工業機器人集成應用“1+X”考證培訓實訓項目開發與應用＊

云南機電職業技術學院 黃燕燕 竇楠 胡辛豪

針對工業機器人集成應用“1+X”證書培訓過程中設備臺數較少，學生人數眾多，培訓時間有限的問題，基于結合了虛擬仿真技術、PLC 控制技術和組態技術的虛實聯調工作站，開發適用于工業機器人集成應用“1+X”證書培訓的實訓項目，編寫實訓任務書，利用信息化技術制作教學資源，創新教學方法，盡量在有限設備臺數和有限培訓時間的情況下，最大程度地提高培訓質量，完成“1+X”培訓任務，提高證書通過率。

1 虛實聯調工作站介紹

工業機器人集成應用“1+X”考證使用的設備是華航唯實KH11 平臺。

鑒于學校實訓設備臺數較少，學生在不熟練工業機器人現場編程操作的情況下在設備上花費的時間太長的問題，基于實訓設備建立了一個虛實聯調工作站，包含設備中的執行單元、工具單元和倉儲單元，能夠仿真取放工具和取放輪轂等典型工作任務，并且在虛實聯調工作站上的操作方法與在實際設備上是相同的。虛實聯調工作站的使用可以大大減少學生使用設備進行練習的時間，克服確實存在的設備不足的困難，其整體模型如圖1所示。

圖1 虛實聯調工作站Fig.1 Virtual and real joint debugging workstation

其中執行單元包含一個伺服軸及可以隨伺服軸移動的IRB120 機器人；工具單元主要包含安裝在機器人末端的快換工具以及放置在工具架上的夾爪工具和吸盤工具；倉儲單元是一個有上下兩層共6 個倉位的立體倉庫，可放置6 個輪轂工件。

與一般的虛擬仿真工作站不同，虛實聯調工作站在虛擬仿真技術的基礎上，還打通了PLC 控制器與虛擬仿真工作站之間的數據通訊，在PLC 控制器上編程可對虛實聯調工作站進行控制。

2 實訓任務設計

基于虛實聯調工作站，根據工業機器人集成應用“1+X”證書的等級標準，參照目前已有的考核試卷，并吸取多次試點考證培訓的經驗，由淺入深、由各單元分別調試到系統集成設計和調試，設計開發循序漸進的實訓項目，進行項目化教學，以增強學生對各種技術集成應用的能力，充分培養學生對于綜合性問題的分析與解決能力。

3 系統聯調任務

下面通過系統聯調任務的講解說明虛實聯調工作站的具體設計和應用虛實聯調工作站進行教學的具體過程。

系統聯調任務是依照工業機器人集成平臺的工作流程順序，根據工具單元、執行單元和倉儲單元的典型工作任務設計的，具體任務為：工業機器人先去工具單元取夾爪工具，再去倉儲單元第6 倉位取輪轂，再把輪轂從倉位6 搬運到倉位5，最后把夾爪工具放回工具單元的任務。

3.1 解包運行工作站

打開RobotStudio6.08 軟件，在文件-共享中點擊解包，把虛實聯調工作站的工作站包文件（后綴.rspag）解壓出來，注意目標文件夾的路徑中不能包含中文字符。

3.2 工作站初始狀態查看

為了完成任務要求，我們需要編寫4 個例行程序：取工具、放工具、取輪轂、放輪轂。打開虛擬示教器，首先在程序編輯器中可以查看到Main 函數中沒有程序，但在例行程序中已經添加了一個例行程序SF(num wz)，用于控制執行單元伺服軸移動到具體位置。在輸入輸出中也已添加了4 個信號，如圖2 所示，其中DO1_XiPan是吸盤工具的控制信號，DI0_ZhenKongBiao 是吸盤工具真空表的輸入信號，由于任務中用的是夾爪工具，這2 個信號都不用。我們用的是DO0_KuaiHuan 和DO2_JiaZhua 2 個信號。DO0_KuaiHuan 是快速工具的控制信號，0 為安裝工具，1 為卸載工具；DO2_JiaZhua 是夾爪工具的控制信號，1 為夾住，0 為松開。

圖2 輸入輸出信號Fig.2 Input and output signals

3.3 編寫取工具例行程序

先將機器人切換到手動模式，在程序編輯器中打開例行程序，文件-新建例行程序，添加取工具的例行程序，取名為MGetTool()，接著為其編寫程序如下：

3.4 仿真運行取工具程序

點擊Enable 使能器，使電機切換到啟動狀態；點擊示教器右下角菜單，把運行模式改為單周模式；在程序編輯器中點擊調試-PP 移至例行程序-MGetTool()。使用單步運行或全速運行查看機器人運行結果。若運行完需要回到初始狀態從頭開始調試，點擊菜單欄仿真-重置，找到保存好的初始狀態Start，重新調試。

3.5 編寫仿真運行取輪轂、放輪轂、放工具程序

以3.3 同樣的方法添加取輪轂MGetHub()、放輪轂MPutHub()、放工具MPutTool()例行程序，編寫完程序之后參照3.4 的方法調試仿真運行。程序的編寫基本與取工具類似，注意伺服軸要移動到合適位置、工具在動作之前要提前復位、動作前后都加一條等待指令、移動過程中要添加安全過渡點、接近動作點時運行速度要調慢等問題。

3.6 調用例行程序

4 個例行程序都編寫并調試成功之后，在主函數Main()中調用。

此時可以直接在自動模式下，對任務進行整體調試運行；自動模式下將電機切換到啟動狀態，不需要Enable 使能器，而是打開Control Panel 點擊白色的啟動按鈕即可；在程序編輯器中點擊“PP 移至Main”，再按下全速運行按鈕，虛實聯調工作站就會按要求執行任務，如圖3 所示。

圖3 機器人即將放置輪轂Fig.3 Robot is about to place the hub

4 教學方法設計

4.1 線上教學資源

在考證培訓教學過程中，充分利用信息化教學方法，基于實訓任務錄制教學視頻，利用信息化技術創建教學資源，并整理至云課堂中，方便學生學習。特別是對于需要復雜操作步驟的實訓項目，在考證培訓過程中錄制教學演示視頻，學生可一邊看視頻一邊操作，有疑問時向老師提出，有利于學生提前預習、課后復習、反復觀看提高理解和熟練度。

4.2 PLC 設備與仿真工作站虛實聯調

我校工業機器人集成應用實訓設備臺數較少，但西門子1200 系列PLC 設備充足，在實際培訓過程中，可以先把學生安排在PLC 實訓室進行培訓，在真實PLC控制器設備上編程對虛實聯調工作站進行控制。這樣，既解決了實訓設備不足的問題，消除了學生實操過程中會損壞珍貴設備的顧慮，又能增強虛擬環境的真實感，提高學生興趣，還能保證每位同學有充分的練習時間。

4.3 虛擬仿真結果應用于實操

學生在虛實聯調工作站上完成編程調試仿真，得到正確的仿真效果后，提交仿真運行視頻給老師，待老師確認正確后，可帶著電腦或U 盤到實訓室排隊進行實操練習。利用RobotSudio 軟件的在線功能，學生在虛實聯調工作站中編好并已用仿真效果驗證過的程序，可以通過網線快速地下載到工業機器人中。或提前在RobotSudio 軟件中將系統導出備份，拷貝到U 盤中，再用U 盤將系統恢復到機器人設備上。這樣，在實際設備中只需重新示教對點，就能完成一個項目的調試，大大節省了每一位學生占用設備的時間，解決了教學資源緊缺的問題。

4.4 線上線下混合式教學

在進行虛擬聯調仿真練習之時，如果有學生率先完成，則可以先進入工業機器人集成應用實訓室進行實操訓練。通過線上課堂開啟直播，實訓室實操畫面將同步給還在PLC 實訓室仿真練習的學生，培訓老師可以在線上講解實操內容及注意事項，同時可以在線上給學生答疑，并激勵他們抓緊練習完成仿真后排隊實操。通過這種線上線下混合教學的方法，可以最大限度地利用實訓設備和場所，縮短培訓時間，提高培訓效率。

4.5 大屏幕展示實操步驟

在工業機器人集成應用實訓室實訓過程中，使用RobotSudio 軟件的在線功能，將現場學生實操的示教器界面及操作過程在大屏幕上呈現，讓在實訓室排隊和線上觀看的學生實時觀摩學習，增加旁觀學生參與感。

5 結語

本文設計的虛實聯調工作站和實訓任務，創新了實訓方法，豐富了實訓內容，已在工業機器人相關課程教學、“1+X”考證培訓及技能大賽選手培訓中進行了實踐應用，教學效果良好，確實節省了培訓時間，減少了教師工作量，學生學習效率大幅提高。在后面的教學過程中，會繼續應用虛實聯調工作站進行教學，總結經驗，不斷增加、改進實訓任務和教學資源，完善教學設計。

引用

[1] 董虹星,周曙紅.“1+X”工業機器人集成應用證書培訓新形態一體化教材建設研究[J].實驗技術與管理,2022,39(1):204-209.

[2] 馮凌云,劉凱.虛實結合的工業機器人實踐教學平臺開發與應用[J].實驗技術與管理,2021,38(5):223-229.

[3] 張姣.虛實結合的工業機器人實驗室建設探索與實踐[J].南方農機,2021,52(13):160-161.

[4] 朱新杰,王慶九,顧大強,等.虛實結合的工業機器人實驗教學方法[J].實驗技術與管理,2020,37(10):167-170+200.

[5] 楊利,陳柳松,謝永超.基于PLC和工業機器人的智能倉庫系統設計[J].自動化技術與應用,2021,40(7):72-75.

[6] 夏中堅.工業機器人的虛擬仿真技術在信息化課程教學中的有效應用[J].南方農機,2021,52(10):148-149.