過編程讓整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，無須購買實(shí)際設(shè)備，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和參加技能大賽的興趣。

3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

3.1 課程開發(fā)的原則

本院的教學(xué)模式采用小班制，每個(gè)班級(jí)人數(shù)不超過35人，因此把現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室改造成了工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，該實(shí)訓(xùn)室占地面積148 m2，共36臺(tái)計(jì)算機(jī)，每臺(tái)都安裝了機(jī)器人虛擬仿真軟件ABB RobotStudio6.07。本院在2017年就與企業(yè)合作共建工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)訂單班，采取“2+0.5+0.5”的現(xiàn)代學(xué)徒制模式，將學(xué)生在校期間的所學(xué)課程與企業(yè)共同探討，課程的教學(xué)內(nèi)容與工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際生產(chǎn)緊密聯(lián)系。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程共設(shè)置了8個(gè)項(xiàng)目，讓學(xué)生熟悉工業(yè)機(jī)器人的仿真過程，進(jìn)而掌握實(shí)際工業(yè)機(jī)器人的實(shí)操技能，為后續(xù)實(shí)操等課程打下良好的基礎(chǔ)[4]。

3.2 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

課前提前1 d在QQ平臺(tái)上發(fā)布實(shí)訓(xùn)任務(wù)書，讓學(xué)生了解實(shí)訓(xùn)知識(shí)、進(jìn)入相關(guān)網(wǎng)站答疑解惑，提前熟悉實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。為了檢驗(yàn)學(xué)生的課前學(xué)習(xí)效果，設(shè)計(jì)了預(yù)習(xí)測(cè)評(píng)卷，并要求學(xué)生在上課前完成。教師翻閱學(xué)生提交的預(yù)習(xí)測(cè)評(píng)卷實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生預(yù)習(xí)動(dòng)態(tài)。

課堂上，首先通過視頻介紹本次實(shí)訓(xùn)課程的意義，了解實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在生產(chǎn)中的實(shí)際案例，從而解決學(xué)生“學(xué)有何用？”的疑問，明確本實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的重要性。教師講解實(shí)訓(xùn)的任務(wù)目標(biāo)以及任務(wù)內(nèi)容，通過動(dòng)畫展示工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)建模以及信號(hào)分配的過程，化抽象為直觀，加深學(xué)生對(duì)離線編程外圍設(shè)備的搭建印象，便于學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)操作。將學(xué)生分成若干個(gè)學(xué)習(xí)小組，進(jìn)行故障排查的情境模擬，每組設(shè)置不同的故障，使學(xué)生全面深入了解離線編程實(shí)訓(xùn)中的故障分析和檢測(cè)方法，提升綜合應(yīng)用能力。在討論總結(jié)環(huán)節(jié)中，對(duì)實(shí)訓(xùn)中遇到的問題進(jìn)行總結(jié)討論。課程結(jié)束后將實(shí)訓(xùn)過程中的常見典型故障做成微視頻，給出分析過程及解決方案，讓每個(gè)學(xué)生都能準(zhǔn)確掌握故障的排查方法。

課后學(xué)生登錄相關(guān)教學(xué)平臺(tái)，觀看學(xué)習(xí)教師上傳的視頻，并完成課后作業(yè)。同時(shí)在課堂學(xué)習(xí)和課后作業(yè)中存在疑問的地方，也可在平臺(tái)上與學(xué)生和教師交流，在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程中，采用多元化的考核評(píng)價(jià)方式。

3.3 課程開發(fā)的內(nèi)容

3.3.1 基本仿真工作站

基本仿真工作站的構(gòu)建如圖1所示，該工作站為最簡(jiǎn)單的工作站，初學(xué)者往往用此工作站開始學(xué)習(xí)虛擬仿真技 術(shù)[5]，學(xué)生可以在工作站中導(dǎo)入IRB2600，也可以導(dǎo)入其他類型的機(jī)器人模型，但是要注意機(jī)器人的工作區(qū)域必須覆蓋作業(yè)范圍。該工作站實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容有：加載工業(yè)機(jī)器人及系統(tǒng)，周邊模型的擺放，手動(dòng)關(guān)節(jié)、手動(dòng)線性和手動(dòng)重定位操作機(jī)器人，創(chuàng)建工件坐標(biāo)，創(chuàng)建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡程序，MoveL和MoveJ的使用方法，模擬仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，錄制視頻，制作獨(dú)立播放的文件。

圖1 基本仿真工作站

3.3.2 焊接機(jī)器人仿真工作站

焊接加工要求焊工具備熟練的技能，但焊接工作的勞動(dòng)環(huán)境一般較差。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)不但可以減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以保證焊接的質(zhì)量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界的工業(yè)機(jī)器人大約有一半是進(jìn)行焊接加工而成[6]，因此學(xué)生必須掌握焊接機(jī)器人的分類、特點(diǎn)、基本系統(tǒng)組成以及虛擬示教的基本方法。焊接機(jī)器人選擇的型號(hào)是IRB2600[7]，機(jī)器人和變位機(jī)相互配合完成焊接作業(yè)，該工作站實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容具有基本仿真工作站的所有內(nèi)容外，還增加了創(chuàng)建帶變位機(jī)的系統(tǒng)，矩形體的建模及擺放，MoveC指令的使用，變位機(jī)的激活與失效。

3.3.3 搬運(yùn)機(jī)器人仿真工作站

搬運(yùn)機(jī)器人可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效 率[8]。搬運(yùn)機(jī)器人仿真工作站如圖2所示，創(chuàng)建一個(gè)圓柱體模擬真空式吸盤，搬運(yùn)機(jī)器人把方形的工件從桌面的一端搬運(yùn)到另一端。本實(shí)訓(xùn)采用事件管理器的方法實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)，該方法相對(duì)于Smart組件簡(jiǎn)單一些。工作站實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容具有基本仿真工作站的所有內(nèi)容外，還增加了圓柱體的建模，創(chuàng)建工具坐標(biāo)，創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)I/O板及信號(hào)，事件管理器其信號(hào)關(guān)聯(lián)。

圖2 搬運(yùn)機(jī)器人仿真工作站

3.3.4 碼垛機(jī)器人仿真工作站

碼垛機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人類似，也是用來替代人工碼垛的設(shè)備。學(xué)生一定要先掌握好搬運(yùn)機(jī)器人仿真的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，碼垛機(jī)器人仿真實(shí)訓(xùn)才容易掌握。碼垛機(jī)器人仿真工作站，工件隨著輸送鏈一端向前運(yùn)動(dòng)，到達(dá)輸送鏈末端之后停止運(yùn)動(dòng)，然后碼垛機(jī)器人在末端拾取工件，最后放置在左側(cè)或者右側(cè)的托盤上，垛型可以為“3+2”的形式，托盤擺放2層，即10個(gè)工件，仿真結(jié)束。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中也可以當(dāng)一側(cè)托盤擺滿后，再擺放另外一側(cè)托盤，即完成20個(gè)工件的擺放，仿真結(jié)束。該工作站實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容具有基本仿真工作站的所有內(nèi)容外，還增加了組合體創(chuàng)建，設(shè)定工具本地原點(diǎn)，設(shè)定工具坐標(biāo)系框架，Smart組件創(chuàng)建動(dòng)態(tài)工具，Smart組件創(chuàng)建動(dòng)態(tài)輸送鏈，工作站IO配置，工作站邏輯設(shè)定。

3.3.5 噴涂機(jī)器人仿真工作站

目前，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于噴涂領(lǐng)域[9]。它們編程的兩種方式：在線編程和離線編程。在線編程雖然操作簡(jiǎn)單，但是難度大而且涂層的質(zhì)量難以保證，尤其是一些復(fù)雜的工件。不僅如此，操作人員既要保證涂裝質(zhì)量，同時(shí)也可以應(yīng)對(duì)有害的噴霧操作環(huán)境，如高溫、噪聲、有毒氣體等。可以設(shè)計(jì)一個(gè)箱體的噴涂仿真工作站，采用IRB5400工業(yè)機(jī)器人，對(duì)箱體的內(nèi)壁進(jìn)行噴涂。該工作站新增的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容有：箱體的三維設(shè)計(jì)，噴涂Smart組件創(chuàng)建及設(shè)置，噴涂工作站邏輯設(shè)計(jì)，噴涂編程及調(diào)試。

3.3.6 機(jī)床上下料仿真工作站

數(shù)控機(jī)床已經(jīng)普及多年，如今很多企業(yè)將工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床組合，從而節(jié)約人力成本，提高生產(chǎn)效率?？梢栽O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器人完成四臺(tái)數(shù)控機(jī)床的上下料，由于單臺(tái)機(jī)器人工作范圍有限，配備行走軸，以擴(kuò)大機(jī)器人的工作范 圍[10]。該工作站新增的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容有機(jī)械裝置的創(chuàng)建，機(jī)床運(yùn)動(dòng)創(chuàng)建，程序創(chuàng)建，工藝節(jié)拍驗(yàn)證。

3.3.7 輸送鏈跟蹤仿真工作站

輸送鏈跟蹤就是協(xié)調(diào)機(jī)器人與輸送鏈之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，常常用于裝配、噴涂和焊接生產(chǎn)領(lǐng)域。機(jī)器人工具中心點(diǎn)TCP和輸送鏈上的產(chǎn)品同步化，輸送鏈上的產(chǎn)品只要在機(jī)器人的工作范圍，輸送鏈即使向后運(yùn)行，變速運(yùn)動(dòng)都不會(huì)影響實(shí)際效果。這樣的話，按照生產(chǎn)計(jì)劃控制輸送鏈的速度，可以改變生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，從而達(dá)到柔性化生產(chǎn)的目的。該工作站新增的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容有輸送鏈創(chuàng)建、創(chuàng)建連接、工具姿態(tài)的調(diào)整、插入邏輯指令。

3.3.8 物理特性初探

RobotStudio在6.05版本的時(shí)候就加入了物料特性，物理特性的仿真能夠使得模擬更加接近真實(shí)，比如袋裝碼垛的時(shí)候，夾爪松開，袋裝物料應(yīng)該自由落下。由于物理特性中的編輯材料部分對(duì)于環(huán)境及材料的熟悉程度要求非常高，因此這部分內(nèi)容僅要求學(xué)生了解即可。該部分的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容有物體的四種行為、材料的編輯、碰撞幾何的使用、設(shè)置物體表面速度。

4 結(jié)束語

高職院校實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)質(zhì)量直接影響著學(xué)生技能的高低，本文探討的ABB虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的課程與當(dāng)今生產(chǎn)實(shí)踐緊密聯(lián)系，2017年本院機(jī)械與電子工程學(xué)院完成了第一屆工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)學(xué)生的招生，為了適應(yīng)人才培養(yǎng)的需求，隨即建立了“虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室”等相關(guān)實(shí)訓(xùn)課程，使用效果很好。實(shí)踐證明，該實(shí)訓(xùn)課程可行，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)置合理，深得學(xué)生和教師的好評(píng)，取得良好的教學(xué)和科研效果。

［1］工業(yè)機(jī)器人“大熱”人才培養(yǎng)如何跟上節(jié)奏［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（7）：3.

［2］王浩.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（3）：109-110.

［3］鄧華健.機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的開發(fā)及其應(yīng)用［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2017.

［4］丁力.工業(yè)機(jī)器人復(fù)雜作業(yè)路徑編程研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

［5］葉暉.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［6］陳善本，呂娜.焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展［J］.電焊機(jī)，2013，43（5）：28-36.

［7］李東威，徐祥.多機(jī)器人三維仿真與離線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（3）：39-40.

［8］李淼，王艷秋.搬運(yùn)機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.湖北農(nóng)機(jī)化，2019（17）：129.

［9］喬新義，陳冬雪，張書健，等.噴涂機(jī)器人及其在工業(yè)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2016，19（8）：53-55.

［10］雙元教育.工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)建模［M］.北京：高等教育出版社，2018.

G712

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.012

2095－6835（2021）01－0037－03

江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究重點(diǎn)課題“中國制造2025視域下工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程體系的構(gòu)建與實(shí)踐”（編號(hào)：JXJG-17-52-3）

陳磊（1988—），男，碩士，講師，工程師，主要從事機(jī)械電子、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕