金花雪　朱來(lái)發(fā)　張善勤　薛祎鵬

摘? 要：為滿足工業(yè)自動(dòng)化對(duì)教學(xué)內(nèi)容改革的迫切需求，設(shè)計(jì)了基于InteRobot離線編程的機(jī)器人寫(xiě)字實(shí)驗(yàn)，以“設(shè)計(jì)—仿真—運(yùn)行”的模式進(jìn)行教學(xué)。在PC端導(dǎo)入U(xiǎn)G10.0圖形，通過(guò)InteRobot編輯和模擬仿真圖形運(yùn)動(dòng)軌跡，輸出PRG格式的控制代碼和Inc工程文件。運(yùn)行端為HSR-620 6自由度工業(yè)機(jī)器人，在基坐標(biāo)下調(diào)整好Z軸高度差，配合自制的裝載軟毛筆模型進(jìn)行X軸、Y軸的軌跡運(yùn)動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制技能的掌握，拓寬學(xué)生軟件編程方面的視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提升學(xué)習(xí)興趣度和增強(qiáng)動(dòng)手操作能力，最后學(xué)生平均成績(jī)提高了8%。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；InteRobot離線編程；模擬仿真；3D打印

中圖分類號(hào)：TP39；G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）20-0190-05

Design of Robot Writing Experiment Teaching Based on Offline Programming

JIN Huaxue， ZHU Laifa， ZHANG Shanqin， XUE Yipeng

（College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen? 361021， China）

Abstract： To meet the urgent demand for teaching content reform in industrial automation， a robot writing experiment based on InteRobot offline programming is designed， and teaching is conducted in a “design-simulation-running” mode. Import UG10.0 graphics on the PC， edit and simulate the motion trajectory of the graphics through InteRobot， and output control code and Inc engineering files in PRG format. The running end is the HSR-620 6 degree of freedom industrial robot， which adjusts the height difference of the Z-axis in the base coordinate and cooperates with a self-made loading soft brush model to perform trajectory motion on the X-axis and Y-axis. This experiment is beneficial for students to master the control skills of industrial robots， broaden their horizons in software programming， stimulate their innovative thinking ability， enhance their interest in learning and hands-on operation ability， and ultimately increase their average score by 8%.

Keywords： industrial robot; InteRobot offline programming; simulation; 3D printing

0? 引? 言

工業(yè)機(jī)器人被稱為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用能力是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新與高端制造水平的重要標(biāo)志，也是未來(lái)我們邁向制造強(qiáng)國(guó)的必由途徑。2021年12月工信部等15部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，國(guó)內(nèi)機(jī)器人仍將保持超過(guò)35%的高速增長(zhǎng)，到2025年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營(yíng)業(yè)收入年均增長(zhǎng)超過(guò)20%[1，2]。隨著智能制造水平的提高，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致的人才缺失問(wèn)題也越來(lái)越突出，因此培養(yǎng)一批具備扎實(shí)的工業(yè)機(jī)器人理論知識(shí)和實(shí)操能力的人才輸送到國(guó)家各崗位將是高校和職業(yè)院校的重要責(zé)任之一[3-6]。

趙祥等人[7]以“工業(yè)機(jī)器人編程及應(yīng)用”課程為研究對(duì)象，分析了該課程的教學(xué)特點(diǎn)。基于學(xué)生綜合素質(zhì)能力培養(yǎng)，以“學(xué)做融合、雙元結(jié)構(gòu)”教學(xué)組織形式為保障，制定了符合學(xué)生發(fā)展的課程改革方法與實(shí)施方案，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的課堂積極性和主動(dòng)性。通過(guò)德、智、能三方面育人自然融合，有效提高了教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生在機(jī)器人領(lǐng)域的學(xué)習(xí)與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。黃燦英等人[8]從教學(xué)資源的優(yōu)化整合、教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與實(shí)施及教學(xué)評(píng)價(jià)三個(gè)方面詳細(xì)分析“工業(yè)機(jī)器人離線編程”課程混合式教學(xué)模式的構(gòu)建思路，并分五個(gè)階段闡述“工業(yè)機(jī)器人離線編程”課程混合式教學(xué)改革的實(shí)施過(guò)程。從效果來(lái)看，應(yīng)用混合式教學(xué)模式能提高課堂教學(xué)效率，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展要求。沈曄超等人[9]基于“1+X”證書(shū)制度的試點(diǎn)和推廣，以“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程”課程為例，通過(guò)師資培養(yǎng)提升教師技能，依托崗位需求創(chuàng)設(shè)沉浸式教學(xué)情境，以賽促教助推學(xué)生技能提升，把握新技術(shù)、新工藝的發(fā)展。

為有效提升學(xué)生編程能力及動(dòng)手操作能力，并順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化對(duì)教學(xué)內(nèi)容改革的迫切需求，面向本科生開(kāi)設(shè)了“工業(yè)機(jī)器人離線編程操作實(shí)驗(yàn)”課程。簡(jiǎn)單的文字或圖形通過(guò)機(jī)器人配套的示教器在線編程，而復(fù)雜的文字或圖形則需結(jié)合離線編程軟件InteRobot進(jìn)行編輯與運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，并拷貝到機(jī)器人示教器運(yùn)行。這種“設(shè)計(jì)—仿真—運(yùn)行”的教學(xué)設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高學(xué)生對(duì)機(jī)器人的編寫(xiě)操作能力以及創(chuàng)新能力，使其有更廣闊的想象空間[10-13]。

1? 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1? 機(jī)器人教學(xué)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，機(jī)器人教學(xué)方案主要分為離線編程和機(jī)器人操作兩個(gè)部分，采用“設(shè)計(jì)—仿真—運(yùn)行”的教學(xué)模式，打破傳統(tǒng)的單調(diào)在線操作模式，讓學(xué)生實(shí)際結(jié)合時(shí)代發(fā)展需求，學(xué)到更多的知識(shí)[14-17]。離線編程部分要求學(xué)生掌握UG建模和InteRobot軟件模擬仿真，機(jī)器人操作部分學(xué)生需熟練運(yùn)用示教器和運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。根據(jù)現(xiàn)有機(jī)器人臺(tái)數(shù)和教學(xué)資源進(jìn)行分配，將學(xué)生分為5～6人一組。

1.2? 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

為滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，選擇HSR-JR620工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)作為基礎(chǔ)搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如圖2所示。系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、PC端離線編程系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)行端操作。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人、示教器、配電箱組成，如圖3所示。系統(tǒng)中采用的HSR-JR620為6自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，有效負(fù)載12 kg、重復(fù)定位精度±0.06 mm、最大運(yùn)動(dòng)半徑1 555 mm。

機(jī)器人的6自由度相當(dāng)于有6個(gè)關(guān)節(jié)（或6個(gè)軸），A1—A6（或J1—J6）：A1為底座的左右轉(zhuǎn)動(dòng)；A2為大臂的前后運(yùn)動(dòng)；A3和A4為小臂的前后、左右轉(zhuǎn)動(dòng)；A5和A6為手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此關(guān)節(jié)機(jī)器人也稱為機(jī)械臂。其6個(gè)關(guān)節(jié)由6個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)形式，A1—A3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)器人外側(cè)，A4—A6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)則安裝在里面。Hpad-201示教器是用于機(jī)器人的手持編程器，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的主要控制功能，包括編程及控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，其操作模式為觸摸屏結(jié)合周邊按鍵一起使用。配電箱是機(jī)器人系統(tǒng)中的控制柜，里面裝有6個(gè)驅(qū)動(dòng)數(shù)字顯示屏，監(jiān)測(cè)機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)。示教器和配電箱之間的網(wǎng)絡(luò)接頭和4個(gè)其他信號(hào)接頭通過(guò)淺灰色電纜線連接，如圖4所示。

PC端離線編程通過(guò)三維建模軟件UG10.0和機(jī)器人自配的軟件InteRobot進(jìn)行，學(xué)生通過(guò)UG軟件規(guī)劃圖形或文字，導(dǎo)入到InteRobot中。從simpletool工具中選擇寫(xiě)字工具pen，并仿真其運(yùn)動(dòng)軌跡。因模擬仿真不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等因素的限制，在教學(xué)中加入離線編程內(nèi)容，一是可以提升寫(xiě)字的難度，挑戰(zhàn)更多復(fù)雜的圖形，二是通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的軌跡，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性及創(chuàng)新性，進(jìn)而也能預(yù)防一些安全事故。本實(shí)驗(yàn)要求每位學(xué)生熟練掌握InteRobot的軌跡設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真[18-20]。

機(jī)器人運(yùn)行端通過(guò)自制的3D打印模型裝載了一支大楷軟毛筆及運(yùn)行平臺(tái)，平臺(tái)上加入方形亞克力板和一張A4紙，學(xué)生要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)調(diào)整好坐標(biāo)系及Z軸高度，控制機(jī)器人執(zhí)行端按設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)行[21-23]。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，運(yùn)行前準(zhǔn)備工作是否成功就在這一環(huán)節(jié)中體現(xiàn)。在這個(gè)環(huán)節(jié)要求學(xué)生必須要站在機(jī)器人運(yùn)行可到達(dá)區(qū)域外，保證學(xué)生的安全和實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，學(xué)生要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)及完成情況。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以團(tuán)隊(duì)合作形式進(jìn)行，此模式有利于學(xué)生迅速掌握知識(shí)要點(diǎn)，提高團(tuán)隊(duì)合作能力和動(dòng)手操作能力，進(jìn)而能培養(yǎng)精益求精的工匠精神。

2? 機(jī)器人離線編程及運(yùn)行操作

2.1? 機(jī)器人離線編程

要求學(xué)生熟練操作編程軟件及界面，掌握機(jī)器人各軸運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本次設(shè)計(jì)采用的是系統(tǒng)自帶編程軟件InteRobot，首先在機(jī)器人庫(kù)里選擇HSR-JR620型號(hào)機(jī)器人，simpletool工具中選擇pen，并導(dǎo)入U(xiǎn)G10.0建立的圖形或文字。其次確認(rèn)工件坐標(biāo)系、圖形路徑、機(jī)器人進(jìn)入和退出路徑，進(jìn)行線上仿真運(yùn)動(dòng)軌跡，這里要注意的是，仿真軌跡范圍需在297 mm×210 mm的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)，因此整體圖形的尺寸不能超出此范圍。最后輸出PRG格式的程序控制代碼，保存Inc工程文件。圖5是離線編程模擬仿真的示例“華僑大學(xué)”。

教學(xué)中加入離線編程，一是可以拓寬學(xué)生的知識(shí)面，更全面的認(rèn)識(shí)機(jī)器人這門課的魅力；二是提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，挑戰(zhàn)更多不一樣的圖形；三是離線操作不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的影響，除了課上的練習(xí)，在課下學(xué)生根據(jù)自己時(shí)間安排鞏固和提高編程熟練度。

2.2? 機(jī)器人運(yùn)行端操作

運(yùn)動(dòng)軌跡模擬仿真成功的Inc工程文件和輸出的PRG格式控制代碼要進(jìn)行存儲(chǔ)并拷貝到示教器上，調(diào)整坐標(biāo)及參數(shù)，機(jī)器人準(zhǔn)備執(zhí)行。根據(jù)設(shè)計(jì)的軌跡要求，在書(shū)寫(xiě)平臺(tái)上有3個(gè)自由度，即X、Y軸的前后、左右移動(dòng)，Z軸的上、下移動(dòng)。

InteRobot離線編程軟件的工件坐標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用的BASE基坐標(biāo)有Z方向的高度差，這個(gè)高度差指的是底座到一軸和二軸交線處的Z方向的差值。因此必須先調(diào)整基坐標(biāo)下Z軸的高度，防止因?yàn)楦叨炔缓线m軟毛筆撞到平臺(tái)上。

在機(jī)械臂末端加載軟毛筆的裝置，結(jié)合SolidWorks建模及3D打印技術(shù)制作出一個(gè)模型，如圖6所示。此模型包含兩個(gè)通孔，直徑為62.2 mm和11.2 mm，分別可以安裝機(jī)械臂末端和大楷型號(hào)軟毛筆，并固定。這個(gè)裝置有利于安裝、拆卸和更換雕刻工具，根據(jù)不同的平臺(tái)或材料迅速更換軟毛筆或者雕刻刀。若需要換成搬運(yùn)的機(jī)械爪，只需把模型拆下來(lái)即可。

3? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

工科機(jī)械類學(xué)生或多或少對(duì)機(jī)器人有較多的興趣和好奇，在教學(xué)中不僅能操縱機(jī)器人還可以學(xué)習(xí)離線編程，模擬仿真中提前預(yù)覽運(yùn)行效果，大大提高學(xué)生上課積極性。

3.1? 學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)以組為單位逐步完成“設(shè)計(jì)—仿真—運(yùn)行”操作步驟，進(jìn)一步提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和精益求精的工匠精神。

在“設(shè)計(jì)—仿真”環(huán)節(jié)，首先導(dǎo)入U(xiǎn)G 10.0建立的圖形或文字，調(diào)整其顏色、位置和姿態(tài)，并插入CLS格式刀位文件，注意點(diǎn)是出刀位文件的模型和導(dǎo)入軟件的模型要一致。其次是運(yùn)動(dòng)模擬仿真，需設(shè)置進(jìn)退刀點(diǎn)，距離可設(shè)為50～100 mm，其作用是讓機(jī)器人進(jìn)入和退出主路徑有一個(gè)緩沖和過(guò)度的作用。最后要添加工件坐標(biāo)系，其參數(shù)值為示教器中的基坐標(biāo)，輸出PRG格式的控制代碼，保存Inc工程文件。

在“運(yùn)行”環(huán)節(jié)，由于軟件的工件坐標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用的基坐標(biāo)有Z方向的高度差，此值為機(jī)器人屬性面板的基坐標(biāo)系Base相對(duì)于世界坐標(biāo)系world的Z值，即Z實(shí)=Z軟-高度差，因此調(diào)整機(jī)器人Z方向的高度，如圖7所示。根據(jù)模擬仿真的圖形進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)行寫(xiě)字，并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.2? 教學(xué)實(shí)行效果

實(shí)行“設(shè)計(jì)—仿真—運(yùn)行”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后，學(xué)生涉及的知識(shí)面更廣、興趣度更高、創(chuàng)新性更強(qiáng)。從簡(jiǎn)單的文字到學(xué)校的?；铡W(xué)生喜歡的動(dòng)漫圖形、Logo、標(biāo)志性建筑等都可通過(guò)此教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)。學(xué)生興趣度提高最直觀的顯現(xiàn)在作品成績(jī)上，如圖8所示。

在規(guī)定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表1）內(nèi)，離線編程機(jī)器人寫(xiě)字實(shí)驗(yàn)的學(xué)生平均成績(jī)提高8%，證明了“設(shè)計(jì)—仿真—運(yùn)行”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的可行性。

4? 結(jié)? 論

文中提出基于InteRobot離線編程的機(jī)器人寫(xiě)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，采用“設(shè)計(jì)—仿真—運(yùn)行”的模式開(kāi)展教學(xué)。學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式合作，在PC端學(xué)習(xí)操作InteRobot，導(dǎo)入U(xiǎn)G 10.0圖形后模擬仿真運(yùn)動(dòng)軌跡，輸出PRG格式的控制代碼和Inc工程文件。機(jī)器人運(yùn)行端為HSR-620 6自由度工業(yè)機(jī)器人，在基坐標(biāo)下調(diào)整好Z軸高度差，配合自制的裝載軟毛筆3D打印模型，進(jìn)行X、Y軸的軌跡運(yùn)動(dòng)。此種教學(xué)模式有利于學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和對(duì)作品的精益求精，也有利于提高學(xué)生的興趣度、創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手操作能力，且學(xué)生的作品平均成績(jī)?cè)谕瑯拥脑u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)提高8%。

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作者簡(jiǎn)介：金花雪（1991—），女，朝鮮族，吉林龍井人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：機(jī)器人控制、智能制造技術(shù)；朱來(lái)發(fā)（1977—），男，漢族，湖南雙峰人，副高，碩士，研究方向：智能控制與制造；張善勤（1994—），男，漢族，福建福州人，助理實(shí)驗(yàn)師，本科，研究方向：裝備制造及工藝分析；薛祎鵬（1993—），男，漢族，福建莆田人，助理實(shí)驗(yàn)師，本科，研究方向：材料成型及其控制工程。

收稿日期：2023-03-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)項(xiàng)目（52275530）；福建省自然科學(xué)項(xiàng)目（2020J01068）；校級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理改革課題（SY2023J04）