數(shù)字孿生技術(shù)在高職工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳良

(杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州，310023)

0 引言

數(shù)字孿生體（Digital Twin）作為影響工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是一項(xiàng)以模型信息流驅(qū)動全產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈協(xié)同的產(chǎn)品生命期管理工具，其核心在于數(shù)據(jù)收集、聚合、分析及提供決策性洞見（Insight）等功能，將會重構(gòu)未來人類的生存環(huán)境。隨著智能時(shí)代的到來，數(shù)字孿生體技術(shù)從一個(gè)純工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的概念，被逐漸應(yīng)用到了教育領(lǐng)域，并逐步成為了智能教育新生態(tài)系統(tǒng)的手段之一[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者逐步將數(shù)字孿生體技術(shù)運(yùn)用于柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)械臂等設(shè)備的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練[3-5]。

1 教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 Simpro軟件簡介

Simpro是一款KUKA機(jī)器人公司提供的智能仿真軟件，具有為智能制造系統(tǒng)布局構(gòu)思、設(shè)計(jì)動作、碰撞檢測、時(shí)間節(jié)拍計(jì)算、和機(jī)器人的離線編程五大功能。Simpro軟件使得利用數(shù)字孿生技術(shù)輔助KUKA工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)變得更加便捷高效。

1.2 數(shù)字孿生系統(tǒng)建模

1.2.1 幾何建模

數(shù)字孿生體建立與真實(shí)世界一致的幾何建模。以Simpro為例，其支持多種三維模型的導(dǎo)入。用戶可以通過專業(yè)建模軟件如SolidWorks，Nx，ProE根據(jù)真實(shí)世界物體尺寸建立三維立體幾何模型并導(dǎo)入。與大部分虛擬仿真軟件一樣，Simpro本身也支持簡單的幾何立體建模。

1.2.2 行為建模

數(shù)字孿生體建模不同于普通的三維立體建模，其代表的是真實(shí)世界物體的孿生體映射。因此，除了尺寸與真實(shí)物體一致外，還需要包括與真實(shí)產(chǎn)品一致的電氣控制特性、運(yùn)動特性。并在最后實(shí)現(xiàn)物理模型與數(shù)字模型的數(shù)據(jù)交互。在構(gòu)建數(shù)字孿生體模型時(shí)，還需要對幾何對象進(jìn)行行為的設(shè)置和構(gòu)建。

1.2.3 建立數(shù)字信號

要實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備的數(shù)字信號連接，需要將工業(yè)機(jī)器人的輸入輸出信號分別與外圍傳感設(shè)備的輸出及外設(shè)的驅(qū)動信號進(jìn)行連接。使數(shù)字孿生體能夠反映真實(shí)設(shè)備的電氣控制特性。

1.3 工業(yè)機(jī)器人本體

理論上工業(yè)機(jī)器人的建模完全可以由用戶自行構(gòu)建，對于職業(yè)院校所具備的工業(yè)機(jī)器人絕大多數(shù)為多關(guān)節(jié)型品牌機(jī)器人，如ABB、KUKA、FANUC等，均為標(biāo)準(zhǔn)化系列產(chǎn)品。在實(shí)踐過程中，一般工業(yè)機(jī)器人軟件均附帶豐富的庫文件，可以從中選擇所帶的工業(yè)機(jī)器人模型，極大地提高了建模的效率。

圖1 機(jī)器人本體數(shù)字孿生

1.4 示教編程器

工業(yè)機(jī)器人編程過程中，示教編程器是人機(jī)交互最常用的設(shè)備。構(gòu)建示教編程器的數(shù)字孿生模型，其難度在于數(shù)字模型需要真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際示教器的所有功能并在機(jī)器人上面能夠?qū)崿F(xiàn)。大部分專業(yè)工業(yè)機(jī)器人品牌商的虛擬仿真軟件均提供了示教器設(shè)備的數(shù)字孿生模型。KUKA工業(yè)機(jī)器人示教器的孿生模型是通過OFFICELITE軟件和虛擬機(jī)得以建立實(shí)現(xiàn)的。

1.5 智能制造系統(tǒng)

受限于設(shè)備和場地等因素，高職院校開展的工業(yè)機(jī)器實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目形式較為單一并且與工廠實(shí)際運(yùn)作的項(xiàng)目具有一定差距。以機(jī)器人為核心單元的智能制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式靈活多變，其表現(xiàn)形式因不同的使用功能而不同。常見的搬運(yùn)碼垛為代表的系統(tǒng)均包括了輸送帶系統(tǒng)、夾持器等附加設(shè)備。利用數(shù)字孿生技術(shù)，為在職業(yè)學(xué)院課堂引入部分企業(yè)實(shí)際運(yùn)作的智能制造項(xiàng)目成為了可能。

圖2 示教器數(shù)字孿生

2 教學(xué)案例與分析

2.1 教學(xué)實(shí)施案例

以Kuka工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)對點(diǎn)和直線命令編程操作實(shí)訓(xùn)為例，在教學(xué)實(shí)施過程中以理-虛-實(shí)結(jié)合的方式進(jìn)行：首先向班級講授PTP和LIN命令的基本要素和相關(guān)理論知識，然后每位學(xué)生在Simpro當(dāng)中進(jìn)行虛擬操作并得到工業(yè)機(jī)器人的虛擬演示結(jié)果，最后分小組在機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備上進(jìn)行操作實(shí)訓(xùn)。

圖3 搬運(yùn)碼垛智能制造孿生單元

2.2 教學(xué)分析

在該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過理虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)方式對比原先采用的先統(tǒng)一講解后分組實(shí)訓(xùn)的教學(xué)方式具有如下優(yōu)勢：（1）學(xué)生參與度高。在數(shù)字孿生體上進(jìn)行虛擬訓(xùn)練環(huán)節(jié)，學(xué)生100%參與并且得到與真實(shí)設(shè)備一樣的結(jié)果反饋；（2）學(xué)生掌握的效果更好。因?yàn)閷?shí)訓(xùn)設(shè)備場地和數(shù)量原因，無法做到人手一臺實(shí)訓(xùn)設(shè)備。在分組實(shí)訓(xùn)前100%得到與真實(shí)設(shè)備一樣的虛擬實(shí)訓(xùn)，更有助于學(xué)生掌握實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。

3 結(jié)束語

本文提出了一種將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于高職工業(yè)機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)教學(xué)的方法。以Kuka工業(yè)機(jī)器人為例，給出了建立工業(yè)機(jī)器人數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的基本方法。最后以實(shí)際教學(xué)案例為對象展開了分析。實(shí)踐結(jié)果表明：運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)可以有效地提高工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率，改善教學(xué)效果。