工業機器人實訓課程的虛擬仿真教學研究

郝翠霞, 葉 暉

(1. 南京工業職業技術學院 電氣工程學院， 南京 210023； 2. 上海ABB工程有限公司, 上海 201319)

工業機器人越來越廣泛地應用在生產和生活領域,國內市場對工業機器人的需求逐年提高。為滿足國家對工業機器人職業技能人才的需要,許多高校(特別是高職院校)開設了工業機器人專業和課程。但是工業機器人系統昂貴,實訓設備維護成本高，且數量難以滿足實訓教學的需要。因此,將虛擬仿真技術應用在工業機器人實訓課程教學中尤為必要[1-3]。

世界各機器人開發商都有各自的產品型號和對應軟件，但相互不開放。Robotstudio是ABB公司開發的優秀的機器人仿真軟件,是當前工業機器人領域應用廣泛的軟件平臺[4-6]。本文所述機器人實訓項目即選用Robotstudio作為虛擬仿真實訓平臺進行開發。

在Robotstudio軟件中,可以像用實際示教器對機器人進行操作和編程一樣,用虛擬示教器對機器人進行操作和編程；可以仿真實際工業機器人工作站進行方案的設計和驗證。機器人程序無需任何轉換便可直接下載到實際機器人系統中[7]；可以導入第三方主流建模軟件搭建的模型,使用戶能夠在Windows環境中離線開發或維護機器人程序,顯著縮短編程時間、改進程序結構。

1 實訓課程教學規劃

實訓課程的課時設定1周,設置有4個機器人實訓項目,星期一—星期四每天訓練1個實訓項目,星期五設為收尾和驗證時間。有真實工業機器人系統的學校可以把仿真項目拿到現場實訓設備上驗證,實訓效果更好。南京工業職業技術學院對機器人實訓項目進行了詳細規劃。

1.1 工業機器人涂膠仿真實訓項目

工業機器人涂膠仿真實訓工作站布局如圖1所示[8],選取的工業機器人型號為IRB2600。該工作站的突出特點是工業機器人對工件的4個直線邊緣進行涂膠作業。學生通過此仿真項目的訓練,將掌握工業機器人沿規則路徑工作的編程技巧,并學習采用示教指令的方法設計涂膠路徑。

通過這個仿真項目,學生還能得到虛擬仿真的方法及其應用訓練,包括Robotstudio的操作、工作站的開發流程等。具體實訓內容包括:

圖1 涂膠工作站布局

(1) 創建工業機器人工作站和系統；

(2) 手動操縱機器人；

(3) 建立工業機器人工件坐標；

(4) 為工業機器人安裝工具；

(5) 設定運動指令參數；

(6) 創建工業機器人運動軌跡程序；

(7) 仿真設定,仿真運行機器人軌跡；

(8) 將機器人仿真效果制作成exe可執行文件；

(9) 工作站的打包、解包等。

該項目的訓練為其他項目實訓奠定了基礎。

1.2 工業機器人激光切割仿真實訓項目

工業機器人激光切割仿真實訓項目安排在機器人涂膠仿真實訓項目訓練之后進行,工作站布局如圖2所示[8],選取的工業機器人型號為IRB2600。在該項目中,要讓工業機器人對不規則曲線進行激光切割操作。本工作站的教學重點是對不規則曲線采用自動生成路徑的方法設定激光切割仿真路徑。通過此項目的訓練,要求學生掌握工業機器人沿不規則路徑運行的仿真方法。

圖2 激光切割工作站布局

該仿真項目實訓的知識點還有:(1)創建機器人激光切割曲線；(2)自動生成機器人激光切割路徑；(3)機器人目標點調整；(4)軸配置參數調整；(5)完善程序等。

通過以上兩個實訓項目,對學生進行工業機器人不同運動路徑的仿真訓練。

1.3 工業機器人搬運動作仿真實訓項目

工業機器人搬運動作仿真實訓項目的工作站布局如圖3所示,選取的工業機器人型號為IRB460。工業機器人要完成的工作是用吸盤工具把輸送鏈上的產品搬移到旁邊的垛板上。此工作站的仿真,既要實現機器人按路徑行走,又要利用工具吸附產品和釋放產品。定義動作信號、應用動作指令和邏輯指令對機器人的吸附和釋放動作進行仿真,是該項目訓練的重點。

圖3 搬運工作站布局

該仿真項目的訓練內容有:(1)布局工作站；(2)創建工具；(3)用Robotstudio的建模功能建模；(4)定義配置編輯器；(5)設置事件管理器；(6)設計搬運工件的路徑；(7)Set、Reset、WaitTime等邏輯指令的應用。

通過前3個項目的訓練,要求學生掌握工業機器人的運動路徑仿真和動作仿真的處理方法,即掌握基本的工業機器人應用仿真的編程方法。

1.4 工業機器人弧焊作業仿真實訓項目

工業機器人弧焊作業仿真實訓項目工作站布局如圖4所示[8],選取的工業機器人型號為IRB2600,變位機的型號為IRBP A。工業機器人在變位機的配合下，對裝在變位機上的零件進行弧焊作業,具體工作步驟是:變位機一軸轉動90°，把零件上的圓孔放平,機器人弧焊大孔的一面,變位機二軸旋轉180°,弧焊小孔的另一面。可根據實訓的進度,繼續完成大、小孔剩下一面的弧焊。

圖4 弧焊工作站布局

本仿真實訓的重點：一是變位機的應用；二是采用示教目標點的方法生成弧焊路徑；三是在生成的路徑中，根據實際情況把MoveJ或MoveL指令轉換為MoveC指令。

實訓項目的主要內容有:(1)構建焊接機器人工作環境；(2)建立模型；(3)變位機的導入與激活；(4)在變位機上安裝工件；(5)多路徑的添加及執行順序的調整等。

本仿真項目的訓練,除了工業機器人本體的仿真外,增加了外圍設備的仿真處理方法。

以上4個實訓項目的安排由易到難,所用的方法和訓練的知識點各有側重,選取的是工業機器人應用的典型案例,訓練點均包含Robotstudio的基礎應用。當學生順序完成4個仿真實訓項目后,還可進行項目的橫向擴展和縱向擴展,將自己的仿真項目拿到實際設備中進行驗證。

2 實訓條件與效果

實施工業機器人課程的虛擬仿真實訓教學方案的前提是建立一個裝有Robotstudio軟件的網絡實訓室,計算機的數量和實訓學生的數量相匹配。如果教師機裝有多媒體網絡軟件,教師可以方便地利用網絡教學平臺完成各種基于多媒體技術的教學活動,例如教師在教師機講述虛擬工作站的開發過程并廣播到每一臺學生機上,也可在教師機上查看每位學生開發仿真項目的過程和結果等。

該工業機器人實訓教學方案在我校機械工程學院機電一體化專業的3屆學生實訓教學中得到應用,收到了很好的實訓效果,大大提高了學生參加實訓的興趣和成就感,激發了學生的學習積極性及創新思維,有利于學生的創新實踐活動[9],也激發了教師進行虛擬仿真實訓教學的積極性。

實踐表明,虛擬仿真編程、調試工作站的虛擬仿真實訓能給予學生充足的糾錯空間,學生能夠就關鍵技術要點在軟件中進行反復練習,從而大大減少初學者因對工業機器人的不熟練操作而對設備造成損壞,也較好地解決了實訓設備和經費不足的問題,降低了實訓成本[10],提高了實操訓練的效率。

3 結語

基于虛擬仿真技術的工業機器人實訓項目既可橫向拓展項目的內容,也可以縱向增加具有新知識點的新項目,實訓項目的開發彈性比較大。即使是在沒有任何硬件實訓條件的學校也可以實施；有硬件設備但數量遠遠和學生數不匹配的學校,實訓的效果更是理想。由于在軟件中建立的虛擬工作站和實際工作站完全對應,每位學生都能充分體驗到每個項目的開發流程,解決了真實實訓系統不足的困境。在軟件中仿真、在硬件設備上驗證的實訓教學方法大大減少了現場編程的時間[11-12]。

需要注意的是:Robotstudio軟件版本更新非常快,平均一個月就會升級一個版本,要想用上Robotstudio的最新功能,則仿真實訓室的軟件需要不斷跟隨更新。

[1] 隋欣.《ABB工業機器人仿真》教學設計:基于RobotStudio[J].現代商貿工業,2016(31):167-168.

[2] 郭黎麗.對工業機器人應用技術專業實訓基地建設的探索與實踐[J].電子測量技術,2013(9):124-126.

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[4] 魏雄冬.工業機器人應用系列教學實訓設備的開發與項目設計研究[J].自動化應用,2017(7):64-65,69.

[5] 劉振宇,郝明,趙彬,等.工業機器人在線仿真系統研究[J].微型機與應用,2014(6):84-86,91.

[6] 潘洪坤.基于ABB工業機器人示教系統的教學項目設計[J].山東工業技術,2017(8):244-245.

[7] 魯鵬,張有博,谷明信,等.基于RobotStudio的工業機器人虛擬仿真實驗室的構建[J].機電技術,2015(4):152-155.

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

[9] 邸馗,于天彪,陳培媛,等.虛擬現實技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(10):10-12.

[10] 郭愛云,帥偉,熊家慧.虛擬仿真技術在機電設備裝調技術實訓課程教學改革中的應用[J].教育現代化,2017(20):219-220,222.

[11] 管菊花,鄧艷菲.基于RobotStudio焊接工業機器人虛擬工作站[J].南方農機,2017(13):122-124.

[12] 戴黃峰.碼垛教學在ABB工業機器人的教學應用[J].職業,2017(20):69-70.