基于虛擬仿真技術的1+X證書考核內容設計

凌旭 王云軍 戴俊良

摘? 要 隨著1+X證書制度試點的開展，國家相繼發布工業機器人相關四個職業技能等級證書，然而每個證書都對應一套考核設備且費用較高。利用虛擬仿真技術模擬X證書考核內容，有利于教學的開展。通過對工業機器人工作站及零件進行三維實體建模以及工作站整體布局，運用Smart組件和虛擬示教器等技術，對工業機器人、變位機與快換手抓添加子對象組件及其屬性，并創建快換手抓、變位機與虛擬示教器之間的I/O控制，添加各個組件之間的工作站邏輯，實現對機器人工作站的離線編程仿真。通過運用虛擬仿真技術，解決設備短缺難題，同時有助于提高X證書通過率。

關鍵詞 1+X證書;工業機器人;虛擬仿真;三維建模

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）20-0033-04

Application of Virtual Simulation Technology in 1+X Certificate Examination Content//LING Xu， WANG Yunjun， DAI Junliang

Abstract With the development of 1 + X certificate system pilot， the

state has issued four vocational skill level certificates related to industrial robots， however， each certificate corresponds to a set of assessment equipment and the cost is high. Therefore， the use of virtual simulation technology to simulate the content of X certificate assessment is conducive to the development of teaching. Through 3D solid modeling and overall layout of industrial robot workstation and parts， smart components and virtual teaching device are used to add sub object components and their attributes to industrial robot， positioner and quick-change gripper. I / O control between quick change gripper， positioner and virtual teaching device is created， and workstation logic between each component is added to realize the off-line programming simulation of robot workstation. The virtual simulation technology can solve the problem of equipment shortage and improve the passing rate of X certificate.

Key words “1+X” certificate; industrial robot; virtual simulation; 3D modeling

0? 前言

2019年伊始，國務院印發《國家職業教育改革實施方案》，標志著新一輪職業教育改革的開啟。1+X證書制度的試點與運行，標志著職業教育探索新型職業技能等級證書制度模式的開始[1-3]。將X技能等級證書的考核要求融入職業教育教學中去，新的X證書考核制度的推出，伴隨著新的考核設備的使用。

對于工業機器人技術專業方向，國家相繼推出四個職業技能等級證書，分別為《工業機器人操作與編程職業技能等級證書》《工業機器人應用編程職業技能等級證書》《工業機器人集成應用職業技能等級證書》《工業機器人裝調職業技能等級證書》[4-5]。分析四個證書的考核標準，其共同點是必須配套相應的工業機器人工作站設備進行考核。因此，對于高職院校而言，這將增加設備的投入。尤其在工業機器人技術專業上面，若要培養學生同時獲得上述四個證書，則必須采購四種類型的教學設備，對高職院校的辦學經費是一種挑戰。但是，分析四種X職業技能等級證書的考核要求，發現其共同點都是圍繞工業機器人的應用與編程為核心。對于職業院校課程而言，可以先開設工業機器人虛擬仿真課程作為考證的前期預備課程，讓學生在課堂上感受X證書考試過程。因此，工業機器人虛擬仿真技術的應用有利于1+X證書制度與工業機器人技術專業教學的結合。本文以工業機器人應用編程技能等級證書考核要求為例，借助ABB工業機器人仿真技術的使用，完整仿真考核設備的搭建與程序編寫。

1? 工業機器人職業技能等級證書考核要求

工業機器人應用編程職業技能等級分為初級、中級、高級三個等級，三個等級依次遞進，高級別涵蓋低級別職業技能要求。對應工業機器人的操作方面，從最初的工業機器人安裝與調試，到工業機器人現場編程應用，最后到工業機器人系統聯調過程。但對于高職類院校，主要對應X證書的中級要求，即工業機器人的編程應用過程。借助虛擬仿真技術可以在計算機上進行工業機器人編程仿真應用。

2? 工業機器人工作站搭建

基于ABB工業機器人提供的RobotStudio仿真軟件進行模擬[6-7]，在其虛擬環境中對各個設備、模擬通信、仿真輸出進行合理配置，以降低實際搭建所需的成本。通過SolidWorks建模軟件進行建模，以導入的方式進行工作站的搭建。通過實時仿真模擬裝配過程中的軌跡以及工作過程中不合理的動作，對可能發生的碰撞進行優化和控制。

2.1? 裝配流程

在RobotStudio軟件中有機器人模型庫，只需導入IRB120型機器人及其系統。通過SolidWorks軟件進行建模，在RobotStudio中導入其他所需的模型。本次工作站模型包括工作站平臺、立體庫、工件碼盤、變位機、快換手抓以及機器人本體，如圖1所示。

圖2展示了六種不同的工件，Ⅰ號工件最初放置在工作站立體庫上，Ⅱ～Ⅵ號工件放置于工作碼盤中。零件的裝配順序為：

第一步，Ⅰ號工件由工業機器人抓取放置在變位機上，通過變位機上氣缸進行定位;

第二步，將工作碼盤中Ⅲ號工件與Ⅳ號工件先后搬運至Ⅱ號工件中;

第三步，將裝配好的Ⅱ號工件整體搬運至變位機上的Ⅰ號工件中;

第四步，將工作碼盤中Ⅴ號工件搬運至Ⅰ號工件中，此時，Ⅱ～Ⅴ號工件均在Ⅰ號工件中;

第五步，變位機旋轉20°，利于Ⅵ號工件裝配;

第六步，將工作碼盤中Ⅵ號工件抓取放置于Ⅰ號工件中并旋轉90°，以保證整個零件處于擰緊狀態;

第七步，將變位機中裝好的零件整體搬運至立體庫中，等待下一步工序。

整個七步為零件裝配的過程。

2.2? 快換夾爪

在工作站搭建過程中需要先對工業機器人快換手抓進行設計?？鞊Q手抓主要由基座部分、夾爪部分、吸盤部分組成。要想設置成工具并安裝至機器人，需要先在Robot-Studio中選擇創建機械裝置，然后在“鏈接”中添加手抓的三個主要部分，并將“L1”設置為BaseLink;在“接點”中創建兩個關節J1與J2，用于夾爪的夾取動作，方向選擇與夾爪移動的方向水平;關鍵點在于“工具數據”建立，也就是工具坐標，需要分別在夾爪和吸盤的末端建立一個坐標系，目的在于對工業機器人進行示教時可以按照機械工具的坐標系進行移動，如此可以更加方便地調整工具姿態，而且在使用插補命令時機器人的運算軌跡會更加精確，如圖3所示。

3? I/O信號及Smart組件的配置

3.1? I/O信號的配置

在RobotStudio中需要配置的I/O包括虛擬示教器以及各個Smart組件。工作站需要配置的I/O包括快換手爪中夾爪的張開信號與閉合信號、吸盤的吸取信號、變位機原點信號、夾緊信號、旋轉信號和水平信號，以及一些動畫的信號，如表1所示。

3.2? 快換手抓Smart配置

快換手抓需要實現的功能：能夠通過工作站進行控制，并且可以抓取或拆除工件。夾爪控制需要利用的組件包括：一個LineSensor”，用于檢測工件靠近，通過感應可以確定工件是否在抓取范圍;兩個“PlaneSensor”，用于抓取動作，一旦抓手接觸到工件表面就會暫停抓取動畫，可以避免穿模的情況出現;“Attacher”與“Detacher”，可以拆裝工件，通過拆裝同機器人同步動作;“JointMover”，用于夾取動作的動畫模擬。吸盤只需用到“LineSensor”“Attacher”和“Detacher”。圖4為夾抓Smart設計圖。

3.3? 變位機Smart的配置

變位機需要實現的功能：通過夾緊固定住工件，然后旋轉改變工件角度，這樣便于工件的裝配。同快換手抓相同，變位機也需要“PlaneSensor”“JointMover”“Attacher”“Detacher”，還需一個“LogicGate[OR]”并延時0.1 s，使變位機能正常拆除工件。圖5為變位機Smart設計圖。

4? 系統編程與仿真

4.1? 系統離線編程

搭建好工作站模型后，利用RobotStudio軟件中建立的I/O信號、Smart組件和通過機器人示教的點位，使用RAPID或虛擬示教器進行離線編程。工業機器人的程序一般主要都是由一個主模塊和多個子模塊組成，方便用戶調用修改;還可以根據工作站的各種需要，設置單次運行或連續運行。在本次設計中，工業機器人的主要任務是將工件從庫中取出進行組裝，當運行至最后一個工件時，變位機開始旋轉，使工件更容易安裝。工作如圖6所示，搬運并組裝六個工件，最后返庫為一整個流程。

4.2? 仿真過程

點擊“仿真”中的播放按鍵執行仿真程序。在本次的仿真中，為了使過程看起來更加趨于真實情況，添加使用了“LinearMover”組件，它的作用是模擬工件物理掉落的效果。同時，為了實現工件與工件之間的聯動，需要使用“Arracher”組件并建立它們之間的屬性連接，在需要將它們變為一組整體時，可以由虛擬示教器通過I/O發出信號，這樣就能避免在搬運時出現搬運單個工件的情況。

5? 結束語

通過工業機器人虛擬仿真技術的應用，能夠搭建工業機器人工作站，通過虛擬配置I/O信號端口和Smart組件的設定，基本上可以仿真工業機器人工作站的工作情況。對于1+X證書制度下，工業機器人技術專業對應的四個X職業技能等級證書在工業機器人操作考核方面都可以采用虛擬仿真技術。采用虛擬仿真技術可以大大降低教學設備采購成本，教師在教學方面更加直觀與方便，學生更容易理解并掌握工業機器人的操作與編程。虛擬仿真技術的應用有利于1+X證書制度在工業機器人技術專業中的推廣與應用。■

參考文獻

[1]高彩霞.百萬擴招背景下1+X證書制度實施的關鍵點、難點及著力點[J].教育與職業，2020（13）：11-18.

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[3]丁翠娟.職業教育教材對1+X證書標準的轉化及其實現路徑[J].中國職業技術教育，2020（18）：19-25.

[4]吳南中，夏海鷹.1+X證書制度下職業院校變革邏輯與推進策略[J].教育與職業，2020（8）：5-12.

[5]杜怡萍.1+X證書制度實施的要件、挑戰及策略[J].教育學術月刊，2020（4）：35-41.

[6]孫增光，王士軍，孟令軍，等.基于RobotStudio焊接機器人工作站仿真設計[J].機床與液壓，2020（5）：29-33.

[7]孫立新，高菲菲，王傳龍，等.基于RobotStudio的機器人分揀工作站仿真設計[J].機床與液壓，2019（21）：29-33.