新職業視域下重構工業機器人虛擬仿真課程資源探析

劉海燕，蘇 宇*，蘇 磊

（1.廣西科技大學，廣西 柳州 545006；2.柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

一、新職業與新職業教育

職業分類是反映經濟結構特別是產業結構變化以及人口、就業結構變化的政策手段。[1-2]2019年4月，國家人社部、國家統計局、國家市場監管總局三大部門聯合發布了13個新職業信息，其中，工業機器人系統操作員和工業機器人系統運維員作為工業機器人的兩個新職業受到越來越多人的關注。新職業的發布，相應地會要求新的職業教育模式，從而加快改革發展，與之相對接。不同于傳統教育存在的封閉化、缺乏實踐經驗以及對于時間嚴苛要求等問題，新職業教育具有持續化學習，智能化、碎片化、個性化等特點，注重培養能夠適應社會需求的職業化人才，真正做到學以致用，用以治學。從工業機器人系統操作員與工業機器人系統運維員新職業定義標準中提煉兩種新職業的綜合要求（如圖1所示），可以看出工業機器人系統操作員強調的是前端的軟件應用、操作與編程，而工業機器人系統運維員則強調后端的硬件開發、調試與維護。

圖1兩種新職業對比

二、工業機器人各層次人才需求現狀

對于開設工業機器人專業的高職以上院校來說，或多或少都存在工業機器人專業人才培養目標不清晰、各層次人才培養培育體系不完善、工業機器人開發與應用企業的職業崗位定位不明確等諸多問題。[3-7]在工業機器人開發與應用產業鏈上，對工業機器人的人才層次和人才類型等現實問題都缺乏系統的研究。[8-13]目前活躍在工業機器人市場上的技術技能型人才主要來源于以下三種類型：第一種是自動化專業畢業生，可以從事工業機器人開發、伺服驅動技術和電氣裝配等相關職業；第二種是機電一體化相關專業畢業生，可以從事工業機器人結構、系統集成應用等相關職業；第三種是原有的技術技能型人才，通過再培訓適應工業機器人新崗位的職業需求。

在工業機器人專業人才需求上，需求量最大的還是基礎操作及維護人員，以及掌握工業機器人應用技術的調試工程師和更高層次的應用工程師。專業型人才的巨大缺口成為阻礙工業機器人產業發展的最主要因素。而那些已經完成自動化生產線升級改造的企業，面臨生產線系統的調試維護和工業機器人后期維護的成本等一系列問題。而目前相應的人才儲備數量和質量卻捉襟見肘。這就要求教育系統要與時俱進，制定切實可行的人才培養方案，建設工業機器人人才培養體系，提高與優化教學實驗實訓環境的使用水平，培育大批的工業機器人專業技術技能型人才。

三、工業機器人離線編程教學優勢

通過ABB開發的RobotStudio離線編程軟件，可以創建工業機器人典型行業應用工作站，并利用RobotStudio離線編程中的Smart組件的動畫仿真功能，在工業機器人典型行業應用綜合案例工作站中實現物料搬運、機床上下料、集成夾具動作、點焊、弧焊、周邊設備動作等多種動畫效果，使得工業機器人仿真工作站不僅可以與企業實際工作現場、工作任務、工作場景、工作時序等保持一致，還可以在工業機器人教學過程中，使學生能全面掌握典型行業企業應用中的工業機器人安裝、布局、配置與程序調試等方法。[14-18]學生在使用ABB離線編程軟件RobotStudio的學習過程中，可以按照老師的項目式教學要求，對照行業企業典型應用現場開展項目的實施。首先，一步步完成行業企業典型應用現場的設備調研和布局；其次，在RobotStudio軟件中調用各個設備模型完成仿真工作站的創建；再其次，繼續在仿真工作站中創建虛擬I/O系統、Smart組件、工作站的邏輯連接、Rapid程序編譯、目標點示教；最后，實現仿真工作站的調試運行。通過上述工業機器人仿真工作站的項目實施，學生可以清晰地認識到創建工業機器人仿真工作站的整個流程，以及系統配置、機器人編程等要點，在實施過程中強化對所學知識點的理解運用，并且更具有操作性、便捷性和安全性。同時，在學習過程中學生還可以了解機械裝置的運動仿真功能和機器人運動仿真技術，在就業后開展的工業機器人產線布局項目中，利用離線編程技術可大大縮短項目實施周期，提高方案的可靠性和調試工作效率。

在工業機器人離線編程軟件RobotStudio中完全可以對標新職業“工業機器人系統操作員”的要求進行構建，如表1所示。其中PLC可編程控制器作為外部控制設備，同樣可以在RobotStudio離線編程軟件的Smart組件中加以實現；對企業現場的設備進行組態的軟件，同樣可以RobotStudio離線編程軟件中的IO邏輯鏈接加以實現。如果想實現工業機器人的遠程控制，則可以通過在Visual Studio軟件中添加ABB機器人動態鏈接庫，使用C#語言編寫上位機應用程序實現對RobotStudio離線編程軟件中的ABB機器人的遠程控制。而對于單元功能調試和生產聯調，同樣在RobotStudio離線編程軟件中通過機器人目標點示教、程序編譯、路徑規劃、更換夾具、Smart組件功能、各工作單元的IO邏輯鏈接等操作，對建模布局后的工作站實現聯調。

表1新職業和RobotStudio離線編程的知識點對比矩陣表

四、新職業下重構工業機器人虛擬仿真教學資源

對標新職業的職業教育模式，深化校企合作，對新職業下的工業機器人專業課程體系進行重構，促進創新型技術技能型人才培養，著力推進工業機器人虛擬仿真課程資源的建設與實踐，并將相應成熟的研究成果向區內中高職學校進行推廣，成為當務之急。本研究將以操作為主的技能培養模式，轉變為以開發重構與典型工業現場一致的虛擬仿真教學環境及教學資源，來促進職業教育“雙師型”師資隊伍建設的目的。

（一）對標兩種新職業，提出新職業教育模式

新職業的興起，對職業教育提出了新的要求。對于工業機器人系統操作員和工業機器人系統運維員這兩種新職業來說，各職業院校在工業機器人等相關專業的設置、課程內容、人才培養等方面，都不同程度地存在與制造業需求和技術發展脫節的現象。隨著我國制造業產業不斷升級、經濟結構不斷調整，緊跟行業企業的職業教育必須盡快適應科技發展趨勢和市場的需求，對職業教育的現狀也將提升到更新、更綜合的領域，這對職業教育而言是個巨大的挑戰。恩格斯說：“社會一旦有技術上的需要，這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。”①在此形勢下，對標工業機器人系統操作員和工業機器人系統運維員這兩種新職業，通過互聯網平臺、行業企業、職業教育等多元主體共同參與的模式，共同構建一個校企深度融合的新職業教育教學環境，已是大勢所趨。

（二）分析工業機器人專業的職業性能

進入工業機器人行業，每天要跟工業機器人及外圍設備打交道，實用性、操作性極強，如果不會動手操作，那么一切都是紙上談兵。工業機器人需要掌握以下知識面。

（1）機械類基礎技能：要求能看懂機械圖紙；會使用二維和三維軟件制圖，可以完成機械部件的設計工作；完成關鍵性部件的結構分析工作；具備行業內的專業知識等。

（2）機器人專業理論知識：掌握機器人運動中的數學計算，涉及空間描述、廣義坐標、運動學、動力學、軌跡生成、控制學等相應的理論知識。

（3）機器人本體及編程：了解某些特定品牌的機器人本體結構、故障處理、坐標系應用、安全區域設定、運動指令、邏輯控制指令、機器人案例分析（搬運、碼垛、上下料、焊接、涂膠等）、IO應用等知識。

（4）PLC電氣與編程：工業機器人本體是一個標準設備，需借助周邊設備和工業軟件的配合使用，按照現場實際靈活運用。一個典型的工業機器人工作站，需要工裝夾具、氣缸、氣閥、傳感器、電機、傳送帶、導軌、變位機、機床CNC等外部設備的配合才能完整運行。外圍設備的相互配合，就需要PLC進行控制協調，所以，學會通過工控PLC控制機器人的運行、停止以及程序的選擇等項目集成應用，學會變頻器、伺服電機、變位機等工業設備的控制編程及應用實踐知識等至關重要。

（三）深度融合的校企合作模式，提高協同育人水平

2019年初，國務院印發的《國家職業教育改革實施方案》（國發〔2019〕4號），對進一步強化校企合作，深化產教研融合，拓寬育人渠道，提高人才培養質量和社會服務能力等方面進行了新一輪部署。本研究通過共建課程資源、打造“雙師型”隊伍，使校企雙方充分發揮合作優勢及校企雙主體育人的作用，引入先進辦學理念，通過資源整合，把產業項目轉化為教學案例，以具有行業代表性的典型應用為原型，開發虛擬仿真教學環境和教學資源，以提高工業機器人專業人才的培養質量和水平。

解決工業機器人在生產制造業實際應用的諸多問題，對工業機器人在理論和應用上的研究有著非常重要的意義。本研究基于項目式教學的優勢，利用現有的ABB多功能、多應用實訓系統設備，創建目前工業機器人應用中的三種至六種典型綜合案例。在應用工業機器人集成應用方案的前期設計、規劃和實施上，技術人員往往借助于工業機器人專業離線仿真軟件RobotStudio，對自動化生產線各個設備進行建模、布局及仿真研究。在項目方案實施過程中，通過仿真軟件RobotStudio實現對實際生產過程的動態模擬仿真，不斷調整從而達到更合理的配置規劃目的，同時合理評價自動化生產線的可行性，對降低開發成本、縮短自動化生產線研發周期具有非常重要的作用。

（四）機器人上下料典型案例

當前加工制造行業，常見的是將工業機器人與數控機床CNC組合起來，由工業機器人替換人工后，完成自動化上下料工作，協同作業組成一個小型的柔性智造單元（FMC）。在這樣的行業企業典型應用現場，為提高生產節拍，改由一臺工業機器人給兩臺CNC數控機床進行自動化上下料，這就需要在RobotStudio軟件中根據實際工業現場搭建自動上下料仿真工作站系統，設計ABB機器人對CNC數控車床進行上下料的協同作業。在此工作站中需要依次完成各個設備虛擬IO信號的配置、工業機器人系統配置、目標點Robtarget示教、各個設備邏輯鏈接、Rapid程序編寫及調試，最終完成雙機床自動化上下料的上料-加工-下料-輸送全過程。在課程學習中，學生可以調研工業機器人與數控機床的自動化上下料應用情況，再通過在RobotStudio軟件中雙機床自動上下料虛擬仿真工作站的學習，進一步熟悉工業機器人上下料應用和設備選型布局技巧及上下料程序的編寫技巧。

（五）機器人點焊（含變位機）典型案例

隨著我國汽車行業的快速發展，國內市場競爭加劇和汽車生產線裝備水平的提高，企業對車門點焊的可靠性有了更高的要求。采用工業機器人進行車身點焊，可以大大提高汽車生產線的產能、提高車門強度、降低不良率和人工成本。目前，工業機器人點焊已經成為轎車車門裝配的主要連接方法，且點焊質量與焊接效率對轎車的質量與成本有著重要影響。在機器人應用中，變位機可改變加工工件的姿態，從而增大機器人的工作范圍，在焊接、切割等領域有著廣泛的應用。通過搭建機器人點焊工作站，學生不僅學會創建帶變位機的機器人系統，還能學會創建變位機運動軌跡并仿真運行。

在此工作站中，需要依次完成車門點焊工作站布局、點焊I/O配置、點焊系統的配置、點焊常用數據（點焊設備參數、工藝參數、點焊槍壓力參數）的設置、點焊常用指令（SpotL/SpotJ、SetForce、Calibrate）的使用、點焊程序的調試方法、點焊目標點的示教等，最終完成整個車門工作站的點焊工作過程。通過點焊工作站的學習，使學生熟悉工業機器人點焊基礎知識和應用，學會工業機器人點焊程序的編寫技巧。

本研究為機器人專業的學生提供內容豐富的教學資源，同樣也適合從事工業機器人應用開發、調試、現場維護的工程技術人員學習和參考，特別是已經掌握了ABB機器人基本操作、需要進一步掌握工業機器人工程應用模擬仿真的人員參考。

五、結語

新技術、新經濟、新業態，一定會催生新產業、新崗位，而新的產業和崗位一定需要新的職業教育和對新職教人才提出更高的要求。本文從新職業“工業機器人系統操作員”的職業定義和職業要求出發，提出了在工業機器人離線編程軟件RobotStudio中重構典型工業現場（工業機器人上下料和工業機器人點焊）的教學資源思路。研究深度融合校企合作模式，引領開發工業機器人課程體系建設，不僅有助于培養新職業教育視角下技術技能型人才，培養動手實踐能力強，適應生產、管理、售后等企業需求的人才；而且能提升學生的綜合素質、專業素質，為其從事專業技術工作奠定良好的技能基礎和素質基礎。

注釋：

①在恩格斯著作《致瓦·博爾吉烏斯》中，恩格斯對德國大學生瓦·博爾吉烏斯提出的“技術在很大程度上依賴于科學狀況，那么科學卻在更大更多的程度上依賴于技術的狀況和需要”表示認可，并提出了“社會一旦有技術上的需要，這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進”的論斷。