基于Robotstudio的焊接機器人虛擬仿真教學

王文軍

[摘 要] 傳統的焊接機器人教學方法主要是演示，受設備限制教學內容單一，由于學生人數多操作時間少，教學效率低，質量不高，提出基于Robotstudio的焊接機器人虛擬仿真教學，通過工業機器人離線編程仿真軟件實現教學，有利于高效地組織教學且直觀形象，大大提高了學生的學習興趣，效果良好.

[關 鍵 詞] 焊接；工業機器人；虛擬仿真；Robotstudio

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）34-0209-01

中國制造2025的核心是創新驅動發展，主線是工業化和信息化兩化融合，重點發展智能制造等領域。在智能制造的背景下工業機器人得到快速發展，2013年，中國工業機器人銷售量達到3.7萬臺，超過日本，成為全球最大的工業機器人市場，工信部制定的我國機器人產業“十三五”規劃的主要目標就是到2020年，每萬名制造業工人擁有機器人達到100臺以上，因此未來幾年，中國工業機器人將呈現井噴式增長。智能制造行業迅速發展，迫切需要大量工業機器人行業的人才，作為高職院校，應當承擔起培養既懂理論又能熟練編程、操作工業機器人的高素質技術技能型人才的責任。

近兩年，隨著工業機器人行業的迅猛發展，很多高等職業院校在積極申報、開設工業機器人技術專業，但是工業區機器人方面的師資力量相對薄弱，而且工業機器人教學設備價格昂貴，且有一定的危險性，操作不當會導致人身傷害或者設備損壞。因而教學過程中很難實現學生人手一臺工業機器人來組織開展教學，加之教師演示為主的教學模式學生參與性有限，教學效果欠佳。通過引入虛擬仿真教學，實現教學資源合理分配，從而保證學生有充分的時間練習，同時減少實踐過程中存在的安全隱患，達到低成本、高效率的教學效果。

一、焊接機器人教學現狀

目前工業機器人教學設備品牌眾多，且價格不菲，難以實現教學過程中學生人手一臺進行實際操作，老師依靠僅有的少量教學機器人給學生演示，一開始學生興趣尚濃，但是只看不做，或者很多學生圍著一臺機器人，每個學生的操作時間非常有限，久而久之，學生會覺得索然無味，而且，教學組織難度大，效率非常低，對學生的動手操作能力、創新意識的培養難以奏效。

二、虛擬仿真教學

Robotstudio是ABB公司的機器人仿真軟件，通過Robotstudio可以構建焊接虛擬工作站，可實現對焊接機器人的運動軌跡離線編程、仿真測試等，且其程序和配置文件無需修改可以直接下載給實際的機器人。

（一）創建工業機器人工作站

工業機器人工作站創建包括合適的工業機器人的選擇、相關參數的設定；工業機器人所需要的工具的選擇及其參數的設定，工件、控制柜等的選擇，Robotstudio專長于機器人仿真以及相關工況環境的構建，在建模方面功能有限，如果需要其他復雜的三維立體模型，可通過Pro_E、AutoCAD或UG等軟件來實現。

焊接機器人虛擬工作站參照實際的焊接機器人控制系統建立，以便調試好的程序無需修改直接下載給實驗室的工業機器人。學生在電腦上進行離線編程，再將編好的程序導入已有的機器人實體進行修改調試。利用模擬仿真學生可以對工業機器人編程、操作重復訓練，一方面有利于組織教學，另一方面保證了教學效果，同時也提高了學生的學習興趣。

（二）焊接機器人離線軌跡設計與編程

1.標定工具坐標系

焊接工業機器人離線軌跡編制的時候，首先要根據工業機器人所使用的焊槍求出TCP點與所設置的工具坐標系之間的變換關系，一般可采用6點法標定工具坐標系：首先在合適的區域內確定一個固定點作為參照，然后選擇焊槍槍尖作為參考點，再用手動模式操作機器人移動焊槍，使焊槍以4種不同的姿態盡量與參照點接觸，具體可以參照ABB工業機器人使用手冊操作。

2.焊接軌跡編程

編寫程序是機器人工作站創建與運行的重點，焊接軌跡編程可以采用直接示教目標點實現編程，也可以通過視覺系統獲得焊縫坐標實現自動焊接。由于通過視覺系統獲得焊縫坐標涉及圖像處理的知識，比較復雜，對學生初期學習，先教會學生直接示教目標點的方法實現焊接軌跡編程。重點是對不同的焊接軌跡要能夠確定其關鍵點，這直接決定軌跡編程和實際焊縫的吻合度。對形狀復雜的焊縫，一定要多找幾個關鍵點，確保焊接路線的準確性。

（三）仿真

Robotstudio可以通過模擬監控機器人工作過程中是否有歧義點、是否會發生干涉等，并且可以利用TCP跟蹤功能記錄機器人運動軌跡，以便分析軌跡的合理性，可以通過選擇記錄其運動軌跡，以便后續軌跡分析及參數調整。

三、虛擬仿真實訓教學的優勢

1.現有的焊接機器人教學是以特定的焊接設備建立起來的，可實現的教學任務是固定的，難以靈活配置，而采用焊接機器人虛擬工作站就可以實現多種機器人多種焊接工況的教學。

2.Robotstudio焊接機器人虛擬工作站，可實現項目式教學，引入企業實際的焊接工作任務，采用“項目引導—任務驅動”的教學模式來進行教學。

3.Robotstudio系統中有非常豐富的工業機器人模型庫，也可以根據工況專門設計相應的模型導入。各種機器人模型可通過配置智能組件，實現和機器人控制系統的電氣連接，從而激發學生實現自己的創意，更好地培養學生的創新意識和創造力。

綜上所述，基于Robotstudio的焊接機器人虛擬仿真教學，既解決了教學組織難的問題，提高了教學效率，也降低了成本和安全隱患，通過仿真模擬了虛擬企業實際工況，并以實際工作任務為引導，實現項目化教學，有利于高職院校授課模式的改革，實現高效課堂。通過虛擬仿現實現焊接機器人教學模式必將在高職類院校大力推進。

參考文獻：

[1]王偉.數說2014年中國工業機器人[J].機器人技術與應用，2014（6）：17-18.

[2]許穎麗.“十三五”機器人來了[J].上海信息化，2015（9）：10-15.

[3]管菊花，馮永平.基于HALCON的瓷磚在線智能分類系 統[J].南方農機，2015，46（10）：69-73.