基于虛擬仿真技術的1+X證書考核內容設計思路研究
——以工業機器人應用編程技能等級證書為例

盧 帆

（西安鐵路職業技術學院,陜西 西安 710026）

隨著2019年初國務院頒發《國家職業教育改革實施方案》后，職業院校開始對1+X證書職業技能等級考核模式進行研究與探索，并應用于實際教學。1+X證書考核制度的施行，用到大量新的考核設備，而工業機器人作為職業教育研究的重點方向，包含《工業機器人操作與編程職業技能等級證書》《工業機器人裝調職業技能等級證書》和《工業機器人應用編程職業技能等級證書》等職業技能證書。這四個等級證書的考核，必須搭配使用工業機器人工作站展開考核工作。對高校而言，需要加大設備投入，尤其是工業機器人技術方面，增加了院校辦學經費的壓力。為此，在明確職業技能等級證書考核要求，將工業機器人應用與編程作為核心的基礎上，可以通過開設虛擬仿真課程，讓學生感受X證書考試考核過程，然后結合1+X證書制度與工業機器人專業教學，實現對具體考核內容的設計，從而可以減輕院校教學經費壓力。

1 工業機器人職業技能等級證書考核要求

工業機器人編程職業技能的考核等級分為初級、中級和高級。初級職業技能要求：第一，在操作中嚴格遵守相關工業機器人安全操作規范；第二，根據相關操作技術文件中的要求開展工業機器人的安裝調試工作；第三，以機器人本體維護手冊為依據開展保養和維護工作；第四，要求工業機器人在運行中能夠具備基本程序操作能力。中級職業技能要求：第一，遵守工業機器人安全操作規范；第二，結合技術文件內容安裝、調試及標定工業機器人；第三，設定機器人操作基本參數，并落實示教編程和操作；第四，加強對機器人本體維護操作力度，對常見故障進行處理。高級職業技能要求：第一，以相關工業機器人安全操作規范為標準展開操作；第二，開展對機器人操作過程安裝、調試及標定；第三，提高對復雜工業機器人程序的關注，落實工程操作、編程和調整工作；第四，對工業機器人進行預防性維護，并對存在的故障和異常進行處理。

工業機器人編程職業技能等級的考核，應從工業機器人操作方面入手，從初期安裝、調試開始，通過對機器人現場編程方法進行研究，發現需要重點思考X證書中級要求，關注工業機器人編程方式，并基于計算機設備，采用虛擬仿真技術，進行機器人仿真編程[1]。

2 工業機器人實訓教學現狀分析

我國的工業機器人實訓教學已經取得了一定成效，但也存在不足，具體表現在以下幾方面。一是我國2013年在工業機器人消費方面已經居于全球首位，2018年我國工業機器人安裝量達到15.4萬臺，在全球裝機量中占36%。二是分析2020年我國工業機器人實訓教學現狀，發現已有707所高職院校開設了工業機器人技術專業，并開始落實工業機器人實踐應用能力實訓教學。三是在進行工業機器人實訓教學中，教學內容主要圍繞實訓指導書、實訓任務書以及相關教學大綱展開。不足之處在于，在實際實訓教學期間，利用現有教學資料難以確保實訓項目設計與企業規范、職業技能標準對接，難以將企業新技術、新工藝、新標準融入實訓教學中，進而導致教學工作脫離于生產實際。另外，由于工業機器人技術實訓教學設計教學設備成本較高，且教學實訓占據較大面積，存在較高安全風險，多數高職院校工業機器人技術實訓教學條件難以達到相應教學標準，實訓場地出現設備品種單一、設備數量不足等問題，學生缺乏實踐操作機會。因此，在進行結構復雜、控制精度較高的工業機器人操作中難以滿足學生拆裝實訓需求，學生難以切實了解工作機器人工作原理。綜合來看，受工業機器人教育教學滯后的影響，我國在工業機器人操作維護、系統安裝調試以及系統集成等方面存在較大人才缺口。

3 基于虛擬仿真技術的1+X證書考核內容分析

3.1 1+X證書制度概述

隨著職業院校教學改革工作的開展，以及國家相關教育政策的變化，1+X證書制度得到了推廣和實施。1+X證書制度中，“1”為專業學歷教育證書，“X”為學歷教育之外職業技能水平證書。職業院校在校生在完成自身相關教育時，為保證自身就業能力以及行業競爭力，還需要通過學習，獲得更多的職業技能等級證書。同時，1+X證書也逐漸成了學校進行人才技能等級評價的標準之一，是對相關人員培訓學習結果的一種認可。在現代化職業院校教育工作中，行業普遍對X執業證書高度認可和重視，X證書作為學生本身學歷證書外的補充教育證明，不僅表明了學生經過了職業素養的強化和拓展學習，并且通過兩種證書的相互銜接與融合，有利于解決教學脫離實際、專業偏離職業方面的問題，可以緩解學校教育與社會需求脫節的矛盾，幫助學生快速適應社會，能夠推動開展高職教學的創新工作。推行1+X證書制度，能夠實現對高職學生職業技能和專業素養的培養[2]。

3.2 工業機器人應用編程職業技能等級標準

工業機器人職業技能等級標準指的是根據職業種類和工種進行劃分，分析與評價工種涉及到的知識和相關技能水平。目前，工業機器人領域及相關企業共同發布了應用工業機器人編程技能等級標準。需要掌握的職業能力包含以下方面：（1）遵守安全操作規范，科學合理設定工業機器人單元參數；（2）做好對工業機器人及其外圍常用設備控制工作；（3）嚴格按照相關工作要求，對工業機器人應用單元程序展開編程；（4）結合實際情況建立虛擬仿真工作站，并通過離線編程方式設計典型工業機器人單元；（5）要求技能人員能夠掌握工業機器人系統操作與工業機器人單元離線編程技能，落實自動化系統設計以及仿真和運維等工作[3]。

3.3 1+X證書考核內容設計思路

職業院校對1+X證書制度相關內容進行設計的過程中，需要結合當下科技發展趨勢，并與生產服務的一線崗位和就業市場需求相對接，以此彌補傳統考核內容設計中存在的不足，提升考核的針對性、先進性、適應性以及靈活性。同時，還應對高等職業考核內容編寫工作提出新的要求。首先，在考核內容設計上，應轉變傳統單一的考核方式，向多元化方向轉變。現階段在考核內容的設計上，多是學校、企業聯手，教師深入企業考察調研，而后進行考核內容設計，不僅可以準確總結和體現崗位的知識需求，而且能配合企業相關人員進行內容設計，共同開展考核工作，提高內容設計的合理性。其次，1+X證書考核內容設計中，應將立足點由“知識”轉變為“能力”，并結合X證書標準，著力于職業技能培養。將1+X證書中涉及的職業素養和基礎知識教育等方面內容融入教材中，對各種教學資源進行統籌。在掌握職業技能等級標準的前提下，將考核內容與專業教學內容標準相融合，保證考核內容中相關項目任務與證書中相關工作領域以及學習情景相對應。結合證書考核要求確定具體內容，讓學生完成相關內容學習后參與證書考核，無需進行額外證書培訓，可促使考核內容設計工作得到落實。最后，改變傳統知識考核方式，重視對現代化多媒體設備的利用，借助現代化信息系統優勢，能夠滿足新時期職業院校學生對海量知識和學習內容的需求。此外，在進行工業機器人應用編程1+X證書考核內容的設計開發中，還需要加強以下方面內容研究：（1）關注1+X證書中工業機器人應用編程以及相關設備工藝，通過虛擬仿真技術研究實現設備價值最大化；（2）對1+X證書制度下工業機器人應用編程設備孿生體數據鏈路，展開可行性與可靠性研究：（3）對工業機器人PLC程序以及程序虛擬調試機制展開研究；（4）重點研究1+X證書制度下，高職院校學生的工業機器人應用編程職業技能等級學習進程[4]。

3.4 基于虛擬仿真技術的1+X證書考核內容設計思路

在工業機器人應用編程技能等級證書考核內容的設計中，應基于仿真模擬技術展開對仿真虛擬環境中相關設備、仿真通信以及仿真輸出等環節配置，在滿足工作站功能等方面要求前提下，減少設計成本。同時借助SolidWorks建模軟件進行建模，可以導入方式進行工作站搭建。借助實時仿真方式，模擬裝配工作開展期間相關軌跡以及過程中存在的不合理操作，以便于提前了解可能發生碰撞事件的原因，并根據結果進行內容優化設計與設計內容控制。如圖1所示，具體工作過程應從以下方面進行考慮。

3.4.1 裝配流程

在仿真模擬軟件中，設置了機器人模型庫。為實現裝配過程的仿真，只需在軟件中導入機器人及其工作站系統，并導入其他相關模型，便可通過模擬軟件進行建模。本次工作站模型包含立體倉庫、工作站平臺、變位機和快換夾爪等[5]。

在具體裝配過程中，應嚴格按照不同工件順序進行配置，將工件命名為Ⅰ至Ⅵ號，其中Ⅰ號工件需要在裝配前，將其放置于工作站立體倉庫上，而Ⅱ至Ⅵ號工件應在碼盤中放置，然后根據順序進行零件裝配。零件的裝配順序為∶（1）對于Ⅰ號工件利用工業機器人進行抓取，并將其放置于變位機上，利用變位機中氣缸進行定位；（2）將工作碼盤中的Ⅲ號工件與Ⅳ號工件搬運至Ⅱ號工件位置處；（3）Ⅱ號工件裝配結束后，在質量符合相關標準前提下，將該工件整體搬運至變位機上的Ⅰ號工件中；（4）搬運工作碼盤中V號工件，并將其放置于I號工件中；（5）變位機旋轉20°，并裝配V號工件；（6）抓取Ⅵ號工件，將其放置于Ⅰ號工件中，旋轉90°，檢查零件狀況，確保其處于擰緊狀態；（7）將裝配好零件的變位機整體搬運至立體倉庫，并等待進入下一階段[6]。

3.4.2 快換夾爪

在工業機器人應用編程考核的工作站搭建過程中，需要關注對工業機器人快換夾爪的設計，快換夾爪包含基座、夾爪和吸盤三部分。抓取工具設置時，應將零件安裝于機器人肢體上，并利用軟件設計機械裝置。于“鏈接”中增加手爪裝置，將“L1”設置為“BaseLink”，并于接點關鍵位置J1、J2部分，利用夾爪的夾取動作，選擇與夾爪移動方向平衡的方向。然后通過建立工具數據庫確定工具坐標，并于夾爪吸盤末端建立坐標系，以便于觀察機械工具坐標系中相關運動工具姿態，對工具使用狀況進行調整，從而保證插補命令狀態下機器人運算軌跡的清晰程度[7]。

3.4.3 I/O信息與Smart組件裝配

在具體進行組件配置中，為確保配置到位，需要從以下方面進行考慮。首先，在仿真模擬軟件中配置虛擬示教器和相關Smart組件等I/O配件。并在工作站中配置I/O，包含吸盤吸取信號和旋轉信號等，具體配置如表1所示。

表1 工作站主要I/O配置

其次，快換手爪組件配置。快換手爪配置必須具備以下功能：（1）利用工作站可實現對手爪控制；（2）借助快換手爪進而迅速抓取或拆除工作。手爪控制中涉及到的組件包含：一個“LineSensor”，主要用于檢測工間件是否靠近，能夠通過感應功能確定抓取范圍；兩個“PlaneSensor”，主要用于實現抓取功能，在爪接觸到工件表面后借助其功能，便會進行抓取動作，并且會暫停靠近，能夠有效避免出現穿模現象。利用“Attacher”和“Detacher”組件可拆卸工件實現機器人動作同步。“JointMover”主要是用于夾取動作的動畫模擬。而吸盤組裝中需要采用“Attacher”“Detacher”以及“LineSensor”。最后，進行變位機Smart裝置配置。在工作站中涉及到的變位機，要求必須具備加緊固定工件等功能，工件裝配與手抓環節組裝配置過程相近，并且變位機不僅需要“Atta cher”“Detacher”“JointMover”“PlaneSensor”組 件，并且還需要配置一個“LogicGate”[OR]，延時為0.1秒[8]。

3.4.4 系統離線編程

建立工作站模型，利用仿真模擬軟件，在機器人示教中進行功能定位，并利用虛擬示教器展開離線編程。工業機器人程序中包含一個主要模板和多個子模塊，能夠為用戶調用信息提供便利，并且能進行快速修改，還可結合工作站實際需求設置運行方式。以某項離線系統編程設計為例，工業機器人主要任務是取出庫存中的工件并進行組裝，要求在運行至最后一個工件時，變位機開始旋轉，便于進行工件安裝。在整個過程中，需要搬運并組裝六個工件，入庫后介入整個工作流程[9]。

3.4.5 仿真過程

對仿真系統進行編程后，可點擊“仿真”按鍵，執行操作程序。且在此次仿真中，為保證整個過程與實際情況更加接近，還應增加“LinearMover”組件，實現工件間的聯動，借助“Attacher”組件將不同工件屬性連接起來，使其成為一個整體，并經由虛擬示教器發出I/O信號，避免出現搬運單個工件的現象[10]。

3.4.6 實際應用效果

在進行1+X證書考核內容設計的過程中，借助工業機器人虛擬仿真技術，加快工業機器人考核工作站的構建，并借助虛擬配置I/O信號端口和Smart組件等，結合具體設計思路，能夠實現對工業機器人工作站工作情況的模擬，實現對1+X證書考核內容的設計，能更好地發揮自身作用和功能，滿足考核設計工作開展的需求。

4 結語

現階段，機器人考核期間，四個對應專業X技能等級證書均采用了虛擬仿真技術，能夠基本滿足考核需求。采用虛擬仿真技術展開考核，能夠在極大程度上降低教學設備采購成本，并為教學工作開展提供便利，可提高考核內容直觀性，便于學生快速理解工業機器人操作過程以及編程內容，能夠加強其對各項內容的理解程度。