基于高職院校的工業機器人虛擬仿真實訓課程的開發研究＊

陳磊，張建榮，郭金妹

基于高職院校的工業機器人虛擬仿真實訓課程的開發研究＊

陳磊，張建榮，郭金妹

（江西應用技術職業學院，江西 贛州 341000）

為實現“中國制造2025”這一宏偉藍圖，必須大力發展機器人產業，培養工業機器人應用技術相關人才。闡述了ABB工業機器人虛擬仿真教學的必要性，并構建了高職院校工業機器人實訓課程開發的項目，這些項目與當前企業需要緊密結合，讓學生畢業之后能夠跟工作崗位無縫對接。

高職院校；ABB工業機器人；虛擬仿真；實訓課程

中國制造業大而不強，正處于從制造業價值鏈的低端向中高端、從制造業大國向制造業強國轉變的階段。隨著國家對制造業的高度重視和傳統產業的轉型升級，以及推進新型基礎設施建設的重大機遇，對高素質的工業機器人應用人才的需求將更加迫切，有機構預計到2021年，全國工業機器人裝機量將達到100萬臺，工業機器人應用人才需求總量達到63萬人[1]。而中國工業機器人應用人才培養剛處于起步階段，很多學校的工業機器人相關設備尚未配齊，或者缺乏相關資金導致工業機器人技術應用人才得不到應有的培訓[2]。因此本文從構建虛擬仿真軟件出發，探到借用相關的虛擬仿真軟件可以建設的課程內容。

1 仿真軟件簡介

通常仿真軟件可以分為專用型和通用型［工業機器人離線編程（ABB）］，專用型軟件是機器人公司對自身產品開發的軟件，如ABB公司的RobotStudio、發那科公司的RoboGuide、庫卡公司的KUKA Sim、安川電機公司的MotoSim等。通用型離線編程軟件是能夠兼容市場主流品牌的機器人，國外的軟件有RobotMaster、RobotMove等；國內的軟件有華航唯實RobotArt、華數機器人InteRobot等。

2 虛擬仿真教學的必要性

2.1 現實需求

工業機器人實操教學過程主要是控制機器人的運動，確定機器人末端執行的位置和姿態[3]，學生在實訓過程中通過示教器編程操控機器人。但目前工業機器人教育處于剛剛起步階段，如果直接購買工業機器人設備，少則幾十萬，多則數百萬，這對高職院校是一個巨大的投入。采用虛擬仿真進行實訓教學，能省去購買設備的成本，而學生通過虛擬仿真實訓又可以模擬真實的現場環境，獲得工作崗位上操控機器人的真實技能。

2.2 教學需求

工業機器人的價格比較昂貴，由于成本的約束，學校不可能大規模采購機器人用于學生實操，因此只能分批讓學生動手鍛煉。動手時間的限制導致學生在課程結束后普遍感覺還未能夠掌握相關技能，加之部分學生學習理解力差，他們更難于達到實訓的要求，而虛擬仿真教學能夠事先在電腦上模擬現場情況的操作，即使課堂上未完成的任務，課后都可以完成，并且可以反復模擬和練習，并且在模擬的過程中，糾正學習過程中的錯誤。不僅如此，工業機器人的實訓操作需要嚴格遵守設備的安全操作規程，一旦違規操作就可能導致機器人與外圍設備發生碰撞，甚至對學生的人身安全造成傷害，比如，初學者往往忘記設置機器人運行速度，而使機器人全速運行。采用虛擬仿真軟件可在電腦上模擬實際工作站，機器人速度過快、路徑錯誤、奇異點等異常問題都可以在程序中及時修改，這樣就保證了教學的安全性。總之，通過虛擬仿真教學既保護了學生人身安全，又通過虛擬仿真教學增加了學生練習的機會，最后在真實的機器人上操作，學生能夠更加熟練完成相關的實訓任務，并且能夠提高操作的安全性。

2.3 大賽需求

中國高等教育學會每年都會發布全國普通高校學科競賽評估排名，它共篩選出19個競賽項目納入排行，其中職業院校技能大賽（高職）中的工業機器人技術應用賽項就是其中之一，好的排名對提升學校的影響力有著重要的作用。不僅如此，技能大賽還可以鍛煉學生的動手能力，增強實踐操作能力。相關技能大賽設備高昂，而虛擬仿真技術除了可以滿足實訓教學需求外，還可針對技能大賽不同應用的要求，創建虛擬工作站，既可以手動控制機器人也可以通過編程讓整個機器人控制系統自動運行，無須購買實際設備，提高了學生學習工業機器人技術和參加技能大賽的興趣。

3 虛擬仿真實訓教學模式

3.1 課程開發的原則

本院的教學模式采用小班制，每個班級人數不超過35人，因此把現有的計算機實驗室改造成了工業機器人虛擬仿真實訓室，該實訓室占地面積148 m2，共36臺計算機，每臺都安裝了機器人虛擬仿真軟件ABB RobotStudio6.07。本院在2017年就與企業合作共建工業機器人技術專業訂單班，采取“2+0.5+0.5”的現代學徒制模式，將學生在校期間的所學課程與企業共同探討，課程的教學內容與工業機器人的實際生產緊密聯系。虛擬仿真實訓課程共設置了8個項目，讓學生熟悉工業機器人的仿真過程，進而掌握實際工業機器人的實操技能，為后續實操等課程打下良好的基礎[4]。

3.2 教學過程設計

課前提前1 d在QQ平臺上發布實訓任務書，讓學生了解實訓知識、進入相關網站答疑解惑，提前熟悉實訓內容。為了檢驗學生的課前學習效果，設計了預習測評卷，并要求學生在上課前完成。教師翻閱學生提交的預習測評卷實時跟蹤學生預習動態。

課堂上，首先通過視頻介紹本次實訓課程的意義，了解實訓項目在生產中的實際案例，從而解決學生“學有何用？”的疑問，明確本實訓內容的重要性。教師講解實訓的任務目標以及任務內容，通過動畫展示工業機器人系統建模以及信號分配的過程，化抽象為直觀，加深學生對離線編程外圍設備的搭建印象，便于學生完成實訓操作。將學生分成若干個學習小組，進行故障排查的情境模擬，每組設置不同的故障，使學生全面深入了解離線編程實訓中的故障分析和檢測方法，提升綜合應用能力。在討論總結環節中，對實訓中遇到的問題進行總結討論。課程結束后將實訓過程中的常見典型故障做成微視頻，給出分析過程及解決方案，讓每個學生都能準確掌握故障的排查方法。

課后學生登錄相關教學平臺，觀看學習教師上傳的視頻，并完成課后作業。同時在課堂學習和課后作業中存在疑問的地方，也可在平臺上與學生和教師交流，在整個實訓過程中，采用多元化的考核評價方式。

3.3 課程開發的內容

3.3.1 基本仿真工作站

基本仿真工作站的構建如圖1所示，該工作站為最簡單的工作站，初學者往往用此工作站開始學習虛擬仿真技 術[5]，學生可以在工作站中導入IRB2600，也可以導入其他類型的機器人模型，但是要注意機器人的工作區域必須覆蓋作業范圍。該工作站實訓的內容有：加載工業機器人及系統，周邊模型的擺放，手動關節、手動線性和手動重定位操作機器人，創建工件坐標，創建機器人運動軌跡程序，MoveL和MoveJ的使用方法，模擬仿真機器人運動軌跡，錄制視頻，制作獨立播放的文件。

圖1 基本仿真工作站

3.3.2 焊接機器人仿真工作站

焊接加工要求焊工具備熟練的技能，但焊接工作的勞動環境一般較差。焊接機器人的出現不但可以減輕焊工的勞動強度，而且可以保證焊接的質量。據不完全統計，全世界的工業機器人大約有一半是進行焊接加工而成[6]，因此學生必須掌握焊接機器人的分類、特點、基本系統組成以及虛擬示教的基本方法。焊接機器人選擇的型號是IRB2600[7]，機器人和變位機相互配合完成焊接作業，該工作站實訓的內容具有基本仿真工作站的所有內容外，還增加了創建帶變位機的系統，矩形體的建模及擺放，MoveC指令的使用，變位機的激活與失效。

3.3.3 搬運機器人仿真工作站

搬運機器人可以減輕工人的勞動強度，提高生產效 率[8]。搬運機器人仿真工作站如圖2所示，創建一個圓柱體模擬真空式吸盤，搬運機器人把方形的工件從桌面的一端搬運到另一端。本實訓采用事件管理器的方法實現物料的搬運，該方法相對于Smart組件簡單一些。工作站實訓的內容具有基本仿真工作站的所有內容外，還增加了圓柱體的建模，創建工具坐標，創建標準I/O板及信號，事件管理器其信號關聯。

圖2 搬運機器人仿真工作站

3.3.4 碼垛機器人仿真工作站

碼垛機器人和搬運機器人類似，也是用來替代人工碼垛的設備。學生一定要先掌握好搬運機器人仿真的實訓內容，碼垛機器人仿真實訓才容易掌握。碼垛機器人仿真工作站，工件隨著輸送鏈一端向前運動，到達輸送鏈末端之后停止運動，然后碼垛機器人在末端拾取工件，最后放置在左側或者右側的托盤上，垛型可以為“3+2”的形式，托盤擺放2層，即10個工件，仿真結束。學生在實訓過程中也可以當一側托盤擺滿后，再擺放另外一側托盤，即完成20個工件的擺放，仿真結束。該工作站實訓的內容具有基本仿真工作站的所有內容外，還增加了組合體創建，設定工具本地原點，設定工具坐標系框架，Smart組件創建動態工具，Smart組件創建動態輸送鏈，工作站IO配置，工作站邏輯設定。

3.3.5 噴涂機器人仿真工作站

目前，機器人已經廣泛應用于噴涂領域[9]。它們編程的兩種方式：在線編程和離線編程。在線編程雖然操作簡單，但是難度大而且涂層的質量難以保證，尤其是一些復雜的工件。不僅如此，操作人員既要保證涂裝質量，同時也可以應對有害的噴霧操作環境，如高溫、噪聲、有毒氣體等。可以設計一個箱體的噴涂仿真工作站，采用IRB5400工業機器人，對箱體的內壁進行噴涂。該工作站新增的實訓內容有：箱體的三維設計，噴涂Smart組件創建及設置，噴涂工作站邏輯設計，噴涂編程及調試。

3.3.6 機床上下料仿真工作站

數控機床已經普及多年，如今很多企業將工業機器人與數控機床組合，從而節約人力成本，提高生產效率。可以設計實現一臺機器人完成四臺數控機床的上下料，由于單臺機器人工作范圍有限，配備行走軸，以擴大機器人的工作范 圍[10]。該工作站新增的實訓內容有機械裝置的創建，機床運動創建，程序創建，工藝節拍驗證。

3.3.7 輸送鏈跟蹤仿真工作站

輸送鏈跟蹤就是協調機器人與輸送鏈之間的協調關系，常常用于裝配、噴涂和焊接生產領域。機器人工具中心點TCP和輸送鏈上的產品同步化，輸送鏈上的產品只要在機器人的工作范圍，輸送鏈即使向后運行，變速運動都不會影響實際效果。這樣的話，按照生產計劃控制輸送鏈的速度，可以改變生產線的生產效率，從而達到柔性化生產的目的。該工作站新增的實訓內容有輸送鏈創建、創建連接、工具姿態的調整、插入邏輯指令。

3.3.8 物理特性初探

RobotStudio在6.05版本的時候就加入了物料特性，物理特性的仿真能夠使得模擬更加接近真實，比如袋裝碼垛的時候，夾爪松開，袋裝物料應該自由落下。由于物理特性中的編輯材料部分對于環境及材料的熟悉程度要求非常高，因此這部分內容僅要求學生了解即可。該部分的實訓內容有物體的四種行為、材料的編輯、碰撞幾何的使用、設置物體表面速度。

4 結束語

高職院校實訓室的建設質量直接影響著學生技能的高低，本文探討的ABB虛擬仿真實訓室的課程與當今生產實踐緊密聯系，2017年本院機械與電子工程學院完成了第一屆工業機器人技術專業學生的招生，為了適應人才培養的需求，隨即建立了“虛擬仿真實訓室”等相關實訓課程，使用效果很好。實踐證明，該實訓課程可行，實訓項目設置合理，深得學生和教師的好評，取得良好的教學和科研效果。

［1］工業機器人“大熱”人才培養如何跟上節奏［J］.現代制造技術與裝備，2017（7）：3.

［2］王浩.工業機器人技術的發展與應用綜述［J］.中國新技術新產品，2018（3）：109-110.

［3］鄧華健.機器人離線編程系統的開發及其應用［D］.廣州：廣東工業大學，2017.

［4］丁力.工業機器人復雜作業路徑編程研究［D］.南京：南京林業大學，2012.

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

［6］陳善本，呂娜.焊接智能化與智能化焊接機器人技術研究進展［J］.電焊機，2013，43（5）：28-36.

［7］李東威，徐祥.多機器人三維仿真與離線編程系統設計［J］.工業控制計算機，2014，27（3）：39-40.

［8］李淼，王艷秋.搬運機器人及其關鍵技術分析［J］.湖北農機化，2019（17）：129.

［9］喬新義，陳冬雪，張書健，等.噴涂機器人及其在工業中的應用［J］.現代涂料與涂裝，2016，19（8）：53-55.

［10］雙元教育.工業機器人工作站系統建模［M］.北京：高等教育出版社，2018.

G712

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.012

2095－6835（2021）01－0037－03

江西省高等學校教學改革研究重點課題“中國制造2025視域下工業機器人技術專業實訓課程體系的構建與實踐”（編號：JXJG-17-52-3）

陳磊（1988—），男，碩士，講師，工程師，主要從事機械電子、工業機器人技術研究。

〔編輯：嚴麗琴〕