邢曉莉　馬騫　張麗

摘? 要：對工業(yè)機器人編程軟件的仿真功能進行了研究，利用工業(yè)機器人編程軟件的仿真功能，基于真實設備開發(fā)虛擬仿真資源，能夠?qū)⒃谡鎸嵲O備上不易觀察到的、發(fā)生后代價高的現(xiàn)象在仿真中解決，有效化解工作場景進不去、看不見、動不了、難再現(xiàn)的難題。教學實踐證明這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)實體教學和虛擬仿真教學的優(yōu)勢互補、無縫對接，構建以學生為中心虛實融合的職業(yè)教育教學新模式，幫助學生在不斷嘗試和試錯過程中培養(yǎng)解決實際問題的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，具有借鑒和推廣價值。

關鍵詞：工業(yè)機器人；虛擬仿真工作站；RobotStudio；Smart組件

中圖分類號：TP39；G434? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）20-0177-04

Design and Application of Virtual Simulation Resources in Practical Training Teaching of Industrial Robots

XING Xiaoli， MA Qian， ZHANG Li

（School of Intelligent Manufacturing， Xinxiang Vocational and Technical College， Xinxiang? 453001， China）

Abstract： The simulation function of industrial robot programming software is studied， and the simulation function of industrial robot programming software is used to develop virtual simulation resources based on real equipment， which can solve the phenomena that are not easily observed on real equipment and costly after occurrence in simulation， effectively solving the problem that the working scene cannot be entered， seen， moved and reproduced. The teaching practice proves that this method can realize the complementary advantages and seamless connection between physical teaching and virtual simulation teaching， build a new model of vocational education teaching with student-centered integration of virtual and actual reality， and help students cultivate engineering practice ability and innovation ability of solving practical problems in the process of continuous trial and error， which has the value of reference and promotion.

Keywords： industrial robot; virtual simulation workstation; RobotStudio; Smart component

0? 引? 言

隨著工業(yè)機器人技術的成熟以及我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)機器人在各行各業(yè)中的應用日益廣泛，許多高職院校為滿足社會發(fā)展需求，開設了工業(yè)機器人相關課程。但在實訓教學中普遍存在高投入、高損耗、高風險和難實施、難觀摩、難再現(xiàn)的三高三難問題，將信息化技術、仿真技術與傳統(tǒng)教學模式有機結合是解決三高三難問題的有效途徑。

工業(yè)機器人本身就是信息技術的產(chǎn)物，使用的編程軟件就有仿真功能，教育工作者可以利用技術優(yōu)勢，開發(fā)虛擬仿真資源創(chuàng)新傳統(tǒng)教學模式，實現(xiàn)實體教學模式和虛擬仿真教學模式的優(yōu)勢互補，突破實訓教學對實體教學的依賴，拓展實訓教學內(nèi)容的廣度和深度，延伸實訓教學的時間和空間，從而有效解決工業(yè)機器人實訓中的三高三難問題，提升實訓教學的質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)技術技能人才。

本文以ABB工業(yè)機器人為例，介紹虛擬仿真資源在工業(yè)機器人實訓教學中的開發(fā)與應用。

1? 整體設計方案

基于行業(yè)企業(yè)真實生產(chǎn)場景及生產(chǎn)工藝流程，提煉行業(yè)關鍵技術，利用數(shù)字孿生技術，開發(fā)虛擬仿真資源，服務高職院校工業(yè)機器人方向?qū)I(yè)課程的實訓教學，實現(xiàn)“項目對接，虛實結合”，切實提高學生理論聯(lián)系實際能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力[1，2]。

方案主要包括工業(yè)機器人實體工作站和虛擬工作站兩部分。實體工作站來源于企業(yè)真實生產(chǎn)案例，由機器人系統(tǒng)和外圍設備構成，支持開展實體實訓教學項目。虛擬工作站1：1還原實體工作站，由虛擬控制器驅(qū)動機器人本體模型動作，智能組件驅(qū)動外圍設備模型動作實現(xiàn)仿真效果，支持開展仿真實訓教學項目。實體實訓與仿真實訓無縫對接，運行結果能夠相互驗證、互為支持[3]。

2? 實體工作站

2.1? 結構組成

機器人裝配汽車離合器工作站如圖1所示，由工業(yè)機器人、可編程控制器、產(chǎn)品輸送鏈、放螺母裝置、AGV小車和其他外圍設備組成。用PLC將機器人、產(chǎn)品輸送鏈、其他外圍設備通過通信連接與控制，實現(xiàn)了機器人與其他外圍設備的協(xié)同作業(yè)。因IRB2600機器人具有占地面積小、操作節(jié)拍快等優(yōu)點，是裝配作業(yè)的最佳選擇。

2.2? 工藝流程

先由放螺母裝置在空托盤上放置預埋螺母，然后產(chǎn)品輸送鏈把空托盤送到裝配工位，舉升氣缸舉起空托盤，工業(yè)機器人先抓取壓盤放置暫存臺，再依次抓取蓋、鋼圈1、模簧、鋼圈2搬運到空托盤上進行裝配，裝配零件。裝配完成后舉升氣缸下降，輸送鏈將托盤和裝配好的產(chǎn)品送至打釘工位，由打釘氣缸對裝配好的產(chǎn)品進行打釘。

3? 仿真工作站

仿真工作站使用ABB公司的RobotStudio工業(yè)機器人仿真軟件，根據(jù)實體工作站內(nèi)的真實設備和工藝流程，分工作站布局、Smart組件設計和I/O連接及工作站邏輯設計3個階段開發(fā)。

3.1? 工作站布局

在RobotStudio軟件中先從ABB模型庫導入IRB2600機器人，再將使用達索公司的CATIA軟件按照與實物1：1的比例設計的機器人夾具、產(chǎn)品輸送鏈、托盤、零件平臺等外圍設備的三維仿真模型，生成STP格式文件后由軟件相應接口導入，最后根據(jù)實體工作站中設備的布局，擺放模型在虛擬工作站內(nèi)的位置，如圖2所示。

3.2? Smart組件設計

在RobotStudio仿真軟件中完成工作站布局后，用Smart組件采用模塊化設計思想，能夠賦予模型動作或邏輯特性，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的設備既能獨立動作又能協(xié)調(diào)聯(lián)動，真實模擬實際設備的運行效果。

裝配工作站Smart組件的設計主要包括：

1）機器人夾具Smart組件。為實現(xiàn)對內(nèi)徑不同的零部件抓取，在機器人末端裝有專用夾具，利用夾爪外撐抓取各零件，搬運到空托盤上進行裝配。在夾具上安裝有傳感器檢測工件，同時在夾具的氣缸上安裝有磁性開關檢測工件是否夾緊，實現(xiàn)自動裝配。

在RobotStudio中可以用安裝的方法，實現(xiàn)兩個零部件的裝配效果。但是，要將離合器蓋、鋼圈、?；煞湃胪斜P定位模具中裝配成一體，并能隨托盤一起沿著產(chǎn)品輸送鏈運動，就不能用安裝的方法實現(xiàn)，要用Smart組件的動態(tài)屬性。因此在設置夾具Smart組件SC-ToolFA20的屬性與聯(lián)結時，首先要將其動態(tài)屬性SensorFA20設置為Part類型，并在屬性聯(lián)結中將LineSensor線性傳感器監(jiān)測到的對象SensdPart設置為SC-ToolFA20的目標屬性SensorFA20。夾具Smart組件設計如圖3所示。

2）產(chǎn)品輸送鏈與零件裝配Smart組件。在添加裝配離合器蓋Smart組件的子組件時，除了要添加Source子組件產(chǎn)生拷貝、PoseMover子組件控制機械裝置運動、LineSensor子組件檢查零件、Attacher子組件實現(xiàn)安裝、Detacher子組件實現(xiàn)拆除以及邏輯子組件以外，還要添加SetParent子組件用來設置圖形為父對象，才可以實現(xiàn)產(chǎn)品輸送鏈與零件裝配的動態(tài)效果。

3.3? 工作站I/O信號及邏輯

工作站I/O信號及邏輯具體內(nèi)容有：

1）工作站I/O信號。機器人裝配現(xiàn)場通過PLC將機器人、產(chǎn)品輸送鏈、放螺母裝置以及其他外圍設備進行連接，通過Profibus等現(xiàn)場總線接收處理工作站發(fā)來的信號，執(zhí)行相應的動作。機器人配置有下掛在DeviceNet現(xiàn)場總線上的標準板卡DSQC652，并配置有對應的數(shù)字信號和組信號[4-7]。

2）工作站邏輯。工作站邏輯就是將機器人的I/O信號與相應Smart組件的I/O信號相互關聯(lián)，這時的Smart組件相當于PLC，可以模擬PLC與機器人I/O通信過程。離線編寫完成機器人裝配程序，并進行同步和仿真設定后，就能仿真裝配工作站的運行效果[8]。

4? 平臺應用

虛擬仿真能夠?qū)⒃谡鎸嵲O備上不易觀察到的、發(fā)生后代價高的現(xiàn)象在仿真中解決，有效化解工作場景進不去、看不見、動不了、難再現(xiàn)的難題。更重要的是虛擬仿真能夠?qū)崿F(xiàn)以學生為中心的“做中學，學中做”，激發(fā)學習熱情，幫助學生在不斷嘗試和試錯過程中培養(yǎng)工程實踐能力和創(chuàng)新能力。利用該虛擬仿真平臺可以開展以下仿真實訓教學。

4.1? 碰撞監(jiān)測分析及路徑優(yōu)化

機器人在裝配零件的過程中，要防止與外圍設備發(fā)生碰撞，保證零件裝配精度，就要合理規(guī)劃機器人運動路徑，確保機器人在運動過程中與外圍設備之間保持合理距離?？梢允褂密浖呐鲎脖O(jiān)測功能，在仿真前設定要監(jiān)測的對象，對裝配過程進行實時監(jiān)控。仿真運行中就會實時顯示設定對象是否發(fā)生碰撞，并且能顯示碰撞對象的名稱以及碰撞點的坐標，機器人裝配過程中的碰撞仿真效果圖如圖4所示，根據(jù)碰撞監(jiān)測結果可以實時修改機器人裝配路徑，從而達到優(yōu)化路徑鍛煉學生路徑規(guī)劃能力的教學目的[9]。

4.2? 應用工件坐標及數(shù)組優(yōu)化程序

在機器人裝配汽車離合器工作站中，兩個料臺分別位于機器人左右兩側(cè)，料臺上工件擺放位置和順序完全相同，相當于把左側(cè)的料臺平移到了右側(cè)。這樣可以在左右料臺上分別創(chuàng)建工件坐標，只需要示教一側(cè)料臺上的目標點位，示教點位就由原來的121個減少到了61個實現(xiàn)優(yōu)化程序，大大降低現(xiàn)場示教工作強度，提高效率。

另外，同一料臺上每套工件的間距是一樣，兩個料臺又是平移的位置關系。這種情況下，用創(chuàng)建數(shù)組的方法，只需要示教第一套工件的目標點位，其他各套工件的目標點位可以用偏移的方法獲取。這樣示教點位數(shù)就由61個減少到11個，能夠更進一步優(yōu)化程序。

4.3? 軸配置錯誤分析及機器人姿態(tài)調(diào)整

在程序調(diào)試過程中，經(jīng)常會遇到由于機器人軸配置錯誤，造成停止運行的故障。機器人到達目標點，可能存在多種關節(jié)軸組合情況，即多種軸配置參數(shù)[10-12]。一般報軸配置錯誤的原因有兩種。

1）程序默認軸配置監(jiān)控是打開的，所以機器人只能按照指定的軸配置移動到目標點，如果機器人不能按照指定的軸配置移動到目標點，就會報軸配置錯誤。

2）如果機器人從當前點位移動到目標點的過程中，某個關節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)角度大于90度，也會報軸配置錯誤。

通常情況會采用關閉軸配置監(jiān)控或添加過渡點、將MoveL用MoveJ替換的方法來解決。經(jīng)過嘗試以上三種方法均不能解決機器人軸配置錯誤問題。

經(jīng)過分析和數(shù)據(jù)對比，采用在左右兩側(cè)料臺創(chuàng)建工件坐標和創(chuàng)建數(shù)組點位平移的方法編程，雖然能夠?qū)⑹窘厅c位由原來的121個點減少到11個點，但是在左右兩側(cè)裝配時，機器人一軸方向是相反的，左側(cè)的軸配置數(shù)據(jù)是[-2，-1，0，0]，右側(cè)的軸配置數(shù)據(jù)是[-1，-1，0，0]，所以就不能只更換工件坐標，直接將左側(cè)的點位平移到右側(cè)使用，還需要重新給平移到右側(cè)的點位指定軸配置數(shù)據(jù)為[-1，-1，0，0]，調(diào)整機器人姿態(tài)，這樣才能最終解決軸配置錯誤造成機器人停止運行的故障。

4.4? 裝配速度分析及指令優(yōu)化

通過改變設定speeddata、VelSet以及AccSet和運動指令中的速度參數(shù)，可以優(yōu)化生產(chǎn)線工藝節(jié)拍，也可以在不改變機器人運動速度的情況下，將觸發(fā)指令Set用運動觸發(fā)指令TriggIO和TriggL替換實現(xiàn)節(jié)拍優(yōu)化。指令替換后裝配一套汽車離合器節(jié)拍平均提高1 s，從而提高生產(chǎn)效率。

基于虛擬仿真資源在教師引導下，學生在不斷發(fā)現(xiàn)問題解決問題、深入探究的過程中，不僅培養(yǎng)了精益求精的高級工匠精神和職業(yè)素養(yǎng)，而且培養(yǎng)了解決實際問題的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

5? 結? 論

通過連續(xù)幾年的建設和發(fā)展，截至目前，工業(yè)機器人實訓教學虛擬仿真資源使用已達近6 000人次。實踐證明虛擬仿真為實訓教學提供了新環(huán)境、新資源、新方式，能夠顯著改善教學條件，實現(xiàn)對傳統(tǒng)實訓教學模式的創(chuàng)新再造，構建信息時代以學生為中心的職業(yè)教育教學新模式。我校學生在2015年全國職業(yè)院校技能大賽工業(yè)機器人技術應用賽項，獲得國賽一等獎成績。通過虛擬仿真資源的研發(fā)與實踐應用，我校工業(yè)機器人技術專業(yè)教學團隊的教學和科研能力顯著提高，已獲得12項計算機軟件著作權授權，分別在2020年和2021年獲得河南省職業(yè)院校技能大賽教學能力比賽二等獎。虛擬仿真資源在保障我校工業(yè)機器人實訓課程遠程技能教學方面發(fā)揮了重要作用，對其他職業(yè)院校具有借鑒和推廣價值。

參考文獻：

[1] 王玲玲，姜麗娜，富立，等.能力達成導向的機器人虛擬仿真課程教學設計與實踐 [J].高等工程教育研究，2022（5）：57-61+67.

[2] 郝建豹，林子其，龔儉龍，等.在線工業(yè)機器人技術虛擬仿真平臺的構建 [J].實驗技術與管理，2019，36（11）：113-116.

[3] 馮凌云，劉凱.虛實結合的工業(yè)機器人實踐教學平臺開發(fā)與應用 [J].實驗技術與管理，2021，38（5）：223-229.

[4] 高茂源，王好臣，叢志文，等.基于RobotStudio的機器人上下料工作站仿真分析與優(yōu)化 [J].組合機床與自動化加工技術，2020（8）：60-63.

[5] 劉海燕，蘇宇，林春蘭，等.基于RobotStudio的生產(chǎn)線下料系統(tǒng)設計與仿真 [J].制造技術與機床，2019（5）：67-71+75.

[6] 田國柱，丁潔.基于RobotStudio的多工業(yè)機器人制鏈生產(chǎn)線的仿真設計 [J].組合機床與自動化加工技術，2018（12）：123-124+133.

[7] 朱文華，史秋雨，蔡寶，等.基于RobotStudio的工業(yè)機器人工藝仿真平臺設計 [J].制造業(yè)自動化，2020，42（12）：28-31+89.

[8] 葉暉.工業(yè)機器人工程應用虛擬仿真教程 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[9] 郝建豹，查進艷，謝煉雅.基于多機器人的虛擬裝配工作站設計與碰撞檢測仿真 [J].組合機床與自動化加工技術，2017（12）：37-40.

[10] 龔仲華，龔曉雯.ABB工業(yè)機器人編程全集 [M].北京：人民郵電出版社，2018.

[11] 胡偉.工業(yè)機器人行業(yè)應用實訓教程 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[12] 葉暉.工業(yè)機器人典型應用案例精析 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

作者簡介：邢曉莉（1974—），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，副教授，高級技師，本科，研究方向：工業(yè)機器人技術及應用；馬騫（1984—），男，漢族，天津人，助教，技師，本科，研究方向：機電一體化；張麗（1982—），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，講師，技師，碩士研究生，研究方向：機電一體化技術。

收稿日期：2023-04-18

基金項目：2022年河南省職業(yè)教育教學改革研究與實踐項目“職業(yè)院校工業(yè)機器人技術專業(yè)混合教學模式研究與實踐”（豫教〔2023〕03107）