基于NX MCD的工業機器人應用編程“1+X”證書實踐訓練的研究

摘" 要：隨著數字化工業技術的發展及OPC UA廣泛應用于工業場景之中，西門子NX MCD機電設備仿真軟件可有效仿真工業機器人應用編程“1+X”職業技能等級證書考核設備，實現技能訓練的虛擬化，有效解決現有工業機器人應用編程“1+X”職業技能等級證書推廣面臨的價格昂貴、安全事故頻發、設備故障率高、使用效率低等諸多問題。利用NX MCD機電設備仿真可模擬大多數光機電液綜合實訓設備，未來將成為智能制造相關專業實作訓練的主要手段，學生通過該技術可以全面掌握機電、電氣自動化、工業機器人等諸多學科知識和技能，有助于智造時代下新型多元化人才的培養。

關鍵詞：工業機器人;1+X;NX MCD;虛擬仿真;虛擬調試

中圖分類號：TP242.2" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0045-03

Abstract： With the development of digital industrial technology and the wide application of OPC UA in industrial scenes， Siemens NX MCD electromechanical equipment simulation software can effectively simulate the industrial robot application programming \"1+X\" certification for vocational skill levels， and realize the virtualization of skill training; besides， this software can effectively solve many problems facing the existing industrial robot application programming \"1+X\" certification， such as high price， frequent safety accidents， high equipment failure rate， low use efficiency and so on. Using NX MCD electromechanical equipment simulation can simulate most opto-mechanical electro-hydraulic comprehensive training equipment， which will become the main means of practical training for related majors in intelligent manufacturing in the future. Through this technology， students can fully master the knowledge and skills of many disciplines， such as mechatronics， electrical automation， industrial robots and so on， which is helpful to the cultivation of new and diversified talents in the era of intelligence.

Keywords： industrial robot; 1+X; NX MCD; virtual simulation; virtual debugging

1 研究背景

在新一輪科技革命和產業變革的大背景下，數字化轉型將是我國產業升級的重要方向或目標。數字化轉型本身就是先易后難的推進過程，到目前為止，中國數字化轉型已經形成的新模式、新業態，主要還是在消費或者服務領域。尤其是經過疫情后，中國數字化轉型推進的重點必然由消費或服務領域轉向制造業領域。

習近平總書記高度重視數字經濟、新一代信息技術與職業教育的發展，多次做出重要指示。他在全國教育大會上指出，“不斷使教育同黨和國家事業發展要求相適應、同人民群眾期待相契合、同我國綜合國力和國際地位相匹配”。因此中國職業教育應該緊盯科技前沿，適應科學技術進步和生產方式變革，推動職業院校緊密對接新一代信息技術，加速向數字化、智能化轉型，為生產服務一線培養高端技術技能人才。

在我國，隨著制造產業的發展，工業機器人的增長速度非常迅速，到2019年我國機器人密度盡管高于全球平均水平，但與歐美等發達國家仍相距甚遠，我國的工業機器人密度有著巨大增長空間，這對工業機器人技術專業發展是很好的機遇。到2020年，我國高職院校中開設工業機器人技術專業的院校達到704所，在2019年教育部啟動的首批120個國家級職業教育教師教學創新團隊中， 涉及工業機器人編程、應用與維護領域的就有20個。如何使工業機器人技術相關專業培養出來的學生既能滿足企業對各類人才的迫切需求，保證學生畢業時能精準定位到企業的各個崗位，又能提供給學生更多的選擇權，滿足學生個性化發展需求，形成寬口徑、多元化、個性化發展體系，這將是我國高端裝備制造業向自動化、信息化、智能化方向轉型升級的重要一步，而工業機器人應用編程“1+X”職業技能等級證書試點是解決上述問題的核心關鍵。但該證書的試點推廣和開展存在著以下諸多瓶頸，如：（1）實踐教學成本高。工業機器人應用編程考證設備基本在40萬以上，在該證書的管理文件中要求校方申報培訓點的條件要求是10臺，考證點則需要20臺，意味著僅僅開展培訓工作，就需要籌集大量的資金，這對于多數院校都將是一個較大的壓力;對于一些財力充足的院校，即使有足夠的資金，也可能存在不足的設備放置空間，大量地購入各種硬件設備，即使有些設備被淘汰不能滿足現代教學的要求，但未到設備報廢年限，這類設備只能占用大量的場地空間，再無多余場地放置新設備。由于其資金成本和場地成本比較高，嚴重影響工業機器人應用編程“1+X”職業技能等級證書試點的開展。（2）設備有效利用率低。工業機器人應用編程考證設備知識點綜合全面，涉及工業機器人編程技術、傳感器技術、氣動液壓技術、PLC編程技術、人機界面技術、網絡通信技術等等，對設備使用者的要求很高，在學生學員未能完全掌握上述技能的時候，使用設備進行訓練，不可避免地將導致機器人和其它執行機構發生碰撞而造成損壞，而機器人和設備的維修維護對技術人員的要求很高，供應廠商未必能及時響應維護，這就導致部分設備長期處于維保狀態，無法有效投入急迫的教學訓練任務中。（3）存在安全隱患。在開展工業機器人編程訓練的過程中，由于學生學員的水平差異比較大，常常會出現將工業機器人的設置速度較快，而程序卻不滿足控制工藝或學生操作不規范的現象，難以避免地發生教學安全事故，對師生及設備造成傷害。

2 研究意義

數字孿生技術促進了物理層數據和信息層數據的相互融合，是解決現代傳統行業問題的有效方法，可為制造產業的升級轉型提供新的工具。自概念提出以來，數字孿生技術在不斷快速演化，無論是對產品的設計、制造還是服務，都產生了巨大的推動作用。無論是德國工業4.0還是中國制造2025，其發展路徑都是數字化制造、網絡化制造和智能化制造，其中數字化和網絡化是實現和推進智能化的兩個“輪子”，因此，數字化制造是智能制造的基礎，沒有數字化制造的基礎，智能化就是空中樓閣。數字孿生核心應用技術，其關鍵在于建模、仿真和調試。時至今日，數字孿生仿真和調試技術已經成為邁向智能制造的新興技術和主流技術，在我國制造業由自動化向智能化的轉型中，具有極其重要的戰略意義。

利用西門子NX MCD機電概念設計數字化孿生技術，對工業機器人應用編程“1+X”職業技能等級證書進行實操考證設備數字孿生體建模，依據“1+X”考核標準，開發基于虛擬仿真和調試的實訓項目，達到快速培養工業機器人應用編程高級人才的目的。將數字孿生技術和工業機器人應用編程“1+X”職業技能等級證書進行實操考證相結合，實現工業機器人應用編程“1+X”考證的虛擬仿真和訓練，既滿足我國智能制造發展戰略，助推廣東省制造企業轉型，促進珠三角集成產業群升級，又將促進數字孿生應用技術人才的培養，高度融通多學科技術，有效推動實施課證融合，全面提升學生綜合技術能力，符合企業數字化轉型升級的人才需求，這將對職業院校智能制“1+X”相關的其他職業技能等級證書實踐訓練的開展提供較大的借鑒經驗，其模式的推廣對制造裝備大類的人才培養具有重要意義。

3 研究內容

針對“1+X”工業機器人應用編程設備的應用現狀，開展數字孿生體設計開發，利用數字孿生技術帶來的調試便利性、安全性、高效性的優勢，采用虛擬調試、仿真調試的技術原理特點，進行技術創新，優化控制方案，利用西門子DES數字化仿真套件NX MCD（機電一體化概念設計軟件）、SIMIT（自動化項目仿真與設計軟件）、TIA（PLC 編程軟件）、PLCsim Advanced（PLC高級仿真軟件）完成“1+X”工業機器人應用編程設備的數字孿生體機械模型的設計、電氣原理圖設計、氣動回路圖設計、PLC程序設計、ABB機器人程序設計，研究和設計具有裝配容易、柔性化優、精度高、安全可靠等優點的數字孿生體訓練平臺。并測試“1+X”工業機器人應用編程設備孿生體并總結其特點，開展工業機器人應用編程虛擬仿真與調試項目開發，并編制實訓教材，將此解決方案應用至其他各類技能證書訓練平臺的實踐教學中，服務職業教育、促進國家職業教育改革。

在實際落實NX MCD的工業機器人應用編程“1+X”證書實訓設備開發實踐過程中，需要具體研究以下幾個內容：（1）研究“1+X”工業機器人應用編程設備的工藝。針對“1+X”工業機器人應用編程訓練設備的工藝流程和國家工業機器人應用編程證書考核要求進行深入研究，設計裝配工藝機械模型、機器人運行軌跡、工作范圍，讓設備的功能滿足“1+X”工業機器人應用編程訓練的要求，將設備的價值最大化。（2）研究“1+X”工業機器人應用編程設備孿生體數據鏈路的可行性和可靠性。將“1+X”工業機器人應用編程設備進行設備零件設計的數字化、設備裝配的數字化、設備物理屬性的數字化、設備電氣配置的數字化、設備的程序調試數字化，其目的是結合西門子智能制造先進的數字孿生技術，采用PLCsim Advanced模擬西門子S7-1511 PLC，通過Share Memory共享內存的方式，完成PLC程序和SIMIT的連接，NX MCD項目和SIMIT的連接，ABB機器人仿真軟件RobotStudio通過SIMIT與NX MCD的通信連接，打通PLC仿真、SIMIT驅動及IO仿真、ABB機器人編程仿真、NX MCD數字孿生體場景仿真調試的數據鏈路。（3）研究PLC程序和機器人程序虛擬調試的調試機制。數字孿生體在PLC控制伺服和變頻器的應用中往往需要對其ProfitNet通信報文、103報文、105報文等做以解析報文的深入研究。以SIMIT為數據中轉站，PLC與ABB機器人的數據交互、PLC與NX MCD的數據交互、NX MCD與RobotStudio的數據交互等做以通信的深入研究，完成PLCsim Advanced、SIMIT、RobotStudio、NX MCD 四者的數據連接后，測試程序掃描周期、通信延時對MCD數字孿生體行為的影響，優化程序結構，以及孿生體的物理特性設置，盡可能減少碰撞體、摩擦、阻尼的物件的剛體設定。（4）根據“1+X”工業機器人應用編程職業技能等級的學習進程，研究并開發符合職業教育規律的階梯級“1+X”工業機器人應用編程設備孿生體的仿真實訓項目及編制實訓項目操作手冊。

4 研究的關鍵問題

基于NX MCD的工業機器人應用編程“1+X”證書實踐訓練項目的開發具有一定難度，應根據工業機器人應用編程職業技能等級考核標準，著重解決以下關鍵問題：（1）根據工業機器人應用編程職業技能等級考核標準總結核心技術點，并根據硬件設備設計制作一致的機械模型。（2）規劃數據流向問題，搭建數據流路徑，讓現場層設備的數據能在以太網絡上進行安全地傳送，讓現場設備與虛擬場景同步運行。（3）設計電氣控制原理圖，完成主電路、控制電路的繪制，并進行機電的聯合調試。（4）著重研究PLCsim Advanced、SIMIT、RobotStudio、NX MCD四者的數據互通，以及軟件編程及實現，完成“1+X”工業機器人應用編程的考核訓練實訓等，現場設備能與虛擬場景數據無縫對接，實現數字化虛擬仿真虛擬調試。

5 研究的創新性

（1）針對“1+X”工業機器人應用編程證書，進行考核訓練系統的深入研究，設計“1+X”工業機器人應用編程訓練平臺機械模型，進行系統安全測試評估，完善職業技能考證訓練課程。（2）采用先進的西門子數字孿生技術。數字孿生體的執行元件是數字孿生體的靈魂，各個電機、氣缸等執行元件必須與真實設備保持高度一致，包括氣缸的運行速度、到位信號、電機轉速、伺服運動位置等信號必須全部建立數字模型，提供與外界對接的接口。（3）打通軟件與軟件之間的通信，實現虛擬訓練。通過對TIA博途編程軟件、SIMIT自動化項目仿真設計、RobotStudio機器人編程軟件對數字孿生體的變量鏈接，進行相關控制工藝程序的設計，實現對PLC和機器人的程序設計，該程序在消除安裝誤差后可直接用于實體設備的控制。（4）研究“1+X”工業機器人應用編程數字孿生體，將設備模型化虛擬化，人手一臺可編程“虛擬設備”，提升技能技術的經驗，減少耗材的產生及元器件的更換。在保證安全的基礎上，學生可以大膽嘗試不同的編程思路及探索更具綜合性的“1+X”工業機器人應用編程應用課程。（5）受新冠疫情影響，在有條件前提下盡量降低實訓人群密集度，通過數字孿生技術，將設備模型化虛擬化，在虛擬場景中實現對設備的編程控制，而將“1+X”工業機器人應用編程設備放在虛擬場景中，解決了在線教學模式中學生不能訓練技能技巧的問題，同時也驗證了在線上教學模式中，采用數字孿生技術的設備的可行性和可靠性。“1+X”工業機器人應用編程證書要求的相關技術控制，在該項目中也將打通各個軟硬件之間的通信壁壘，實現數據交互，同時也為工業云做鋪墊。

6 結束語

利用西門子NX MCD進行“1+X”工業機器人應用編程考核設備的導入，并進行物理特性的設置使其成為具有運動特征的數字孿生體，并通過TIA博途編輯軟件進行PLC和HMI程序編制，通過RobotStudio進行工業機器人應用編程， 完成PLCsim Advanced、SIMIT、RobotStudio、NX MCD 四者的數據鏈接，實現工業機器人和PLC程序驗證在技術層面對接的可行性。通過NX MCD虛擬仿真與調試技術，工業機器人應用編程“1+X”證書實踐訓練將更便于組織和開展，降低了在實訓過程中操作的危險性，延長了設備的使用壽命，將教師從繁冗的設備維護工作中解脫出來，以便更好地對學生進行有效指導，這是非常有意義、值得廣泛推廣的方案。

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