工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)

【摘要】 為了結(jié)合廣西生產(chǎn)企業(yè)自動(dòng)化改造升級(jí)發(fā)展，文中圍繞機(jī)器人糖包自動(dòng)分揀碼垛等輕工生產(chǎn)企業(yè)自動(dòng)化改造提取和開(kāi)發(fā)教學(xué)資源，將企業(yè)實(shí)踐過(guò)程轉(zhuǎn)化到一體化課程的六步法進(jìn)行闡述，指導(dǎo)學(xué)生能夠在一體化教學(xué)中學(xué)習(xí)機(jī)器人系統(tǒng)集成項(xiàng)目，掌握緊貼工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)技術(shù)發(fā)展的知識(shí)和技能。

【關(guān)鍵詞】 工業(yè)機(jī)器人;自動(dòng)分揀作業(yè);仿真模型

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.05.043

Integrated Development Course of Industrial Robot Virtual Simulation System

GAN Lu

（Guangxi Light Industry Technician College，Nanning 530031，China）

Abstract： In order to combine the automation transformation and upgrading development of Guangxi production enterprises， this paper focuses on the extraction and development of teaching resources for the automation transformation of light industry production enterprises， such as the automatic sorting and palletizing of robot sugar packets， and describes the six step method of transforming the enterprise practice process into the integrated curriculum， so as to guide students to learn the robot system integration project in the integrated teaching， Master the knowledge and skills closely related to the technical development of industrial automation industry.

Key words： industrial robot;automatic sorting operation;simulation model

隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)逐步引入工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化集成系統(tǒng)升級(jí)改造，通過(guò)對(duì)廣西制糖、造紙等輕工類(lèi)生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研，結(jié)合制糖行業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)基于虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)課程，引入一體化教學(xué)模式，探索在模擬仿真企業(yè)情景中完成機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的工學(xué)結(jié)合一體化教學(xué)。

1 開(kāi)發(fā)的意義

目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的項(xiàng)目更新日新月異，對(duì)比廣西機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，如果還是按照固定的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)操項(xiàng)目來(lái)開(kāi)展教學(xué)，已經(jīng)很難適應(yīng)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。而且職業(yè)院校機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的采購(gòu)成本非常高，不利于機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用和教學(xué)。因此開(kāi)發(fā)一套與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)及一體化教學(xué)資源，不但能夠節(jié)約成本，還具有技術(shù)創(chuàng)新性。“虛實(shí)”結(jié)合用于教學(xué)，實(shí)現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的“三位一體”無(wú)縫連接，對(duì)于培養(yǎng)適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)人才具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

2 典型工作任務(wù)的提取

深入廣西豐林木業(yè)有限公司、廣西南南鋁加工有限公司、南寧糖業(yè)香山糖廠、貴糖集團(tuán)等區(qū)內(nèi)多家生產(chǎn)企業(yè)，重點(diǎn)考察基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線改造項(xiàng)目，提取到企業(yè)典型工作任務(wù)4個(gè)，其中制糖企業(yè)基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化分揀碼垛生產(chǎn)線是廣西區(qū)內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用最具普遍性的工作任務(wù)。

針對(duì)糖廠工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)分揀碼垛自動(dòng)化改造項(xiàng)目，利用機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別糖包大小、擺放方位、傳送帶實(shí)時(shí)速度等參數(shù)，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人抓取物品，然后放到碼垛平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)貨物快速、不間斷分揀、碼垛的過(guò)程（見(jiàn)圖1）。在典型任務(wù)中，上承自動(dòng)傳送帶，下接碼垛打包平臺(tái)、自動(dòng)導(dǎo)引傳送帶分揀作業(yè)。在企業(yè)實(shí)踐中，識(shí)別分揀的速率和正確率直接影響生產(chǎn)的效能和節(jié)拍，并間接影響企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)效率。因此，讓學(xué)生掌握好工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)分揀碼垛自動(dòng)化改造項(xiàng)目這一典型工作案例具有重要意義。

開(kāi)展企業(yè)調(diào)研的過(guò)程中，對(duì)南寧糖業(yè)集團(tuán)香山糖廠使用的機(jī)器人分揀碼垛生產(chǎn)線技術(shù)改造項(xiàng)目的各項(xiàng)設(shè)備及性能指標(biāo)逐項(xiàng)記錄及分析，該項(xiàng)目采用的是FANAC M-410型機(jī)器人，具備全自動(dòng)傳送、糖包識(shí)別、機(jī)器人抓取、計(jì)包測(cè)量、自動(dòng)倒袋、自動(dòng)碼垛作業(yè)、自動(dòng)編碼打印、自動(dòng)裝車(chē)等功能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工包裝、搬運(yùn)及碼垛作業(yè)，有效降低碼垛工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升企業(yè)生產(chǎn)效率，減少勞動(dòng)成本。根據(jù)香山糖廠實(shí)際生產(chǎn)線情況，設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)包裝碼垛典型工作任務(wù)，并對(duì)生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制及仿真，典型工作任務(wù)能為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程提供輔助理解與參數(shù)調(diào)試操作，大大減少職業(yè)院校機(jī)器人專(zhuān)業(yè)投入的時(shí)間與成本，針對(duì)目前職業(yè)院校ABB工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)典型工作站和企業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化改造項(xiàng)目，集成六軸機(jī)器人、高速并聯(lián)機(jī)器人、雙臂人形機(jī)器人等設(shè)備，有利于工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)開(kāi)展基于虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程。

3 教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)及轉(zhuǎn)化

通過(guò)廣西南寧糖業(yè)香山糖廠機(jī)器人分揀碼垛生產(chǎn)線項(xiàng)目，總體結(jié)構(gòu)為4條機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線匯入1條機(jī)器人裝車(chē)輸送線，由碼垛機(jī)器人完成碼垛作業(yè)。在典型工作任務(wù)中，一號(hào)匯線輸送機(jī)的糖包、二號(hào)匯線輸送機(jī)的糖包之間的邏輯控制組態(tài)，可避免糖包沖突疊加，引起程序錯(cuò)誤或碼垛機(jī)器人意外損壞。我們?cè)跈C(jī)器人仿真任務(wù)的機(jī)器人程序編寫(xiě)中，要根據(jù)企業(yè)實(shí)際編寫(xiě)開(kāi)發(fā)機(jī)器人程序，但首先要厘清典型工作任務(wù)中的控制邏輯。

3.1 控制邏輯設(shè)計(jì)

香山糖廠成品自動(dòng)化碼垛生產(chǎn)線一共有4條碼垛輸送機(jī)，其中2條輸送帶糖包同時(shí)啟動(dòng)匯線，為避免糖包重疊的現(xiàn)象導(dǎo)致機(jī)器誤操作現(xiàn)象，需要對(duì)碼垛生產(chǎn)線控制邏輯時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

邏輯控制組態(tài)：

1）碼垛輸送線復(fù)位后，優(yōu)先檢測(cè)一號(hào)匯線輸送機(jī)是否輸送糖包信號(hào)反饋，若有執(zhí)行匯線動(dòng)作輸入信號(hào)，碼垛輸送線可屏蔽停止信號(hào)，繼續(xù)等待糖包輸送信號(hào)。

2）檢測(cè)二號(hào)匯線輸送機(jī)有輸送信號(hào)反饋，判斷一號(hào)匯線輸送機(jī)匯線糖包先到，一號(hào)匯線輸送機(jī)可優(yōu)先執(zhí)行系統(tǒng)匯線啟動(dòng)，同時(shí)控制碼垛輸送線后段輸送機(jī)全部停止，邏輯等待匯線完成。

3）判斷一二號(hào)輸送機(jī)糖包同時(shí)到達(dá)，則可執(zhí)行碼垛輸送線匯線的機(jī)器人碼垛工作。兩邊匯線輸送機(jī)也進(jìn)行同樣的邏輯算法判斷。最后碼垛輸送線按順序執(zhí)行至碼垛機(jī)器人，并執(zhí)行碼垛作業(yè)。

制糖業(yè)是24小時(shí)生產(chǎn)連續(xù)性的企業(yè)，機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮多臺(tái)糖包裝車(chē)運(yùn)輸線與多臺(tái)碼垛機(jī)器人之間的生產(chǎn)效率的關(guān)系。為達(dá)到更高效的工作效率，其根本原則是碼垛機(jī)器人生產(chǎn)節(jié)拍略大于裝車(chē)運(yùn)輸線生產(chǎn)的節(jié)拍。按照邏輯時(shí)序，基于機(jī)器人的自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)各邏輯功能必須滿足技術(shù)參數(shù)才能保證控制執(zhí)行的合理、時(shí)序、效率。

3.2 一體化教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化

1）基于機(jī)器人虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)課程的典型工作任務(wù)，能夠根據(jù)機(jī)器人程序中的控制邏輯和指令，利用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的邏輯控制時(shí)序、數(shù)據(jù)模擬信號(hào)來(lái)模擬自動(dòng)化產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)行三維控制，開(kāi)展設(shè)備運(yùn)行參數(shù)調(diào)試和執(zhí)行操作任務(wù)。機(jī)器人仿真系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)與PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，輸入輸出信號(hào)的指令接收和發(fā)送下一步位的數(shù)據(jù)建造，能夠快速有效地形成一個(gè)模擬環(huán)境機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)和仿真環(huán)境之間的有效對(duì)接。機(jī)器人在模擬仿真環(huán)境下，能夠打開(kāi)身體內(nèi)部的數(shù)據(jù)連接和網(wǎng)絡(luò)對(duì)接實(shí)現(xiàn)智能化模擬工程運(yùn)作，完成信息的交換，交流（見(jiàn)圖2）。

2）基于機(jī)器人虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)課程的一體化教學(xué)工作頁(yè)，包括實(shí)操工作手冊(cè)和過(guò)程任務(wù)單兩部分。工作手冊(cè)包含學(xué)生完成工作任務(wù)需要的知識(shí)內(nèi)容，用于學(xué)生自主收集和學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。任務(wù)實(shí)施引導(dǎo)是根據(jù)過(guò)程任務(wù)單開(kāi)展，過(guò)程以教學(xué)資源為基礎(chǔ)進(jìn)行編寫(xiě)，每個(gè)工作任務(wù)的任務(wù)單包含工作布置、課前信息查詢、工作計(jì)劃制訂、實(shí)施過(guò)程記錄與思考、檢查內(nèi)容及記錄、過(guò)程評(píng)價(jià)、任務(wù)思考和創(chuàng)新。

3.3 一體化教學(xué)及仿真教學(xué)開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的探索研究

通過(guò)一年多的課程資源開(kāi)發(fā)和線上下結(jié)合的課程實(shí)踐，基于工業(yè)機(jī)器人糖包自動(dòng)分揀碼垛等輕工企業(yè)自動(dòng)化改造一體化教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)和探索，從機(jī)器人糖包分揀碼垛真實(shí)場(chǎng)景到工學(xué)一體化課程的轉(zhuǎn)化，能夠引導(dǎo)學(xué)生在仿真教學(xué)資源中熟悉機(jī)器人系統(tǒng)集成項(xiàng)目，掌握緊貼工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)技術(shù)發(fā)展的知識(shí)和技能。師生可根據(jù)課程框架和一體化教學(xué)工作頁(yè)（見(jiàn)圖3），并運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)集成虛擬仿真系統(tǒng)，以教學(xué)資源單為引導(dǎo)，探索工學(xué)結(jié)合一體化教學(xué)方式方法，強(qiáng)化教學(xué)實(shí)踐。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題以基于虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程一體化教學(xué)資源開(kāi)發(fā)，模擬企業(yè)實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)改造應(yīng)用中仿真操作和作業(yè)效果，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人控制算法核心控制和邏輯時(shí)序，形成針對(duì)工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)集成課程的“真實(shí)、仿真、調(diào)試、控制”的一體化教學(xué)模式。我們計(jì)劃將教學(xué)資源下一步的應(yīng)用環(huán)境能夠增加機(jī)器人焊接、生產(chǎn)組裝、搬運(yùn)、視覺(jué)識(shí)別與多機(jī)協(xié)同作業(yè)等，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中調(diào)試程序，又可在真實(shí)平臺(tái)下感受實(shí)際應(yīng)用中工業(yè)機(jī)器人集成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的流程，對(duì)于提高機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用課程的一體化教學(xué)質(zhì)量及機(jī)器人專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)具有重要價(jià)值和意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張姣.虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索與實(shí)踐[J].南方農(nóng)機(jī)，2021（13）：160-161.

[2] 周佳杰，肖莉莉.高職院校工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)[J].中阿科技論壇（中英文），2021（6）：158-160.

[3] 陳磊，張建榮，郭金妹.基于高職院校的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程的開(kāi)發(fā)研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（1）：37-39.

【作者簡(jiǎn)介】

甘路，男，1984年出生，講師，學(xué)士，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。