工業機器人應用虛擬仿真實驗開發探索與實踐

陳永平,徐麗紅

(上海電子信息職業技術學院 機械與能源工程學院，上海 201411)

0 引言

隨著工業機器人的廣泛使用，工業機器人技術已經成為最受關注的高技術之一[1]。推進工業機器人的應用和發展，對提高產品質量和勞動生產率，帶動相關學科發展和技術創新，促進產業結構調整、發展方式轉變和工業轉型升級具有重要意義[2]。近年來，國內高職院校紛紛設立工業機器人技術專業，2018年開設工業機器人技術專業的高職學校超過400家，但是由于工業機器人實訓系統昂貴，實訓設備維護成本高[3-4]，造成部分院校的實訓條件還滿足不了相關技術技能人才培養的需求。

受到實訓場地和設備數量的制約，實訓只能分批次進行，限制了學生實際動手操作的機會，利用虛擬仿真進行模擬實訓成為解決實訓條件不足的可行方案。由此，各職業院校一方面在積極開發適用于專業人才培養的實訓設備[5-9]，同時也加強了對仿真虛擬實訓能力的建設。遼寧裝備制造職業技術學院的呂明珠[10]設計了基于Robotmaster的虛擬仿真實驗平臺，開發了多種典型實驗項目以整合零散的實驗內容。廣東松山職業技術學院的魏志麗[11]建立了基于ABB工業機器人的虛擬實驗實訓室，從硬件、軟件、項目開發和應用效果等方面對虛擬實訓室進行了闡述。無錫商業職業技術學院的李海波等人[12]構建了基于PLC和HMI的機械手碼垛仿真系統。

a 真實設備

本研究在上海市高等職業教育創新發展行動計劃(2015-2018年)工業機器人骨干專業建設項目研究基礎上，提出了工業機器人應用虛擬仿真實驗開發的思路。根據工業機器人應用教學內容，開發了典型應用、行業應用和系統集成3個虛擬仿真實驗模塊，并將3個模塊集成到工業機器人虛擬車間中，構成虛擬仿真實驗平臺，學習者可根據自身需求選擇相應模塊進行學習。

1 工業機器人應用虛擬仿真實驗開發思路

工業機器人應用虛擬仿真平臺開發的目的是為了讓學生了解和學習工業機器人的各類應用及集成技術，通過平臺可以完成一個個完整的機器人應用項目，達到工程實踐能力和工程素養培養的目的。

工業機器人應用虛擬仿真平臺的開發遵循以下原則。

(1)虛實結合，仿真訓練可直接應用于實際

開發的平臺基于真實的實訓環境，基于仿真平臺上進行的實驗項目，可應用于實際。通過建立實際工作站的立體模型，在仿真工業機器人工作站所進行的設計和驗證，所編寫的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，進行微調便能夠完成實際的工作任務。實訓設備如圖1所示。

圖1(a)為實訓室中工業機器人設備，圖1(b)是1∶1的三維仿真模型，利用圖1(b)所訓練的所有成果都可以直接在真實設備上面進行驗證。

a 電氣線路仿真

(2)實驗內容與行業結合，貼近企業真實應用

高職院校所培養的人才是為地方區域經濟服務的，因此緊跟產業的需求，需要引入企業，校企合作共同開發實驗實訓平臺，這樣所開發的實訓平臺才能夠貼近企業的真實需求[8]。

(3)實驗內容進行分層，學生可根據實際情況選擇內容

在實驗項目開發過程中，對企業中工業機器人崗位進行了調研，主要崗位包括工業機器人操作、編程、設備安裝調試、控制系統方案的設計和系統的集成等[13]，對這些崗位技能要求進行梳理，按照技能要求對仿真實驗內容進行分層，如表1所示。

表1 內容分層表

(4)實驗資源集職業培訓功能于一體

職業培訓是職業教育的一個重要功能，高職院校要能夠利用已有資源開展社會職業培訓，因此仿真實驗平臺應該具有培訓的職能，能夠引入互聯網手段將資源開放，對在校學生、企業員工及社會人員開展線上線下的培訓。

2 工業機器人應用虛擬仿真實驗開發

基于工業機器人應用虛擬仿真實驗開發思路，根據表1的分層內容，開發了3個仿真實驗模塊：典型應用模塊、行業應用模塊和系統集成模塊。典型應用模塊中可以完成工業機器人基本操作、基本編程及典型應用的仿真學習。行業應用模塊針對機器人應用的不同行業，對機器人的應用進行仿真的訓練，例如常見的涂膠、焊接和分揀，這一模塊可以通過與不同企業的深入合作，不斷地進行豐富與完善。系統集成模塊則是利用系統的觀念從總體上把握機器人的綜合應用以及與外圍設備的集成。

(1)典型應用模塊開發

搬運和碼垛是工業機器人最典型的應用，2017 年國內市場的搬運上下料機器人占比最高，達65%[14]。因此選擇搬運碼垛作為典型應用模塊進行仿真開發。

搬運工作站仿真環境如圖2所示。

圖2 搬運工作站仿真實驗

由機器人、傳送帶、待搬運物料和物料放置臺組成，機器人通過吸盤依次把傳送帶送來的物料拾取搬運到物料放置臺上。工作站中以對長方體物料搬運為例，利用ABB IRB460機器人搭載真空吸盤夾具實現物料的定點搬運。

碼垛工作站仿真環境如圖3所示。

圖3 碼垛工作站仿真實驗

機器人在搬運的基礎上，通過碼垛算法完成物料的有序放置，是對搬運工作站的強化訓練。

在搬運和碼垛兩個項目中已預先對傳送帶運動、吸盤吸附物料等動作效果進行了設置，學習者在此基礎上可以進行機器人I/O配置、程序數據創建、目標點示教、程序編寫及調試，最終完成整個工作站的功能要求。對于level 1和level 2的基礎操作和編程訓練可以借助這2個工作站來進行，無需另外開發基礎的模塊。

學習者在完成搬運碼垛的學習后，可以進入CNC機床上下料這一具體的針對性的應用學習，如圖4所示。

圖4 CNC機床上下料

通過該仿真項目不僅將前面所學基礎知識技能進一步進行強化，同時也將學習者引入到具體的應用場景中，更加貼近企業真實環境。在這一仿真環境中，學習者進行應用操作時，需要進一步考慮工廠大批量加工節拍的生產要求和效率的要求，也體現了職業教育的職業性。

(2)行業應用模塊開發

通過典型應用模塊的學習，學習者掌握了工業機器人基本的操作技能，后續將深入到具體的行業應用場景中進行學習。工業機器人幾乎在各個行業中都有應用，如果學校建設機器人行業應用實訓室，除了機器人外，還要配置各式各樣的外圍裝置，例如焊機、涂膠機和變位機等，投入大是一方面，另一方面還存在著安全等因素[15]，因此采用虛擬仿真技術開發真實環境下的仿真實驗就顯得尤為重要。在行業應用模塊開發時，充分考慮機器人行業應用的規模和機器人的類型，先期開發了關節型機器人汽車風擋玻璃涂膠、關節型機器人變位機弧焊焊接以及并聯機器人食品分揀3個應用。

汽車風擋玻璃工作站如圖5所示。

圖5 涂膠工作站仿真環境

包括了ABB IRB4600工業機器人、機器人控制柜及示教器、機器人底座、安全防護圍欄、涂膠夾具體以及涂膠設備，機器人搭載膠槍完成風擋玻璃的涂膠工作。通過該項目，可以學習涂膠工藝、涂膠指令以及涂膠任務的調試要點。

焊接工作站如圖6所示。

圖6 焊接工作站仿真環境

包括了機器人、焊槍、焊機和變位機等設備，機器人搭載焊槍完成焊接工作。通過該項目，可學習焊接指令、焊機的設置、焊接信號和焊接工業等知識技能。

分揀工作站如圖7所示。

圖7 分揀工作仿真環境

包含了ABB IRB360并聯機器人、傳送帶等。機器人從產品輸送鏈上動態拾取產品，并按照順序將產品擺放至產品盒輸送鏈上的產品盒中，然后由傳送帶傳送至下一工位進行包裝。并聯機器人作為另一種類型機器人，是對在關節型機器人學習項目的一次拓展，是對機器人知識技能的有益的必要的補充。

該模塊，在后期可以通過校企合作不斷進行開發，針對企業的應用不斷增加新的行業應用，進行完善更新。在校學生可以根據教學有選擇的進行該模塊的學習，可作為必修模塊也可作為選修模塊。企業員工、社會人員可以根據自身的工作崗位、自身需求有針對性地進行選擇。

(3)系統集成模塊開發

工業機器人的應用除了工業機器人外，還涉及到很多的外圍設備，需要對外圍設備進行整合，在PLC等控制單元的控制下進行協調工作，因此電氣線路設計、PLC程序設計、網絡通信和外圍設備的調試是不可缺少的工作。在系統集成模塊開發中，就是將機器人與外圍設備進行集成，使機器人能與外圍設備協調統一的工作。

本模塊開發了一套工業機器人系統平臺和仿真系統，如圖8所示。

圖8 工業機器人工作站

總體分為機器人工作站和電氣控制單元兩個部分。

機器人工作站是一個六邊形的工作臺，在其上面安裝有ABB120機器人1臺及外圍功能模塊，電氣控制單元包含西門子S7-1200PLC、三菱FX3U系列PLC及CC-Link通信模塊各一個，以及觸摸屏、空氣開關、控制按鈕、指示燈等。該電氣控制單元可單獨使用也可通過現場總線與機器人通信，控制機器人完成系統功能。

開發的仿真環境中，可以進行電氣線路的連接、PLC程序的編寫調試、機器人程序的編寫，如圖9所示。

完成仿真操作后，可以實現功能的仿真驗證，學習者將程序導出后下載到實際機器中，微調后可以直接運行。

3 工業機器人應用虛擬仿真實驗整合

仿真實驗環境建設完成后，對3個模塊的資源進行了整合，學校聯合企業對資源進行了基于客戶端/服務器的集成開發，學習者可以通過客戶端訪問服務器，進入工業機器人虛擬車間，選擇不同的內容進行學習、訓練，如圖10所示。

圖10 虛擬工業機器人車間

4 總結

工業機器人應用虛擬仿真實驗基于企業真實生產環境開發，集實踐教學、社會培訓于一體，學習內容根據應用層次進行了分層，學習者可根據學習需求進行選擇。通過虛擬仿真實驗，學習者能夠了解工業機器人行業應用整個工藝過程，熟悉工業機器人不同行業的應用需求，在此基礎上能夠快速的操作工業機器人等機械設備。在后續開發中，可以增加在線直播模塊，提供在線學習與考核。