摘" 要：針對(duì)工業(yè)機(jī)器人1+X證書(shū)培訓(xùn)中存在的設(shè)備昂貴、設(shè)備數(shù)量不足、訓(xùn)練不夠等問(wèn)題，構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X證書(shū)考核虛擬仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)在軟件RobotStudio的基礎(chǔ)上構(gòu)建，導(dǎo)入在UG中生成的相關(guān)周邊設(shè)備三維模型，將適合仿真完成的部分抽離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的裝配和倉(cāng)儲(chǔ)的工藝流程。在RobotStudio軟件中完成工業(yè)機(jī)器人的離線編程，在博圖軟件中設(shè)計(jì)PLC程序，通過(guò)PLCSIM Advanced進(jìn)行虛擬PLC模擬仿真，實(shí)現(xiàn)以PLC為中心，外圍設(shè)備與機(jī)器人間信號(hào)交互，達(dá)到與真實(shí)考核平臺(tái)同樣的功能。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；虛實(shí)結(jié)合；1+X證書(shū)；考核平臺(tái)；仿真平臺(tái)

文章編號(hào)：1671-489X（2025）03-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.03.0

0" 引言

為深化職業(yè)教育改革，借鑒國(guó)際職業(yè)教育相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)從2019年開(kāi)始啟動(dòng)1+X證書(shū)制度試點(diǎn)工作[1-5]。1+X證書(shū)制度最大限度地滿足了高職院校課證融通的教學(xué)需求[6-8]。各高職院校紛紛開(kāi)展證書(shū)鑒定工作，但在方案實(shí)施過(guò)程中，存在師資隊(duì)伍不足、基地建設(shè)不強(qiáng)、實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)不足等各種困難[9-11]。這些問(wèn)題在工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)尤為明顯。由于工業(yè)機(jī)器人本體及外圍設(shè)備價(jià)格高，搭建這類(lèi)課程的實(shí)訓(xùn)環(huán)境成本高，生均實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不足，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)少、訓(xùn)練不夠。同時(shí)，機(jī)器人操作復(fù)雜，初期上手較難，學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作時(shí)容易失誤而損壞設(shè)備，甚至可能造成人身傷害，不利于實(shí)訓(xùn)的開(kāi)展，且傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制。工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的課程技術(shù)性、實(shí)用性很強(qiáng)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)是該專(zhuān)業(yè)高職人才培養(yǎng)工作中不可缺少的組成部分。如果學(xué)生操作機(jī)會(huì)少、實(shí)踐操作能力差，人才培養(yǎng)質(zhì)量將無(wú)法滿足社會(huì)需要。

為了解決這些問(wèn)題，學(xué)界日益關(guān)注虛擬仿真平臺(tái)的研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)工業(yè)機(jī)器人虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了廣泛研究，馮凌云等[12]設(shè)計(jì)出虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，采用工作站邏輯設(shè)計(jì)，模擬數(shù)據(jù)通信。蔡寶等[13]設(shè)計(jì)了虛實(shí)融合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建Unity3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)OPC UA協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)工業(yè)機(jī)器人間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)機(jī)器人同步運(yùn)動(dòng)。田莉等[14]基于多機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用Roboguide仿真軟件和PLC仿真軟件實(shí)現(xiàn)虛擬平臺(tái)仿真。國(guó)內(nèi)學(xué)者在虛實(shí)仿真平臺(tái)方面研究成果豐碩，但目前大多虛擬平臺(tái)僅能仿真實(shí)體平臺(tái)的一部分功能或針對(duì)某一特定功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

本研究開(kāi)發(fā)的虛實(shí)結(jié)合培訓(xùn)平臺(tái)，在ABB仿真軟件RobotStudio的基礎(chǔ)上搭建，完成工業(yè)機(jī)器人的離線編程，采用博圖軟件完成PLC編程，利用PLCSIM Advanced 3.0搭建通信仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備與機(jī)器人間信號(hào)交互，完成實(shí)體平臺(tái)的考核要求。培訓(xùn)時(shí)先進(jìn)行虛擬仿真操作，方便學(xué)生練習(xí)和試錯(cuò)，再進(jìn)行實(shí)體操作，體驗(yàn)真實(shí)設(shè)備的手感。

1" 考核平臺(tái)工作流程

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X證書(shū)有三個(gè)等級(jí)，技能要求依次升高[15]。高級(jí)別職業(yè)技能要求涵蓋低級(jí)別職業(yè)技能要求。鑒于高職院校主要針對(duì)1+X證書(shū)的中級(jí)證書(shū)，本文研究對(duì)象為中級(jí)考核平臺(tái)。

中級(jí)考核平臺(tái)包含實(shí)物平臺(tái)和仿真平臺(tái)兩部分：實(shí)物平臺(tái)采用匯博1+X證書(shū)考核平臺(tái)；仿真平臺(tái)包括博圖、ABB機(jī)器人仿真軟件RobotStudio、PLCSIM Advanced軟件。中級(jí)考核平臺(tái)完成的工作任務(wù)是關(guān)節(jié)裝配——由搬運(yùn)、組裝臺(tái)變位、立體倉(cāng)庫(kù)供料、旋轉(zhuǎn)臺(tái)供料等動(dòng)作完成機(jī)器人關(guān)節(jié)的裝配。實(shí)物平臺(tái)工作站中，機(jī)器人在裝配過(guò)程中自行更換不同夾具，依次將電機(jī)、減速器、法蘭裝入基座內(nèi)，完成關(guān)節(jié)的有序裝配工作，完成入庫(kù)工作。平臺(tái)內(nèi)周邊設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作，如氣缸推出零件、傳送帶運(yùn)動(dòng)送料、旋轉(zhuǎn)供料盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)停止、變位機(jī)等，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配自動(dòng)化。依次裝配零件如圖1所示。

2" 仿真平臺(tái)搭建

仿真平臺(tái)以實(shí)體考核平臺(tái)及其工作流程為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)物平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和尺寸，在三維建模軟件UG上完成建模，導(dǎo)入仿真軟件Robot-Studio，根據(jù)真實(shí)平臺(tái)進(jìn)行布局，如圖2所示。RobotStudio仿真軟件具有機(jī)器人虛擬仿真與離線編程功能，通過(guò)Smart創(chuàng)建組件，具備傳送帶、旋轉(zhuǎn)供料等外圍機(jī)械設(shè)備的虛擬仿真能力。仿真平臺(tái)的搭建主要包括模型的創(chuàng)建、Smart組件設(shè)計(jì)、I/O"連接、工作站邏輯設(shè)計(jì)與通信設(shè)置等。

2.1" 三維模型創(chuàng)建

利用UG三維軟件繪制工作臺(tái)與平臺(tái)上除機(jī)器人外所有設(shè)備的模型，按照與實(shí)物1∶1的比例建模，通過(guò)裝配模塊裝配成產(chǎn)品，變位機(jī)單元、快換工具單元、立體倉(cāng)庫(kù)單元、旋轉(zhuǎn)供料單元等工作站周邊單元（圖3），生成SAT格式文件并導(dǎo)入Robotstudio。根據(jù)實(shí)物平臺(tái)設(shè)計(jì)布局各設(shè)備模型在虛擬工作站內(nèi)的位置，做到與實(shí)物平臺(tái)完全一致。仿真系統(tǒng)軟件自帶ABB機(jī)器人庫(kù)，可以根據(jù)實(shí)物平臺(tái)型號(hào)選擇機(jī)器人IRB 120本體及參數(shù)，高度還原真實(shí)環(huán)境。

2.2" 機(jī)器人用工具設(shè)計(jì)

完成中級(jí)考核平臺(tái)工作任務(wù)規(guī)定的關(guān)節(jié)裝配，需要使用不同的工具。機(jī)器人用工具由末端工具和基座兩部分組成。末端工具有吸盤(pán)、弧口鉗、平口鉗，以機(jī)械裝置的形式在仿真平臺(tái)上創(chuàng)建，通過(guò)對(duì)導(dǎo)入的模型創(chuàng)建機(jī)械裝置，使鉗口具備張開(kāi)和夾緊的姿態(tài)；基座是以機(jī)器人用工具的形式在仿真平臺(tái)上創(chuàng)建，使其具備機(jī)器人用工具的各項(xiàng)屬性，安裝在機(jī)器人第六軸法蘭盤(pán)末端，如圖4所示。末端工具、基座與Smart組件配合后使用，將創(chuàng)建好的機(jī)械裝置添加至Smart組件中，再添加相應(yīng)的組件，在基座末端設(shè)置線傳感器，將傳感器檢測(cè)到的末端工具與安裝、拆除功能相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速更換末端工具。機(jī)器人末端工具可以模擬工具的拾取和釋放動(dòng)作，需要?jiǎng)?chuàng)建末端夾具Smart組件，設(shè)置機(jī)械裝置的姿態(tài)與機(jī)器人的信號(hào)連接，配合機(jī)器人完成不同零部件的拾取和釋放動(dòng)作。

2.3" 動(dòng)態(tài)Smart組件設(shè)計(jì)

用RobotStudio軟件中的動(dòng)畫(huà)工具Smart組件，可以實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)與實(shí)物平臺(tái)一樣的動(dòng)態(tài)效果。工作站內(nèi)各設(shè)備的動(dòng)畫(huà)仿真采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)不同的Smart組件完成不同任務(wù)，組件主要包含：傳送帶組件、電機(jī)旋轉(zhuǎn)供料組件、推料氣缸組件、變位機(jī)組件、工件抓取組件、工具安裝組件等。

以機(jī)器人用工具動(dòng)作Smart組件為例說(shuō)明組件的創(chuàng)建方法。末端工具動(dòng)作動(dòng)態(tài)效果為工具取工件、放置工件的過(guò)程。在軟件工作區(qū)Smart組件窗口中點(diǎn)擊“添加組件”，分別添加子對(duì)象組件。在軟件工作區(qū)中點(diǎn)擊子對(duì)象組件，在其屬性對(duì)話框中對(duì)子組件屬性進(jìn)行配置。在軟件工作區(qū)點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)”，添加I/O對(duì)子組件間邏輯關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，即各個(gè)組件相互之間的信號(hào)傳遞。末端工具Smart組件設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

2.4" 仿真平臺(tái)的通信

仿真平臺(tái)的通信以PLC為主站，即機(jī)器人、外圍設(shè)備之間的信號(hào)都與PLC進(jìn)行交互。利用通信協(xié)議與工業(yè)機(jī)器人通信，操控工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、接收和發(fā)送外圍設(shè)備信號(hào)。仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制架構(gòu)如圖6所示。

啟動(dòng)PLC建立通信使用變量，設(shè)置通信參數(shù)

（地址），編寫(xiě)PLC控制程序，啟動(dòng)PLCSIM Advanced并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，下載編寫(xiě)PLC程序到

PLCSIM Advanced。在RobotStudio軟件中下載安

裝RSConnectDIOToSnap7.rslib、RSConnect-GIOToSnap7.rslib插件，創(chuàng)建連接信號(hào)和硬件關(guān)聯(lián)信號(hào)，將需要組件的信號(hào)與系統(tǒng)創(chuàng)建的信號(hào)進(jìn)行連接，建立仿真邏輯關(guān)系，然后切換到博圖端進(jìn)行監(jiān)控。這些軟件之間相互配合，可以完成仿真平臺(tái)的聯(lián)合仿真。

3" 平臺(tái)的應(yīng)用與效果

采用“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的方式，在教學(xué)中將仿真平臺(tái)與實(shí)物平臺(tái)相結(jié)合。將實(shí)踐操作任務(wù)進(jìn)行線上和線下分解與分配，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)書(shū)進(jìn)行課前線上預(yù)習(xí)。課堂上開(kāi)展虛擬仿真操作講解，教師對(duì)機(jī)器人的操控方法和關(guān)鍵步驟進(jìn)行示范演練，讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和操作步驟。學(xué)生課余時(shí)間可以在仿真平臺(tái)上多次重復(fù)練習(xí)，確保不會(huì)出現(xiàn)因操作失誤損壞設(shè)備的情況。教師根據(jù)學(xué)生在仿真平臺(tái)上的學(xué)習(xí)和操作情況，安排已操作熟練的學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，減少因設(shè)備不足而輪候的問(wèn)題，提高設(shè)備的使用率。課后教師對(duì)項(xiàng)目作進(jìn)一步延伸，根據(jù)學(xué)生的差異進(jìn)行知識(shí)拓展，發(fā)布更具綜合性、創(chuàng)新性的分層任務(wù)。使用仿真平臺(tái)完成拓展任務(wù)，可以發(fā)掘?qū)W生潛能，引發(fā)學(xué)生更深層次的思考。

永城職業(yè)學(xué)院建設(shè)有工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室，實(shí)訓(xùn)室電腦安裝了RobotStudio、博圖、PLCSIM Advanced等軟件創(chuàng)造仿真平臺(tái)環(huán)境，基本可以仿真工業(yè)機(jī)器人工作站的工作情況。學(xué)生在仿真實(shí)訓(xùn)室直接打開(kāi)桌面上創(chuàng)建好的工作站，就像在實(shí)物平臺(tái)上操作一樣，虛擬配置I/O信號(hào)端口、設(shè)置參數(shù)、編寫(xiě)程序等。學(xué)生通過(guò)反復(fù)練習(xí)，熟悉整個(gè)操作過(guò)程。完成學(xué)習(xí)后，把仿真程序下載到實(shí)體設(shè)備上，在實(shí)物平臺(tái)上調(diào)試控制程序，進(jìn)行實(shí)際操作，直至正確完成任務(wù)。仿真平臺(tái)不僅讓學(xué)生熟練掌握了操作過(guò)程，而且降低了設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

學(xué)校2022年以前的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐課程采用直接上機(jī)操作方式，后采用仿真教學(xué)，2023年實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)。對(duì)實(shí)施改革前后三個(gè)班級(jí)學(xué)生的相同項(xiàng)目進(jìn)行考核，并對(duì)學(xué)習(xí)成效進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從數(shù)據(jù)可以看出，仿真操作完成度由2022年的82.6%提高到2023年的90.6%，實(shí)際操作完成度由70.4%提高到84.3%，收到了很好的實(shí)訓(xùn)效果，改革成效顯著。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中存在的一些問(wèn)題均得到有效解決。學(xué)生進(jìn)行仿真操作熟練度增加，可以勝任一些稍有難度的仿真任務(wù)。相較以往的直接上機(jī)操作，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的時(shí)間明顯縮短，實(shí)驗(yàn)效率大大提高。

4" 結(jié)束語(yǔ)

仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)解決了以往工業(yè)機(jī)器人1+X證書(shū)培訓(xùn)中設(shè)備不足、誤操作引起設(shè)備損壞等問(wèn)題。虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)，最大限度地發(fā)揮仿真和實(shí)操各自的優(yōu)勢(shì)。學(xué)生在仿真平臺(tái)上熟悉操作過(guò)程，在實(shí)物平臺(tái)上體驗(yàn)真實(shí)設(shè)備的手感，有效解決了學(xué)生數(shù)量多與設(shè)備不足的矛盾。使用虛實(shí)結(jié)合的平臺(tái)讓學(xué)生熟悉平臺(tái)的操作與編程過(guò)程，提升實(shí)踐教學(xué)的效率與考證的通過(guò)率。平臺(tái)的開(kāi)發(fā)為學(xué)生提供了一個(gè)開(kāi)放、創(chuàng)新、綜合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，優(yōu)化了教學(xué)資源，提高了培訓(xùn)效率，降低了設(shè)備購(gòu)置成本，為培訓(xùn)提供了新的思路和手段，具有很好的推廣性。

5" 參考文獻(xiàn)

[1] 高彩霞.百萬(wàn)擴(kuò)招背景下1+X證書(shū)制度實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)、難點(diǎn)及著力點(diǎn)[J].教育與職業(yè)，2020（13）：11-18.

[2] 吳南中，夏海鷹，胡彥.1+X證書(shū)制度下教學(xué)變革的訴求、特征與路徑[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2020（18）：5-11，18.

[3] 凌旭，王云軍，戴俊良.基于虛擬仿真技術(shù)的1+X證書(shū)考核內(nèi)容設(shè)計(jì)：以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程技能等級(jí)證書(shū)為例[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2021（20）：33-36.

[4] 丁翠娟.職業(yè)教育教材對(duì)1+X證書(shū)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化及其實(shí)現(xiàn)路徑[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2020（18）：19-25.

[5] 董虹星，周曙紅.“1+X”工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用證書(shū)培訓(xùn)新形態(tài)一體化教材建設(shè)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2022，39（1）：204-209.

[6] 杜怡萍.1+X證書(shū)制度實(shí)施的要件、挑戰(zhàn)及策略[J].教育學(xué)術(shù)月刊，2020（4）：35-41.

[7] 唐以志.1+X證書(shū)制度：新時(shí)代職業(yè)教育制度設(shè)計(jì)的創(chuàng)新[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2019（16）：5-11.

[8] 王亞盛，趙林.1+X證書(shū)制度與書(shū)證融通實(shí)施方法探索[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2020（6）：13-17，64.

[9] 李壽冰，高艷芳，楊興芳.職業(yè)教育1+X證書(shū)制度試點(diǎn)的現(xiàn)狀與對(duì)策[J].職業(yè)技術(shù)教育，2020，41（20）：20-24.

[10] 周紹梅，王啟合.基于1+X證書(shū)制度的職業(yè)教育與培訓(xùn)體系改革[J].教育與職業(yè)，2020（7）：12-18.

[11] 國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案的通知[A/OL].（2019-02-13）[2021-06-25]. https：//www.gov.cn/zhengce/content/2019-02/13/content_5365341.htm.

[12] 馮凌云，劉凱.虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（5）：223-229.

[13] 蔡寶，朱文華，史秋雨，等.虛實(shí)融合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究[J].機(jī)床與液壓，2021，49（23）：54-60.

[14] 田莉，朱早龍，郝雯娟.基于多機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2023，42（1）：126-131.

[15] 向麗.1+X證書(shū)制度下職業(yè)教育課程內(nèi)容開(kāi)發(fā)的理與路徑研究[J].中國(guó)職業(yè)技術(shù)教育，2022（4），80-85，96.

*項(xiàng)目來(lái)源：教育部專(zhuān)項(xiàng)課題“基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人職業(yè)技能培訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建與研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ZJXF2022137）；河南省高校人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目“基于移動(dòng)終端的混合式教學(xué)在高職機(jī)電類(lèi)軟件課程中的教學(xué)研究與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：20220216）。

作者簡(jiǎn)介：蔡云，教授；韓文靜、宋進(jìn)朝，副教授。