基于1+X平臺的工業機器人實訓課程虛擬仿真教學研究

摘 要：工業機器人實訓課程的教學過程中，存在虛擬仿真對象和實操對象不統一——“兩張皮”現象。依托陜西工業職業技術學院1+X機器人應用編程考核平臺，開發了貼近生產實際的工業機器人虛擬仿真項目，并詳細闡述了每個項目的具體實訓技能點。實踐表明，基于實際平臺的虛擬仿真訓練，有助于提高學生的學習興趣，使虛擬仿真和實際操作相互促進，互相補充，切實提高了實訓教學效果，降低了實訓室運行成本。

關鍵詞：虛擬仿真；實訓教學；RobotStudio；1+X

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0190-05

Research on Virtual Simulation Teaching of Industrial Robot Training Course Based on 1+X Platform

WEI Jin， LI Linjie， HE Ziqin

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

Abstract： In the teaching process of industrial robot training courses， there is a phenomenon of “two skins” due to the inconsistency between virtual simulation objects and practical operation objects. Based on the 1+X robot application programming evaluation platform of Shaanxi Polytechnic Institute， a virtual simulation project of industrial robots close to the actual production is developed， and the specific training skills of each project are expounded in detail. Through practice， it has shown that virtual simulation training based on practical platforms can help improve students' learning interest， promote and supplement virtual simulation and practical operation， effectively improve the efficiency of training teaching， and reduce the operating cost of the training room.

Keywords： virtual simulation; training teaching; RobotStudio; 1+X

0 引 言

黨的二十大報告指出我國要大力建設現代化產業體系，堅持把發展經濟的著力點放在實體經濟上，推進新型工業化取得新成效，加快制造強國、質量強國建設，推動制造業實現高端化、智能化。工業機器人作為智能制造領域極具代表性的產品之一，是用以實現裝備制造自動化、智能化的有效途徑。隨著工業機器人的應用越來越廣泛，機器人教育在職業教育體系中越來越被重視，確保人才培養滿足現代企業的要求。

國內的工業機器人虛擬仿真技術在職業教育教學中的使用比較單一，與實訓室機器人工作站及其配套裝置匹配度較低，課程內容以實際工作內容為切入點，更多的仿真技術主要應用于工業中典型的工作場景（如焊接、噴涂等），課程、教學情境設置不甚合理[1]。在新冠疫情期間，學生的線下實踐教學無法保證，線上實踐教學浮于表面，線上線下“兩張皮”不統一，學生返校進行線下實訓時，線上所學不能很好地支持線下實踐，教學效果較差。考慮到實際學情、校情，借助我校1+X機器人應用編程考核平臺，開發基于考核平臺的虛擬仿真實訓項目，研究混合式教學方法，有利于提高工業機器人的實訓教學質量，滿足企業對工業機器人操作崗位的能力要求，保證實訓教學范例貼合我國的教育行情，從而推動職業教育的發展和人才質量的提高[2]。

1 實訓項目教學規劃

我院數控工程學院機電一體化專業開設的工業機器人相關實訓課程主要有工業機器人仿真軟件實訓和工業機器人操作與編程實訓，考慮到操作對象的一致性和知識的連貫性，仿真實訓和實操實訓對象為1+X工業機器人應用與編程考核平臺及對應模型。通過不同的模型組合設計不同難度的實訓項目。

結合機電專業的課程實際，工業機器人仿真軟件實訓課程安排為期1周的實訓，共設置五個項目，星期一至星期四每天完成一個實訓項目，周五安排選學項目，主要面向學有余力的學生，同時對其他學生參與的項目進行驗證和總結。工業機器人操作與編程實訓課程安排為1周，實訓項目在原仿真基礎上進行擴展。在此基礎上，我院對工業機器人虛擬仿真項目進行了詳細規劃。

1.1 項目一：模擬涂膠工作站虛擬仿真實訓項目

在工業機器人的典型應用中，無論是切割、涂膠、焊接還是搬運裝配，都需要為機器人設計路徑軌跡。采用現場示教的方式，不僅存在環境嘈雜、效率低下的弊端，還容易發生危險[3]。這些均可通過虛擬仿真軟件的操作來實現，不但可以手動示教，還可以根據加工零件的特點自動生成路徑，保證工藝精度。

模擬涂膠工作站虛擬仿真工作站模型如圖1所示。該工作臺由平臺基座、工業機器人以及曲面繪圖模塊組成，工業機器人選用IR120，曲面繪圖模型如圖2所示，繪圖路徑包含方形、橢圓形以及波浪形。學生利用RobotStudio仿真軟件，通過手動設動逐點示教形成工業機器人運行路徑，并使機器人沿著規劃路徑運動，完成整個涂膠項目。

通過這個仿真實訓項目，學生可掌握Robostudio軟件的基本操作流程和工作站的開發過程。具體實訓流程如下：

1）工業機器人與實訓臺的布局。

2）曲面繪圖工具的放置。

3）繪圖筆工具的安裝與拆除。

4）工具坐標系的建立。

5）設定機器人運行指令參數。

6）正方形、橢圓路徑的創建。

7）仿真設定，模擬機器人的運行軌跡。

8）模擬涂膠仿真視圖及視頻的錄制。

1.2 項目二：斜面寫字工作站虛擬仿真實訓項目

斜面寫字工作站虛擬仿真實訓項目為該課程的第二個項目，在模擬涂膠工作站實訓中，采用示教點方法創建軌跡，這種方法不但耗時費力，而且難以保證軌跡精度[4]。工業機器人離線編程可通過三維模型曲線特征自動生成工業機器人的運行軌跡。

斜面寫字工作站模型如圖3所示，該工作臺包括繪圖筆工具、寫字模型等，寫字模型如圖4所示。本項目主要通過創建斜面寫字工作站，實現自動取放繪圖筆工具，設置工作站、工具、工件坐標等相關參數，利用Robostudio仿真軟件中的自動路徑功能拾取對象“片”的軌跡，自動生成復雜軌跡路徑，完成離線程序的優化和仿真測試。通過本項目的實踐，重點讓學生掌握在不規則曲線上通過自動路徑獲取工業機器人軌跡的方式實現仿真運行。

該虛擬仿真項目的知識點包含：

1）斜面寫字工作站的解包和打包方法。

2）斜面寫字工件坐標系的創建。

4）寫字平臺的傾斜設置。

4）自動路徑功能的設置。

5）目標點姿態的參數配置。

6）Attacher和Detacher動作組件的使用方法。

7）寫字路徑的離線編程及仿真運行。

通過上述兩個項目的練習，學生可充分掌握不同曲線下機器人軌跡的生成方式。

1.3 項目三：搬運工作站虛擬仿真實訓項目

搬運工作站是工業機器人典型的應用場景，廣泛應用于機床上下料、自動裝配流水線、沖壓機自動化生產線等[4]。通過安裝不同的末端執行器，工業機器人可以將不同大小和形狀的工件從一個位置移動到另一個位置。大大減少人類繁重、重復的體力勞動，提高工作效率。

搬運工作站的布局如圖5所示。搬運工作站包括平臺基座、快換裝置、立體倉庫模塊、變位機模塊，選用的工業機器人型號為IR120，變位機模塊如圖6所示。本項目通過創建搬運工作站，利用Smart組件實現平口手爪工具的自動開合，并從立體倉庫中取下電機外殼。變位機旋轉20度后，機器人將電機外殼放置到變位機的裝配裝置上面，在此過程中進行示教編程和程序優化。本項目的教學重點是Smart姿態組件的使用方法以及機器人信號的配置方法。

該虛擬仿真項目的知識點包括：

1）工作站的布局。

2）創建手爪工具的機械模型。

3）創建旋轉工具的機械模型。

4）PoseMover組件的使用方法。

5）LogicGate組件的使用方法。

6）工業機器人信號的輸出及輸出配置。

7）搬運應用的示教編程。

8）搬運工作的離線編輯及仿真運行。

1.4 項目四：碼垛工作站虛擬仿真實訓項目

在工業應用領域，針對重復性的搬運工作，采用工業機器人碼垛搬運可大大提高工作效率[5]。碼垛工作站的布局如圖7所示，該工作站由快換工具、井式上料及傳送模塊、碼垛模塊組成，其中井式上料及傳送模塊如圖8所示，選用的機器人型號為IR120。工業機器人主要完成的任務是在工具快換裝置上取下吸盤工具，井式上料機構將電機端蓋推送至傳送裝置，機器人利用吸盤工具將傳送帶上的端蓋搬運到旁邊的碼垛模塊上。在此仿真過程中，機器人要利用吸盤工具吸附和釋放蓋板，井式上料機構中氣缸的伸出和縮回，傳動帶的運轉及模擬傳感器的到位檢測等功能的Smart組件設計，這些均是本項目的實訓重點。

該虛擬仿真項目的知識點包括：

1）碼垛工作任務的順序流程。

2）創建動態吸盤工具。

3）創建井式上料機構模型。

4）Logics Latch組件的應用。

5）Line Sensor、Plane Sensor等傳感器組件的應用。

6）FOR循環指令的應用。

7）MOD、DIV指令的應用。

8）Source、Queue組件的應用。

9）編寫RAPID程序。

1.5 項目五：電機裝配工作站虛擬仿真項目

裝配作業是工業機器人的典型應用之一，其主要應用場景有家用電器、小型電機、汽車及其部件、計算機、機電產品的組合。電機裝配工作站模型如圖9所示，電機裝配工作站包括平臺基座、工業機器人、工具快換裝置、電機搬運模塊、變位機模塊、裝配模塊、旋轉供料模塊、立體倉庫模塊、井式上料模塊、輸送帶模塊、平口手爪工具以及電機各部件模型等。

本項目是一個綜合性應用項目，以電機裝配應用為主要任務，涵蓋前4個項目的技能點，全面檢驗學生的知識掌握程度。通過搭建電機裝配工作站，創建工業機器人任務系統，構建變位機和旋轉供料機械裝置，利用Smart組件實現相應的功能，通過編寫RAPID程序實現電機裝配流程[6]。具體的裝配流程如下：工業機器人首先安裝快換裝置上的平口手爪工具，然后將其移動到立體倉庫抓取電機外殼，將電機外殼放置到變位機模塊的水平裝配位上，并利用定位氣缸來固定電機外殼。隨后變位機面向工業機器人傾斜20度，工業機器人取下旋轉供料模塊上的電機轉子，并將其放置到電機外殼里。井式上料機構推出電機端蓋，并由傳送帶運輸至末端，工業機器人更換吸盤工具，將傳送帶的電機端蓋裝配到電機上。完成裝配后，變位機翻轉至水平位置，將電機成品放回立體倉庫的指定位置，這樣就完成了整個裝配流程。

前4個虛擬仿真項目難度逐漸增加，考察的知識點也各有側重，所選取的均是工業機器人的典型使用場景，學生按照順序完成虛擬仿真訓練。第5個項目為綜合項目，難度較大，適用于學習能力強的同學，對所有同學不做強制要求。如遇疫情等不可抗力因素無法線下教學時，可在線上完成所有項目。所有項目都可以進行內容擴展，待條件允許后，繼續開展線下實訓，這樣就能夠確保線上線下學習對象的一致性[7]。

2 實訓條件與效果

我校建有可容納50人上課的工業機器人虛擬仿真實訓室和工業機器人操作與編程實訓室，虛擬仿真實訓室的電腦均裝有Robot studio軟件和自動還原系統、極域網絡[8]。教師可以利用極域網絡開展各種教學活動，如面向學生發布廣播、收發作業等，查看每個學生的開發過程和結果，對學生的各種疑問進行廣播指導，達到舉一反三的效果。工業機器人操作與編程實訓室配有8臺1+X工業機器人應用編程考核平臺，如圖10所示，考核平臺旁配有臺式電腦，每臺設備安排4～5人實訓。

將基于1+X工業機器人應用編程的考核平臺的虛擬仿真項目應用于21級機電一體化專業的平行班級實訓教學中。實踐表明：基于實際設備開發的虛擬仿真實訓項目有助于提高學生參加實訓的興趣和成就感，提高虛擬實訓效果，進而提高工業機器人操作與編程實訓的完成率[9]。通過前期的虛擬仿真實訓，學生可以在虛擬環境下就關鍵點進行反復的演練，以求達到最佳成效，這樣可大大緩解學生因對設備不熟練而造成的設備損壞問題，降低實訓成本，減小設備的維護頻率[10]。

3 結 論

結合我院軟硬件實際和學生特點，突出以練為主的教學模式設計，重新構建基于1+X考核平臺的虛擬仿真實訓項目。遇到特殊情況時，可以采取線上線下混合式教學模式，使學生線上線下實訓操作對象統一，線上仿真和線下操作相互促進，互相補充，促使疫情等特殊環境下的教學活動平穩安全過渡。然后將混合式教學模式應用到工業機器人實訓教學的具體實踐中，驗證該教學模式對于提高學生學習熱情、提升學生能力水平的效用。適合我國校情的課程開發方法，對于提高我國職業教育人才培養質量，促進工業機器人產業結構調整和發展具有重要意義。

參考文獻：

[1] 王榮校，李全城.基于虛擬仿真的工業機器人實訓混合教學研究 [J].實驗室科學，2021，24（6）：114-116+121.

[2] 王丹.基于1+X背景下的機器人仿真系統研究 [J].科學技術創新，2021（19）：164-165.