對工業機器人生產線虛擬仿真教學的探究

趙卿

關鍵詞：工業機器人 ?虛擬仿真 ?教學 ?探究

隨著我國制造業的迅速發展，技工院校需要依據我國制造業的發展現狀開設相關專業課程，及時將新技術、新工藝、新規范納入教學標準和教學內容，強化學生實習實訓，滿足企業對技術技能人才的需求。目前，由于對智能工廠虛擬仿真技術認識不足，結合制造業一線需求開設工業機器人應用與維護專業的技工院校還比較少，虛擬仿真技術的發展有待更多關注，以加快工業機器人虛擬仿真教學運用步伐，提升學校辦學能力。

一、工業機器人生產線虛擬仿真教學的背景

《中國制造2025》（國發〔2015〕28號）明確指出，“制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。”“推進制造過程智能化。在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間，加快人機智能交互、工業機器人、智能物流管理、增材制造等技術和裝備在生產過程中的應用，促進制造工藝的仿真優化、數字化控制、狀態信息實時監測和自適應控制。”

以工業機器人行業的發展為例，近年來，中國工業機器人市場表現持續強勁，市場容量不斷擴大;工業機器人熱潮帶動了機器人產業鏈的不斷完善;因此高素質、高技能人才需求量大，人才短缺已成為機器人產業發展的短板。

目前國內開設工業機器人應用與維護專業的職業院校還在少數，從事工業機器人現場編程、維護及安裝調試等崗位的人員，主要來自對電氣自動化技術、機電一體化等專業技術人員的二次培訓。這就要求技工院校加快工業機器人應用與維護專業的建設，開設相關課程，堅持知行合一、工學結合，科學合理地運用工業機器人生產線虛擬仿真教學，提升技術技能人才培養質量。

二、智能工廠虛擬仿真技術

1.虛擬仿真

虛擬仿真是通過CAD/CAM/CAE等技術在可視化虛擬環境下實現產品的仿真、分析、優化的新型技術，其在智能制造領域得到了充分的應用，特別是智能工廠可以通過虛擬仿真技術實現生產線的節拍控制分析、機器人運動控制、動力學分析、軌跡和路徑規劃離線編程、機器人與工作環境的相互作用等;在獲得最優智能生產線設計方案的同時，最大限度地降低設計成本，提高工作效率。

2.智能工廠虛擬仿真的優點

虛擬仿真的設計方法體現出并行工程的概念和思想，是今后智能制造技術的發展方向，與傳統方法相比具有諸多優勢，即在智能工廠設計初期即確定關鍵的參數、更新產品開發過程、縮短開發周期、降低成本和提高產品質量。智能工廠虛擬仿真技術具有以下優點。

（1）系統集成性。實現智能工廠的虛擬仿真需要將多種不同產品結合在一起，完成功能全面的虛擬現實，因此需要多種不同系統相互協調、互相作用;其系統集成性主要體現在以下方面。

①完成傳統CAD三維建模的同時加入工業機器人與生產線的運動學與動力學算法。

②生產節拍、機器人與其他生產組件的配合、對工業機器人工作空間可達性、運動軌跡的規劃等算法及離線編程處理后虛擬仿真進行驗證。

③生產線PLC、機器人控制系統、I/O的信號等數據上傳，與虛擬仿真系統進行集成。

（2）組件模型的參數化和數據庫。通常一個智能工廠的組件大約在5萬到10萬個（不含重復組件），大量重復使用的模型經過參數化處理并形成組件庫，可以更快捷地變更組件和規劃布局，大幅減少工程師用于CAD建模和籌劃運動算法的時間。

（3）可視化與交互性。機器人智能工廠虛擬仿真提供了良好的模型顯示環境，具有可視化方面的優勢，實現交互式設計。

3.智能工廠虛擬仿真教學的特點

（1）工業級標準。能夠實現虛擬仿真環境體現企業生產的真實狀況，實現無縫連接。

（2）具有二次開發能力。可以根據教學實際，自主創建虛擬設備與環境，實現教學內容的多樣性。

（3）虛實結合。可以實現軟件到實物的互聯互通，構建虛實轉化有效橋梁。

（4）教學資源豐富。有成熟的與企業應用實際相一致的教學資源庫。

三、工業機器人生產線虛擬仿真教學設想

在國家大力推進制造業的背景下，工業機器人生產線技術得到了飛躍式發展，智能化與綜合化是未來企業發展的趨勢，因此，引進工業級的自動化生產綜合應用虛擬平臺，提升學校辦學綜合能力，加快工業機器人應用與維護人才培養，才能更好地滿足企業對技術技能人才的需求。

職業教育是制造業一線技術技能人才的主要來源之一，提升制造業領域技術技能人才培養能力，優化辦學專業結構，調整相關課程，是職業院校當務之急。概而言之，應從以下三個方面進行：一是開設工業機器人應用與維護專業，配合學校現有數控機床和工業機器人實體，引進工業機器人電氣與機械裝調軟件，進行教學技術整合;二是進行教學技術整合與生產實際加工工件相結合，擬定實施教學計劃、教學大綱及相關課題，進行相關生產線的工藝流程規劃、生產線虛擬搭建、設備控制調試等工作教學環節;三是校企合作，讓學生走出去，進行企業認知實踐活動，進一步熟悉工業機器人生產線操作平臺。教學具體設想有以下幾個方面。

一是引進工業級綜合應用虛擬仿真軟件，進一步完善工業機器人應用與維護專業教學體系，促進工業機器人應用與維護專業向智能制造領域邁進，提升辦學能力。

二是為滿足工業機器人人才培養的要求，突出操作能力培養，進行理論實踐和虛擬實際一體化教學，使教學與企業生產緊密結合。

三是在課題教學實施過程中，開展校企合作，做好軟件功能的二次開發，進行虛擬與生產實際對接，充分利用好現有教學軟件、硬件資源，進行產品零件加工，降低教學純消耗成本。

四是在工業機器人人才培養模式方面實施產教融合、訂單式培養，校企“雙元”育人。“雙元”即理論—實踐，學校—企業，思維—動手，集中體現在對操作技能訓練的認知實踐活動。現代產業要求技工院校培養的人才是高質量技能人才，高質量主要指具有高水平操作技能，它是基礎知識、心理過程、操作行為三者的有機結合，此外還應有良好的思想品德、端正的勞動態度和優秀的團結協作能力等作為保證。

四、工業機器人生產線虛擬仿真教學實踐

工業機器人生產線虛擬仿真教學要求學生掌握的內容多而復雜，因此是一種對綜合性能力的培養。要根據教學目標、教學內容、教學對象和教學條件，采用理實一體化教學模式，以技術技能操作教學為主線，有針對性地為學生進行相關理論知識的講解。

教學案例：

課題 ?工業機器人生產線虛擬仿真

教學目的：1.通過虛擬工廠網絡教學壓實產教融合;

2.通過系統集成性的思維培養，讓學生感受生產線過程;

3.了解智能制造系統的使用和技術技能操作過程。

教學重點：突出工業機器人生產線虛擬仿真技術技能操作。

教學難點：系統集成性的思維培養。

實習實訓內容及要求：

按照設備數量，以小組為單位，每組3～4人，組內成員分別負責工藝流程規劃，生產線搭建，設備編程虛擬調試等工作;在生產線搭建過程中，將所搭建的生產線與學校現有工業機器人生產線虛擬仿真技術結合。

實習實訓步驟：

1.典型工作任務描述和布置工作任務

（1）任務描述：某步進電動機生產廠家，準備購置一套步進電動機自動生產線，要求該生產線項目能夠實現工業機器人生產線虛擬仿真。

（2）布置工作任務：某步進電機生產制造商，需要一套工業機器人生產步進電動機的生產線，生產線可以對步進電動機進行裝配與性能測試，該裝配線主要由3臺6軸工業機器人、4臺直角坐標機器人、1條物流線、2輛AGV小車和1套總控系統組成，該生產線能夠實現步進電動機的零件加工、組裝、檢測、包裝、物流倉儲等所有生產工序。現根據客戶要求，完成工業機器人生產線虛擬仿真工作任務。

通過描述智能工廠的功能、結構、組成和特點等，引導學生明確工作內容。場地布置如圖所示。

2.根據任務進行虛擬工業現場流程規劃

學生小組閱讀實訓任務單，查閱作業指導書，明確工作的內容、要求和安全注意事項等，以小組合作的方式，按照流程、任務要求和安全作業規范制訂工作計劃進度表。分析在實訓過程中需嚴格執行的安全生產制度、環境保護制度、GB/T 20868（工業機器人性能試驗實施規范）、 GB/T 20867（工業機器人安全實施規范）、GB/T 5226（工業機器人機械電氣安全標準）技術標準及“6S”等管理要求。

3.搭建工業現場虛擬環境，建立工業機器人系統，創建相應組件

根據實際任務要求及現場流程規劃。從機器人庫導入相應的機器人模型，對機器人工具、外圍設備進行相應的補充完善和建模、導入;建立具有與實際工業現場工作過程相符合的活動組件，進行導入;創建整個生產線系統的機器人系統，完成虛擬仿真的場景布置，為后續離線編程做好前期準備工作。

相關知識講解：ABB RobotStudio計算機仿真軟件基本操作方法。

4.根據現場流程規劃，配置組件相應的I/0信號，模擬連接測試

基于智能工廠的系統建立之上，對工業機器人工作站系統參數進行設定。先建立工業機器人與PLC的模擬通訊，配置工業機器人與PLC及外圍設備的I/O信號，對I/O進行模擬仿真置位、復位，測試模擬連接的準確性，為工業機器人的離線編程設置I/O信號。

相關知識講解：配置I/O方法。

5.根據生產線工藝要求，完成工業機器人編程

按照工作任務描述中的工作流程，對每個工藝的過程進行單獨分析，分解工業機器人的工作路徑，對工業機器人的運動軌跡進行合理的規劃，采用虛擬示教與軌跡編程結合的方式完成工業機器人的每個工藝的編程，之后要對工業機器人與相應工藝外圍設備的配合度進行調整。

相關知識講解：坐標系標定、程序導入、示教目標點確定。

6.對虛擬生產線進行仿真驗證

在每個工藝過程可以單獨完成運行后，要對整個虛擬生產線進行過程仿真，測試虛擬生產線的生產過程。若不能完成工件的模擬制造，要及時對工藝過程的銜接性進行調整與測試。

7.優化虛擬生產線流程，調整虛擬生產線節拍

通過對虛擬結果的分析與測試，對虛擬生產線流程進行試驗。首先優化虛擬生產線的生產流程，進行流程內容調整，使相應工藝生產節拍一致，對仿真環境或離線編程的內容要做修改;然后再次進行試驗，經試驗仿真無誤后，對虛擬生產線的仿真內容進行封裝打包。

8.學生實習實訓進行評價及總結

以小組為單位擬定展示方案及步驟，對照客戶要求進行實際展示及評價。結合實習實訓結果，對課題實訓內容進行總結，填寫相應的實習實訓報告，總結本次實習實訓課題的得與失。

（三）教學反思

通過本課題教學，基本達到了預期目的，76%的學生對工業級標準、二次開發、虛實結合等概念有了初步的認識，24%的學生對學習不感興趣，其原因是基礎知識掌握得不扎實，學習過程中存在困難。以后的教學中應該注意的問題：一是對基礎差的學生，教師應進行針對性的補課;二是教師必須對二次開發、虛實結合、數學資源庫等教學內容熟練掌握，這樣才能在授課時做到游刃有余，收到良好的教學效果。

五、工業機器人生產線虛擬仿真教學的探討

1.工業機器人生產線虛擬仿真教學的優點

一是壓實產教融合，不出校門便將新技術、新工藝、新規范納入教學標準和教學內容，強化了學生實習實訓的教學目的。二是對學生進行了系統性思維培養，使學生對全局工程思維有所感知，并對設計及技術技能操作有了初步認知與實踐。三是智能工廠仿真技術的教學能夠提高學生的學習興趣，使學生清楚所學的知識將如何被應用到現實工程中。四是有助于對學生的職業規劃指導，能夠讓學生了解自己的未來職業發展及側重方向，從而在學習過程中主動地、廣泛地學習相關知識，而不限于課堂學習本身。五是教學過程中學生和設備的安全性較為可靠。六是可節約大量設備購置經費，而且實習實訓場地占地面積小。

2.工業機器人生產線虛擬仿真教學的完善

一是加大教學投入，購置工業機器人綜合應用虛擬仿真軟件，增加工作點。二是充分發揮校企合作平臺的作用，結合學校實際情況做好軟件二次開發。三是針對軟件功能，結合學生學習情況，進一步加強教學資源開發，開發包括教材、微課、視頻、課件等配套課程資源的建設。四是充分利用工業機器人綜合應用仿真平臺，把企業相關技術人員請進學校，加強師資隊伍建設，提高教學質量。

綜上所述，當前我國制造業發展迅速，技工院校應與時俱進，依據制造業的發展現狀和前景，按照《國家職業教育改革實施方案》（國發〔2019〕4號）“適應‘互聯網+職業教育發展需求，運用現代信息技術改進教學方式方法，推進虛擬工廠等網絡學習空間建設和普遍應用”的要求，高度重視虛擬仿真教學的發展，加快工業機器人生產線虛擬仿真教學步伐，加強工業機器人生產線虛擬仿真教學實踐。技工院校教學要對接制造強國建設戰略任務和重點領域，提升人才服務先進制造業發展的能力，健全多層次多類型人才培養體系，進一步提高人才培養的前瞻性、引領性和針對性，不斷優化人才發展環境，為實現中國制造由大變強的戰略任務提供堅實的人才支撐。

參考文獻：

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[4]蘭虎.工業機器人技術及應用[M].北京：機械工業出版社.2017.

[5]中華人民共和國國務院.關于印發國家職業教育改革實施方案的通知[Z].2019.

（作者單位：天津市機電工藝學院）