大型鋼結構多機器人協同焊接控制虛擬仿真實驗設計

蘭 虎， 溫建明， 邵金均， 潘 睿， 鄂世舉

（浙江師范大學工學院，浙江金華 321004）

0 引 言

在制造強國、質量強國和數字中國的持續建設中，大飛機、高速列車、超級跨海大橋、全自動化碼頭等國家重大工程和大國重器不斷涌現，強力催生了以機器人技術為代表的數字化、智能化、綠色化制造蓬勃興起［1-5］。大型鋼結構多機器人協同焊接是制造業先進基礎工藝的重要組成部分，對傳統產業高端化、智能化、綠色化轉型發展起到重要支撐作用［6-8］。然而，由于構件尺寸大、質量重，焊接高危性和系統參數調控復雜，學生開展大型鋼結構多機器人焊接過程安全控制、協同運動控制和焊縫質量控制實驗受到相當大的現實條件制約，亟待突破。

通過積極實施“百博入企”“百企入校”等產教融合舉措，與港機行業國際龍頭企業上海振華重工深度合作，聯合設計研發大型鋼結構智能制造領域虛擬仿真實驗教學項目14個，構建虛實結合的智能制造工程專業實踐教學體系［9-10］。大型鋼結構多機器人協同焊接控制實驗作為其中的核心部分，選擇被譽為“國之重器”的大型港口機械箱梁鋼結構智能生產車間為學習場景，以典型箱體結構多機器人協同焊接運動控制、安全控制和質量控制等共性關鍵技術為教學目標，設計單機器人焊接、雙機器人協同焊接、大型起重機箱梁多機器人協同焊接3層遞進模塊，練習、考核兩種實驗模式和過程性、綜合性多元評價標準。實驗通過再現企業的生產流程、融入企業的創新要素，促進高校教學、行業應用與技術創新融合發展，實現工業機器人技術及應用傳統教學的時空延伸與模式創新。

1 教學目標設計

大型鋼結構多機器人協同焊接控制實驗覆蓋工業機器人技術及應用、智能制造工藝學、機電傳動控制等專業課程的相關原理、方法和技術，以大型港口機械箱梁鋼結構為實驗工程創新對象，聚焦多機器人協同焊接運動控制、安全控制和質量控制等共性關鍵技術，培養基礎理論扎實、綜合實踐能力強和多學科深度交叉融合的復合型、創新型新工科人才。實驗共計3學時、14個知識點（見表1）。

表1 大型鋼結構多機器人協同焊接控制實驗知識點

實驗旨在實現以下教學目標：

（1）產學協同，融合創新。突破大型鋼結構智能制造傳統教學資源和方式的限制，將多個知識點融入大型鋼結構多機器人協同焊接安全控制、運動控制和質量控制等環節，在三維虛擬情景中構建完整的知識體系。通過學習、訓練和考核，學生不僅能獲得扎實的相關理論知識（如主從控制原理、焊接質量評價要素等），更能對大型港口機械箱梁鋼結構多機器人協同焊接流程形成清晰全面的認知。

（2）任務驅動，能力本位。按照基礎認知、綜合提升和工程創新3層遞進任務模塊，通過開放共享的虛擬實驗模式，學生以第一視角身臨其境和交互體驗11個關鍵流程節點的仿真訓練，自主探究實驗過程中遇到的各種問題和暴露的知識短板，著力提高其工程意識、創新思維及綜合應用專業知識解決復雜工程問題的能力。

（3）服務產業，匠心智造。大型海洋工程起重機械在海洋開發、能源建設、重大工程、物流貿易等領域發揮著重要作用，是海洋強國戰略、一帶一路倡議等不可或缺的關鍵支撐裝備［11-12］。隨著制造強國戰略的深入推進，大型鋼結構離散制造數字化車間建設和智能制造升級迫在眉睫。實驗運用現代信息技術全面展示大型港口機械箱梁鋼結構多機器人協同焊接系統集成與聯調過程，培育大國工匠精神，提升高端裝備制造產業人才供需的契合度，助力國家制造強國戰略和區域數字經濟產業發展。

2 實驗流程構建

依托國家發改委“智能制造”產教融合實訓基地等高端平臺，圍繞大型高端海洋工程裝備及其關鍵部件智造，通過產學協同、校企合作機制，將國家工信部重大專項“大型海洋工程起重裝備智能制造新模式應用”的研究成果反哺教學，實驗設計單-雙-多機器人協同焊接3個大環節、11個小節點、19道工序（見圖1），

圖1 實驗進程

累計實驗步驟142步。

實驗前，學生登錄門戶網站查看實驗目的、實驗原理、實驗設備、實驗方法與步驟、實驗考核要求等基本描述信息，進行實驗認知測試。

實驗認知測試合格，學生方可進入實驗主體模塊，依次開展“單、雙、多機器人”3層遞進模塊的仿真訓練。其中，單機器人模塊為基礎，包括系統布局、通信布線、I/O分配、任務編程和工藝實驗5個流程節點，共計10道工序、67步交互式實驗操作，訓練和考察學生對單機器人焊接系統通信、運動控制、質量控制等基礎知識的掌握；雙機器人模塊是綜合提升，基于主從控制原理集成兩套機器人焊接系統，涵蓋主從機器人I/O分配、協同運動控制編程、協同焊接參數調控3個流程節點，共計6道工序、48步交互式實驗操作，主要訓練和考察學生對主/從雙機器人焊接協同運動控制、過程安全控制和工藝質量控制的系統思維能力；多機器人模塊屬于工程創新，融合單機器人橫角焊、雙機器人橫角焊和立角焊技術，構建大型起重機箱梁隔板與腹板內角焊縫多機器人協同立角焊、隔板與翼板內角焊縫多機器人協同橫角焊、腹板與翼板外角焊縫多機器人協同橫角焊3個流程節點，共計27步交互式實驗操作，重點訓練和考核面向不確定環境下學生解決大型鋼結構多機器人焊接協同運動控制、過程安全控制、產品質量控制等復雜工程問題的多學科知識交叉融合和遷移能力。

實驗設置練習與考核兩種模式。在練習模式下，上述模塊及其各個環節可以根據學習需要進行任意切換；但考核模式下，學生須嚴格依照3層遞進模塊的11個交互性關鍵流程節點順序進行。同時，為提高整個實驗過程的交互性和易用性，系統提供豐富的導引信息，如當前進度、系統框架、操作提示、知識點撥等，為學生創造體驗“知其然知其所以然”的學習情景。

實驗結束后，系統將根據實驗過程的操作準確率、用時長短和實驗習題的作答情況自動給出實驗成績。此外，系統還能夠生成“知識短板”，推送“個性化”學習資源，幫助學生鞏固薄弱環節，充分體現“以學生為中心”持續改進理念。

3 實驗平臺開發

大型鋼結構多機器人協同焊接控制虛擬仿真實驗系統采用瀏覽器/服務器（B/S）架構，如圖2所示。大型港口機械箱梁鋼結構智能生產車間三維模型、網頁腳本運行在資源服務器上，客戶端通過瀏覽器訪問資源服務器網址便可以開展單-雙-多機器人協同焊接實驗。實驗采用模塊化設計，便于系統功能的進一步擴展。

圖2 虛擬仿真實驗平臺架構

為解決智能生產車間三維模型在性能和資源有限的Web端上快速瀏覽的問題，需要利用三維建模工具對原始模型進行輕量化處理，獲得通過WebGL瀏覽的輕量化模型［13-15］。具體的做法是，使用Maya進行車間和設備建模，將渲染后的模型導出為fbx格式文件，導入Unity3D中；Unity3D模型通過C#腳本驅動，實現交互功能和動態特性；將模型發布為WebGL，網頁端JavaScript與Echarts控件配置能夠便捷地實現通信，完成數據在網頁端的動態展示及通過網頁端Button操作模型等功能。虛擬仿真實驗系統開發流程如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實驗系統開發流程

4 實驗核心要素仿真度

秉承“能實不虛、仿真真仿”原則，聚焦大型鋼結構多機器人協同焊接安全控制、運動控制和質量控制等共性關鍵技術，實驗高仿設計利于學生全流程參與的機器人焊接系統空間布局、通信布線、任務編程、工藝調控和質量分析等精美界面。

（1）實驗場景高仿真。大型港口機械箱梁鋼結構智能生產車間。實驗模擬的是船舶與海洋工程裝備領域的國際龍頭企業上海振華重工大型港口機械箱梁鋼結構智能生產車間。通過高度真仿車間布局、工位設備、制造流程等大型鋼箱梁結構智能車間要素（見圖4），配置設備定位、場景漫游、自由視角等輔助功能，創建學生身臨其境的沉浸感，增強學生的工程意識。

圖4 高仿真的大型港口機械箱梁鋼結構智能生產車間

（2）實驗設備高仿真。物理接口和工藝動作。除按1∶1比例完成焊接機器人系統設備建模外，實驗非常注重設備建模的顆粒度，高清展現焊接機器人子系統內部及子系統間的設備端口（見圖5），模擬強電（電源）、弱電（信號）、氣路、水路等線路連接；同時，為訓練多機器人協同運動控制關鍵技術，高仿真單機器人、雙機器人協同運動、機器人附加外部軸聯動等精細工藝動作過程，讓學生真切領悟機器人柔性裝備的運動控制精髓。

圖5 焊接機器人本體物理接口

（3）信號分配高仿真。PLC軟元件配置和機器人控制器I/O開源。實驗系統全流程再現機器人電氣控制系統集成過程，實現集中控制系統（PLC）軟元件配置和機器人控制器通用數字I/O信號分配的開源性，即學生通過識讀電氣控制原理圖自主進行虛擬接線，隨后系統將根據接線情況更新信號資源配置（見圖6），讓學生身臨其境感悟復雜系統過程控制的嚴密邏輯性，提高學生的工程安全意識。

圖6 控制器通用數字I/O信號動態配置

（4）軟件指令高仿真。PLC梯形圖編程和機器人任務編程。圍繞多機器人協同焊接過程安全控制和運動控制教學目標，實驗模擬三菱PLC梯形圖編程語言和發那科機器人編程語言（見圖7），程序結構、語句指令等完全與物理實體相同，便于學生能夠以虛補實、以虛代實訓練，借助軟件無限試錯的強大優點，強化學生的實踐動手能力。

圖7 集中控制器梯形圖編程

（5）焊接效果高仿真。焊接效果包括焊接過程和接頭質量。單-雙-多機器人協同焊接質量控制實驗模塊通過虛實結合方式模擬焊接過程弧光、煙塵、電弧聲、焊接飛濺等物理現象，同時回播焊接現場錄屏，便于學生觀察焊接過程穩定性；焊接結束后，全面展示焊縫表面成形、接頭宏觀、焊接熔深等焊接質量評價要素，便于學生定性和定量分析關鍵工藝參數對焊接質量的內在影響規律，如圖8所示。

圖8 雙機器人協同焊接實際效果

5 實驗教學方法與評價

按照基礎認知、綜合提升和工程創新3層遞進模塊，逐步深入開展理論教學和實驗操作培訓，采用的主要教學方法有案例教學法、任務驅動法和問題探究法。

（1）案例教學法。大型鋼結構多機器人協同焊接控制實驗屬于綜合性設計實驗，涉及材料、機械、機電、自動化、計算機等學科交叉融合，其多機器人協同焊接安全控制、運動控制和質量控制等技術方案不盡相同。為此，實驗選擇被譽為“國之重器”的大型起重機箱梁數字化車間為學習場景，以岸邊集裝箱起重機鋼制聯系橫梁箱體結構制造為實驗對象，設計單機器人焊接、雙機器人協同焊接、大型起重機箱梁多機器人協同焊接3層遞進模塊，遵循學生認識規律和教育教學規律，構建學生高密度交互的實驗教學內容，重點訓練面向不確定環境下學生解決大型鋼結構多機器人焊接協同運動控制、過程安全控制、產品質量控制等復雜工程問題的多學科知識交叉融合和遷移能力。

（2）任務驅動法。實驗設計了單機器人焊接、雙機器人協同焊接和大型鋼箱梁多機器人協同焊接制造“3步走”高階任務，導引學生實施“課前牛刀小試、課中鋒芒初露、課后鋒不可當”進階計劃。實驗前，通過項目簡介視頻、導引視頻及實驗簡介等模塊系統介紹實驗設計思路、任務知識分布、評價指標設置、實驗注意事項等，導引學生明確實驗任務要求，采用自主學習方式，完成課前牛刀小試——單機器人焊接，達到預習實驗的目的；實驗中，通過實驗進度、系統框架、知識點撥和操作提示等網頁交互形式，導引學生注重實驗細節，提高實驗規范性，完成課中鋒芒初露——雙機器人協同焊接和大型鋼箱梁多機器人協同焊接制造，達到訓練雙（多）機器人協同焊接系統集成及工藝聯調目的；實驗后，系統將自動統計學生實驗過程的操作準確率和用時長短，生成“知識短板”，推送“個性化”學習資源，幫助學生鞏固薄弱環節，完成課后鋒不可當——實驗習題和心得體會，構建以學生為中心的實踐教學多元評價體系。

（3）問題探究法。大型鋼結構多機器人協同焊接關鍵技術涉及過程安全控制、協同運動控制和焊接質量控制等，如何基于主從控制原理實現多機器人協同運動安全控制，需要電氣互鎖、信號互鎖和位置互鎖等綜合舉措，實驗通過PLC程序和機器人任務程序關鍵語句指令選填方式，導引學生由“被動接受者”轉向“主動求學者”，突破教師“一言堂”、學生“同步調”的教學局限，實現以“教”為中心向以“學”為中心的理念轉變。針對大型起重機鋼制箱梁的焊縫質量控制問題，實驗設計核心工藝參數對多機器人協同焊接過程穩定性、焊縫表面成形、焊接接頭宏觀等接頭質量評定影響的實驗環節，讓學生通過觀察比較定性和數據定量分析判定產品質量控制的關鍵因素，提高學生解決實際復雜工程問題的能力，達到知行統一。

（4）實驗教學評價。依據實驗所屬課程目標及大綱要求，制定了涵蓋實驗3層遞進任務模塊、11個交互性關鍵流程節點和實驗習題的“多元評價”標準（見表2）。

表2 實驗教學效果評價細則

6 結 語

通過優質資源建設共享，大型鋼結構多機器人協同焊接控制虛擬仿真實驗有助于提升高端裝備制造產業人才供需的契合度，助力國家制造強國戰略和區域數字經濟產業發展。

（1）以虛補實，補齊大型鋼結構智能制造實驗不可及的短板。由于構件尺寸大、結構質量重、工序繁多復雜、周期用時長等問題，大型鋼結構多機器人協同焊接控制實驗無法在高校實驗室有效開展，僅靠傳統課堂理論講授形式，難以深刻觸及學生的工程意識和有效啟迪學生對大型鋼結構智能制造過程控制的認知。實驗秉承“虛擬不虛、仿真真仿”原則，有效克服了現實實驗條件不可及的瓶頸。

（2）以虛代實，克服大型鋼結構雙機器人協同焊接的高危性和參數調控復雜度。無論大型鋼結構件，還是多機器人協同裝備，乃至電弧焊工藝，均涉及電、氣、水等多介質連接，且實驗過程產生煙塵、弧光、廢氣、殘渣、飛濺、電磁輻射等污染，學生易發生灼眼、觸電、燙傷、劃傷等事故。此外，焊接機器人系統關鍵工藝參數眾多且相互關聯、非線性，如焊接電流、焊接速度、雙弧間距等，真實實驗難以揭示工藝參數對焊接質量的影響。通過軟件仿真試錯，可以實現系統參數調控、焊接等環節的開源性，利于學生自主探究實驗過程中遇到的各種現象，提高學生實踐動手能力和解決復雜工程問題的能力。

（3）線上推送，突破教師“一言堂”、學生“同步調”的教學局限。大型鋼結構多機器人協同焊接控制實驗涉及材料、設備、工藝、控制等方面，屬于多學科交叉綜合性設計實驗，對學生的知識儲備和技能要求提出嚴峻挑戰。借助網頁交互、知識短板和個性化學習資源推送等渠道，有針對性地向學生精準推送線上、線下學習資源（含實驗流程輔導），打破傳統實驗教學以教師為中心、以課本為中心、以課堂為中心“三中心”范式，實現以“教”為中心向以“學”為中心的轉變，助力泛在學習時代下學生“學、思、踐、悟”一體化發展。