摘 要：工業(yè)機(jī)器人實訓(xùn)課程的教學(xué)過程中，存在虛擬仿真對象和實操對象不統(tǒng)一——“兩張皮”現(xiàn)象。依托陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院1+X機(jī)器人應(yīng)用編程考核平臺，開發(fā)了貼近生產(chǎn)實際的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真項目，并詳細(xì)闡述了每個項目的具體實訓(xùn)技能點。實踐表明，基于實際平臺的虛擬仿真訓(xùn)練，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使虛擬仿真和實際操作相互促進(jìn)，互相補(bǔ)充，切實提高了實訓(xùn)教學(xué)效果，降低了實訓(xùn)室運行成本。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實訓(xùn)教學(xué)；RobotStudio；1+X

中圖分類號：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系，堅持把發(fā)展經(jīng)濟(jì)的著力點放在實體經(jīng)濟(jì)上，推進(jìn)新型工業(yè)化取得新成效，加快制造強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國建設(shè)，推動制造業(yè)實現(xiàn)高端化、智能化。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造領(lǐng)域極具代表性的產(chǎn)品之一，是用以實現(xiàn)裝備制造自動化、智能化的有效途徑。隨著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)器人教育在職業(yè)教育體系中越來越被重視，確保人才培養(yǎng)滿足現(xiàn)代企業(yè)的要求。

國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中的使用比較單一，與實訓(xùn)室機(jī)器人工作站及其配套裝置匹配度較低，課程內(nèi)容以實際工作內(nèi)容為切入點，更多的仿真技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)中典型的工作場景（如焊接、噴涂等），課程、教學(xué)情境設(shè)置不甚合理[1]。在新冠疫情期間，學(xué)生的線下實踐教學(xué)無法保證，線上實踐教學(xué)浮于表面，線上線下“兩張皮”不統(tǒng)一，學(xué)生返校進(jìn)行線下實訓(xùn)時，線上所學(xué)不能很好地支持線下實踐，教學(xué)效果較差?？紤]到實際學(xué)情、校情，借助我校1+X機(jī)器人應(yīng)用編程考核平臺，開發(fā)基于考核平臺的虛擬仿真實訓(xùn)項目，研究混合式教學(xué)方法，有利于提高工業(yè)機(jī)器人的實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，滿足企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人操作崗位的能力要求，保證實訓(xùn)教學(xué)范例貼合我國的教育行情，從而推動職業(yè)教育的發(fā)展和人才質(zhì)量的提高[2]。

1 實訓(xùn)項目教學(xué)規(guī)劃

我院數(shù)控工程學(xué)院機(jī)電一體化專業(yè)開設(shè)的工業(yè)機(jī)器人相關(guān)實訓(xùn)課程主要有工業(yè)機(jī)器人仿真軟件實訓(xùn)和工業(yè)機(jī)器人操作與編程實訓(xùn)，考慮到操作對象的一致性和知識的連貫性，仿真實訓(xùn)和實操實訓(xùn)對象為1+X工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與編程考核平臺及對應(yīng)模型。通過不同的模型組合設(shè)計不同難度的實訓(xùn)項目。

結(jié)合機(jī)電專業(yè)的課程實際，工業(yè)機(jī)器人仿真軟件實訓(xùn)課程安排為期1周的實訓(xùn)，共設(shè)置五個項目，星期一至星期四每天完成一個實訓(xùn)項目，周五安排選學(xué)項目，主要面向?qū)W有余力的學(xué)生，同時對其他學(xué)生參與的項目進(jìn)行驗證和總結(jié)。工業(yè)機(jī)器人操作與編程實訓(xùn)課程安排為1周，實訓(xùn)項目在原仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。在此基礎(chǔ)上，我院對工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真項目進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃。

1.1 項目一：模擬涂膠工作站虛擬仿真實訓(xùn)項目

在工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用中，無論是切割、涂膠、焊接還是搬運裝配，都需要為機(jī)器人設(shè)計路徑軌跡。采用現(xiàn)場示教的方式，不僅存在環(huán)境嘈雜、效率低下的弊端，還容易發(fā)生危險[3]。這些均可通過虛擬仿真軟件的操作來實現(xiàn)，不但可以手動示教，還可以根據(jù)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(yè)機(jī)器人以及曲面繪圖模塊組成，工業(yè)機(jī)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(xué)生利用RobotStudio仿真軟件，通過手動設(shè)動逐點示教形成工業(yè)機(jī)器人運行路徑，并使機(jī)器人沿著規(guī)劃路徑運動，完成整個涂膠項目。

通過這個仿真實訓(xùn)項目，學(xué)生可掌握Robostudio軟件的基本操作流程和工作站的開發(fā)過程。具體實訓(xùn)流程如下：

1）工業(yè)機(jī)器人與實訓(xùn)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(biāo)系的建立。

5）設(shè)定機(jī)器人運行指令參數(shù)。

6）正方形、橢圓路徑的創(chuàng)建。

7）仿真設(shè)定，模擬機(jī)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(xùn)項目

斜面寫字工作站虛擬仿真實訓(xùn)項目為該課程的第二個項目，在模擬涂膠工作站實訓(xùn)中，采用示教點方法創(chuàng)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(yè)機(jī)器人離線編程可通過三維模型曲線特征自動生成工業(yè)機(jī)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(chuàng)建斜面寫字工作站，實現(xiàn)自動取放繪圖筆工具，設(shè)置工作站、工具、工件坐標(biāo)等相關(guān)參數(shù)，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(fù)雜軌跡路徑，完成離線程序的優(yōu)化和仿真測試。通過本項目的實踐，重點讓學(xué)生掌握在不規(guī)則曲線上通過自動路徑獲取工業(yè)機(jī)器人軌跡的方式實現(xiàn)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(biāo)系的創(chuàng)建。

4）寫字平臺的傾斜設(shè)置。

4）自動路徑功能的設(shè)置。

5）目標(biāo)點姿態(tài)的參數(shù)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(xí)，學(xué)生可充分掌握不同曲線下機(jī)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(xùn)項目

搬運工作站是工業(yè)機(jī)器人典型的應(yīng)用場景，廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、自動裝配流水線、沖壓機(jī)自動化生產(chǎn)線等[4]。通過安裝不同的末端執(zhí)行器，工業(yè)機(jī)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(fù)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(jī)模塊，選用的工業(yè)機(jī)器人型號為IR120，變位機(jī)模塊如圖6所示。本項目通過創(chuàng)建搬運工作站，利用Smart組件實現(xiàn)平口手爪工具的自動開合，并從立體倉庫中取下電機(jī)外殼。變位機(jī)旋轉(zhuǎn)20度后，機(jī)器人將電機(jī)外殼放置到變位機(jī)的裝配裝置上面，在此過程中進(jìn)行示教編程和程序優(yōu)化。本項目的教學(xué)重點是Smart姿態(tài)組件的使用方法以及機(jī)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(chuàng)建手爪工具的機(jī)械模型。

3）創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)工具的機(jī)械模型。

4）PoseMover組件的使用方法。

5）LogicGate組件的使用方法。

6）工業(yè)機(jī)器人信號的輸出及輸出配置。

7）搬運應(yīng)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(xùn)項目

在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，針對重復(fù)性的搬運工作，采用工業(yè)機(jī)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(jī)器人型號為IR120。工業(yè)機(jī)器人主要完成的任務(wù)是在工具快換裝置上取下吸盤工具，井式上料機(jī)構(gòu)將電機(jī)端蓋推送至傳送裝置，機(jī)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(jī)器人要利用吸盤工具吸附和釋放蓋板，井式上料機(jī)構(gòu)中氣缸的伸出和縮回，傳動帶的運轉(zhuǎn)及模擬傳感器的到位檢測等功能的Smart組件設(shè)計，這些均是本項目的實訓(xùn)重點。

該虛擬仿真項目的知識點包括：

1）碼垛工作任務(wù)的順序流程。

2）創(chuàng)建動態(tài)吸盤工具。

3）創(chuàng)建井式上料機(jī)構(gòu)模型。

4）Logics Latch組件的應(yīng)用。

5）Line Sensor、Plane Sensor等傳感器組件的應(yīng)用。

6）FOR循環(huán)指令的應(yīng)用。

7）MOD、DIV指令的應(yīng)用。

8）Source、Queue組件的應(yīng)用。

9）編寫RAPID程序。

1.5 項目五：電機(jī)裝配工作站虛擬仿真項目

裝配作業(yè)是工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用之一，其主要應(yīng)用場景有家用電器、小型電機(jī)、汽車及其部件、計算機(jī)、機(jī)電產(chǎn)品的組合。電機(jī)裝配工作站模型如圖9所示，電機(jī)裝配工作站包括平臺基座、工業(yè)機(jī)器人、工具快換裝置、電機(jī)搬運模塊、變位機(jī)模塊、裝配模塊、旋轉(zhuǎn)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(jī)各部件模型等。

本項目是一個綜合性應(yīng)用項目，以電機(jī)裝配應(yīng)用為主要任務(wù)，涵蓋前4個項目的技能點，全面檢驗學(xué)生的知識掌握程度。通過搭建電機(jī)裝配工作站，創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人任務(wù)系統(tǒng)，構(gòu)建變位機(jī)和旋轉(zhuǎn)供料機(jī)械裝置，利用Smart組件實現(xiàn)相應(yīng)的功能，通過編寫RAPID程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)裝配流程[6]。具體的裝配流程如下：工業(yè)機(jī)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(jī)外殼，將電機(jī)外殼放置到變位機(jī)模塊的水平裝配位上，并利用定位氣缸來固定電機(jī)外殼。隨后變位機(jī)面向工業(yè)機(jī)器人傾斜20度，工業(yè)機(jī)器人取下旋轉(zhuǎn)供料模塊上的電機(jī)轉(zhuǎn)子，并將其放置到電機(jī)外殼里。井式上料機(jī)構(gòu)推出電機(jī)端蓋，并由傳送帶運輸至末端，工業(yè)機(jī)器人更換吸盤工具，將傳送帶的電機(jī)端蓋裝配到電機(jī)上。完成裝配后，變位機(jī)翻轉(zhuǎn)至水平位置，將電機(jī)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(cè)重，所選取的均是工業(yè)機(jī)器人的典型使用場景，學(xué)生按照順序完成虛擬仿真訓(xùn)練。第5個項目為綜合項目，難度較大，適用于學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的同學(xué)，對所有同學(xué)不做強(qiáng)制要求。如遇疫情等不可抗力因素?zé)o法線下教學(xué)時，可在線上完成所有項目。所有項目都可以進(jìn)行內(nèi)容擴(kuò)展，待條件允許后，繼續(xù)開展線下實訓(xùn)，這樣就能夠確保線上線下學(xué)習(xí)對象的一致性[7]。

2 實訓(xùn)條件與效果

我校建有可容納50人上課的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實訓(xùn)室和工業(yè)機(jī)器人操作與編程實訓(xùn)室，虛擬仿真實訓(xùn)室的電腦均裝有Robot studio軟件和自動還原系統(tǒng)、極域網(wǎng)絡(luò)[8]。教師可以利用極域網(wǎng)絡(luò)開展各種教學(xué)活動，如面向?qū)W生發(fā)布廣播、收發(fā)作業(yè)等，查看每個學(xué)生的開發(fā)過程和結(jié)果，對學(xué)生的各種疑問進(jìn)行廣播指導(dǎo)，達(dá)到舉一反三的效果。工業(yè)機(jī)器人操作與編程實訓(xùn)室配有8臺1+X工業(yè)機(jī)器人應(yīng)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(shè)備安排4～5人實訓(xùn)。

將基于1+X工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程的考核平臺的虛擬仿真項目應(yīng)用于21級機(jī)電一體化專業(yè)的平行班級實訓(xùn)教學(xué)中。實踐表明：基于實際設(shè)備開發(fā)的虛擬仿真實訓(xùn)項目有助于提高學(xué)生參加實訓(xùn)的興趣和成就感，提高虛擬實訓(xùn)效果，進(jìn)而提高工業(yè)機(jī)器人操作與編程實訓(xùn)的完成率[9]。通過前期的虛擬仿真實訓(xùn)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下就關(guān)鍵點進(jìn)行反復(fù)的演練，以求達(dá)到最佳成效，這樣可大大緩解學(xué)生因?qū)υO(shè)備不熟練而造成的設(shè)備損壞問題，降低實訓(xùn)成本，減小設(shè)備的維護(hù)頻率[10]。

3 結(jié) 論

結(jié)合我院軟硬件實際和學(xué)生特點，突出以練為主的教學(xué)模式設(shè)計，重新構(gòu)建基于1+X考核平臺的虛擬仿真實訓(xùn)項目。遇到特殊情況時，可以采取線上線下混合式教學(xué)模式，使學(xué)生線上線下實訓(xùn)操作對象統(tǒng)一，線上仿真和線下操作相互促進(jìn)，互相補(bǔ)充，促使疫情等特殊環(huán)境下的教學(xué)活動平穩(wěn)安全過渡。然后將混合式教學(xué)模式應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)的具體實踐中，驗證該教學(xué)模式對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、提升學(xué)生能力水平的效用。適合我國校情的課程開發(fā)方法，對于提高我國職業(yè)教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 王丹.基于1+X背景下的機(jī)器人仿真系統(tǒng)研究 [J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（19）：164-165.