基于虛擬仿真技術(shù)的1+X證書考核內(nèi)容設(shè)計(jì)思路研究
——以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程技能等級(jí)證書為例

盧 帆

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710026）

隨著2019年初國(guó)務(wù)院頒發(fā)《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》后，職業(yè)院校開始對(duì)1+X證書職業(yè)技能等級(jí)考核模式進(jìn)行研究與探索，并應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)。1+X證書考核制度的施行，用到大量新的考核設(shè)備，而工業(yè)機(jī)器人作為職業(yè)教育研究的重點(diǎn)方向，包含《工業(yè)機(jī)器人操作與編程職業(yè)技能等級(jí)證書》《工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)職業(yè)技能等級(jí)證書》和《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)證書》等職業(yè)技能證書。這四個(gè)等級(jí)證書的考核，必須搭配使用工業(yè)機(jī)器人工作站展開考核工作。對(duì)高校而言，需要加大設(shè)備投入，尤其是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面，增加了院校辦學(xué)經(jīng)費(fèi)的壓力。為此，在明確職業(yè)技能等級(jí)證書考核要求，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與編程作為核心的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)開設(shè)虛擬仿真課程，讓學(xué)生感受X證書考試考核過(guò)程，然后結(jié)合1+X證書制度與工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體考核內(nèi)容的設(shè)計(jì)，從而可以減輕院校教學(xué)經(jīng)費(fèi)壓力。

1 工業(yè)機(jī)器人職業(yè)技能等級(jí)證書考核要求

工業(yè)機(jī)器人編程職業(yè)技能的考核等級(jí)分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)。初級(jí)職業(yè)技能要求：第一，在操作中嚴(yán)格遵守相關(guān)工業(yè)機(jī)器人安全操作規(guī)范；第二，根據(jù)相關(guān)操作技術(shù)文件中的要求開展工業(yè)機(jī)器人的安裝調(diào)試工作；第三，以機(jī)器人本體維護(hù)手冊(cè)為依據(jù)開展保養(yǎng)和維護(hù)工作；第四，要求工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行中能夠具備基本程序操作能力。中級(jí)職業(yè)技能要求：第一，遵守工業(yè)機(jī)器人安全操作規(guī)范；第二，結(jié)合技術(shù)文件內(nèi)容安裝、調(diào)試及標(biāo)定工業(yè)機(jī)器人；第三，設(shè)定機(jī)器人操作基本參數(shù)，并落實(shí)示教編程和操作；第四，加強(qiáng)對(duì)機(jī)器人本體維護(hù)操作力度，對(duì)常見故障進(jìn)行處理。高級(jí)職業(yè)技能要求：第一，以相關(guān)工業(yè)機(jī)器人安全操作規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)展開操作；第二，開展對(duì)機(jī)器人操作過(guò)程安裝、調(diào)試及標(biāo)定；第三，提高對(duì)復(fù)雜工業(yè)機(jī)器人程序的關(guān)注，落實(shí)工程操作、編程和調(diào)整工作；第四，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，并對(duì)存在的故障和異常進(jìn)行處理。

工業(yè)機(jī)器人編程職業(yè)技能等級(jí)的考核，應(yīng)從工業(yè)機(jī)器人操作方面入手，從初期安裝、調(diào)試開始，通過(guò)對(duì)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)編程方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)需要重點(diǎn)思考X證書中級(jí)要求，關(guān)注工業(yè)機(jī)器人編程方式，并基于計(jì)算機(jī)設(shè)備，采用虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)行機(jī)器人仿真編程[1]。

2 工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)已經(jīng)取得了一定成效，但也存在不足，具體表現(xiàn)在以下幾方面。一是我國(guó)2013年在工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)方面已經(jīng)居于全球首位，2018年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人安裝量達(dá)到15.4萬(wàn)臺(tái)，在全球裝機(jī)量中占36%。二是分析2020年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)已有707所高職院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)，并開始落實(shí)工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐應(yīng)用能力實(shí)訓(xùn)教學(xué)。三是在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容主要圍繞實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書、實(shí)訓(xùn)任務(wù)書以及相關(guān)教學(xué)大綱展開。不足之處在于，在實(shí)際實(shí)訓(xùn)教學(xué)期間，利用現(xiàn)有教學(xué)資料難以確保實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與企業(yè)規(guī)范、職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，難以將企業(yè)新技術(shù)、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，進(jìn)而導(dǎo)致教學(xué)工作脫離于生產(chǎn)實(shí)際。另外，由于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)設(shè)備成本較高，且教學(xué)實(shí)訓(xùn)占據(jù)較大面積，存在較高安全風(fēng)險(xiǎn)，多數(shù)高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件難以達(dá)到相應(yīng)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地出現(xiàn)設(shè)備品種單一、設(shè)備數(shù)量不足等問(wèn)題，學(xué)生缺乏實(shí)踐操作機(jī)會(huì)。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度較高的工業(yè)機(jī)器人操作中難以滿足學(xué)生拆裝實(shí)訓(xùn)需求，學(xué)生難以切實(shí)了解工作機(jī)器人工作原理。綜合來(lái)看，受工業(yè)機(jī)器人教育教學(xué)滯后的影響，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人操作維護(hù)、系統(tǒng)安裝調(diào)試以及系統(tǒng)集成等方面存在較大人才缺口。

3 基于虛擬仿真技術(shù)的1+X證書考核內(nèi)容分析

3.1 1+X證書制度概述

隨著職業(yè)院校教學(xué)改革工作的開展，以及國(guó)家相關(guān)教育政策的變化，1+X證書制度得到了推廣和實(shí)施。1+X證書制度中，“1”為專業(yè)學(xué)歷教育證書，“X”為學(xué)歷教育之外職業(yè)技能水平證書。職業(yè)院校在校生在完成自身相關(guān)教育時(shí)，為保證自身就業(yè)能力以及行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，還需要通過(guò)學(xué)習(xí)，獲得更多的職業(yè)技能等級(jí)證書。同時(shí)，1+X證書也逐漸成了學(xué)校進(jìn)行人才技能等級(jí)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一，是對(duì)相關(guān)人員培訓(xùn)學(xué)習(xí)結(jié)果的一種認(rèn)可。在現(xiàn)代化職業(yè)院校教育工作中，行業(yè)普遍對(duì)X執(zhí)業(yè)證書高度認(rèn)可和重視，X證書作為學(xué)生本身學(xué)歷證書外的補(bǔ)充教育證明，不僅表明了學(xué)生經(jīng)過(guò)了職業(yè)素養(yǎng)的強(qiáng)化和拓展學(xué)習(xí)，并且通過(guò)兩種證書的相互銜接與融合，有利于解決教學(xué)脫離實(shí)際、專業(yè)偏離職業(yè)方面的問(wèn)題，可以緩解學(xué)校教育與社會(huì)需求脫節(jié)的矛盾，幫助學(xué)生快速適應(yīng)社會(huì)，能夠推動(dòng)開展高職教學(xué)的創(chuàng)新工作。推行1+X證書制度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高職學(xué)生職業(yè)技能和專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[2]。

3.2 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)機(jī)器人職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指的是根據(jù)職業(yè)種類和工種進(jìn)行劃分，分析與評(píng)價(jià)工種涉及到的知識(shí)和相關(guān)技能水平。目前，工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域及相關(guān)企業(yè)共同發(fā)布了應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人編程技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。需要掌握的職業(yè)能力包含以下方面：（1）遵守安全操作規(guī)范，科學(xué)合理設(shè)定工業(yè)機(jī)器人單元參數(shù)；（2）做好對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其外圍常用設(shè)備控制工作；（3）嚴(yán)格按照相關(guān)工作要求，對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用單元程序展開編程；（4）結(jié)合實(shí)際情況建立虛擬仿真工作站，并通過(guò)離線編程方式設(shè)計(jì)典型工業(yè)機(jī)器人單元；（5）要求技能人員能夠掌握工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作與工業(yè)機(jī)器人單元離線編程技能，落實(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及仿真和運(yùn)維等工作[3]。

3.3 1+X證書考核內(nèi)容設(shè)計(jì)思路

職業(yè)院校對(duì)1+X證書制度相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要結(jié)合當(dāng)下科技發(fā)展趨勢(shì)，并與生產(chǎn)服務(wù)的一線崗位和就業(yè)市場(chǎng)需求相對(duì)接，以此彌補(bǔ)傳統(tǒng)考核內(nèi)容設(shè)計(jì)中存在的不足，提升考核的針對(duì)性、先進(jìn)性、適應(yīng)性以及靈活性。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)高等職業(yè)考核內(nèi)容編寫工作提出新的要求。首先，在考核內(nèi)容設(shè)計(jì)上，應(yīng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)單一的考核方式，向多元化方向轉(zhuǎn)變。現(xiàn)階段在考核內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，多是學(xué)校、企業(yè)聯(lián)手，教師深入企業(yè)考察調(diào)研，而后進(jìn)行考核內(nèi)容設(shè)計(jì)，不僅可以準(zhǔn)確總結(jié)和體現(xiàn)崗位的知識(shí)需求，而且能配合企業(yè)相關(guān)人員進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)，共同開展考核工作，提高內(nèi)容設(shè)計(jì)的合理性。其次，1+X證書考核內(nèi)容設(shè)計(jì)中，應(yīng)將立足點(diǎn)由“知識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳芰Α保⒔Y(jié)合X證書標(biāo)準(zhǔn)，著力于職業(yè)技能培養(yǎng)。將1+X證書中涉及的職業(yè)素養(yǎng)和基礎(chǔ)知識(shí)教育等方面內(nèi)容融入教材中，對(duì)各種教學(xué)資源進(jìn)行統(tǒng)籌。在掌握職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，將考核內(nèi)容與專業(yè)教學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)相融合，保證考核內(nèi)容中相關(guān)項(xiàng)目任務(wù)與證書中相關(guān)工作領(lǐng)域以及學(xué)習(xí)情景相對(duì)應(yīng)。結(jié)合證書考核要求確定具體內(nèi)容，讓學(xué)生完成相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)后參與證書考核，無(wú)需進(jìn)行額外證書培訓(xùn)，可促使考核內(nèi)容設(shè)計(jì)工作得到落實(shí)。最后，改變傳統(tǒng)知識(shí)考核方式，重視對(duì)現(xiàn)代化多媒體設(shè)備的利用，借助現(xiàn)代化信息系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，能夠滿足新時(shí)期職業(yè)院校學(xué)生對(duì)海量知識(shí)和學(xué)習(xí)內(nèi)容的需求。此外，在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程1+X證書考核內(nèi)容的設(shè)計(jì)開發(fā)中，還需要加強(qiáng)以下方面內(nèi)容研究：（1）關(guān)注1+X證書中工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程以及相關(guān)設(shè)備工藝，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)研究實(shí)現(xiàn)設(shè)備價(jià)值最大化；（2）對(duì)1+X證書制度下工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程設(shè)備孿生體數(shù)據(jù)鏈路，展開可行性與可靠性研究：（3）對(duì)工業(yè)機(jī)器人PLC程序以及程序虛擬調(diào)試機(jī)制展開研究；（4）重點(diǎn)研究1+X證書制度下，高職院校學(xué)生的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)學(xué)習(xí)進(jìn)程[4]。

3.4 基于虛擬仿真技術(shù)的1+X證書考核內(nèi)容設(shè)計(jì)思路

在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程技能等級(jí)證書考核內(nèi)容的設(shè)計(jì)中，應(yīng)基于仿真模擬技術(shù)展開對(duì)仿真虛擬環(huán)境中相關(guān)設(shè)備、仿真通信以及仿真輸出等環(huán)節(jié)配置，在滿足工作站功能等方面要求前提下，減少設(shè)計(jì)成本。同時(shí)借助SolidWorks建模軟件進(jìn)行建模，可以導(dǎo)入方式進(jìn)行工作站搭建。借助實(shí)時(shí)仿真方式，模擬裝配工作開展期間相關(guān)軌跡以及過(guò)程中存在的不合理操作，以便于提前了解可能發(fā)生碰撞事件的原因，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)內(nèi)容控制。如圖1所示，具體工作過(guò)程應(yīng)從以下方面進(jìn)行考慮。

3.4.1 裝配流程

在仿真模擬軟件中，設(shè)置了機(jī)器人模型庫(kù)。為實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的仿真，只需在軟件中導(dǎo)入機(jī)器人及其工作站系統(tǒng)，并導(dǎo)入其他相關(guān)模型，便可通過(guò)模擬軟件進(jìn)行建模。本次工作站模型包含立體倉(cāng)庫(kù)、工作站平臺(tái)、變位機(jī)和快換夾爪等[5]。

在具體裝配過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照不同工件順序進(jìn)行配置，將工件命名為Ⅰ至Ⅵ號(hào)，其中Ⅰ號(hào)工件需要在裝配前，將其放置于工作站立體倉(cāng)庫(kù)上，而Ⅱ至Ⅵ號(hào)工件應(yīng)在碼盤中放置，然后根據(jù)順序進(jìn)行零件裝配。零件的裝配順序?yàn)椤茫?）對(duì)于Ⅰ號(hào)工件利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抓取，并將其放置于變位機(jī)上，利用變位機(jī)中氣缸進(jìn)行定位；（2）將工作碼盤中的Ⅲ號(hào)工件與Ⅳ號(hào)工件搬運(yùn)至Ⅱ號(hào)工件位置處；（3）Ⅱ號(hào)工件裝配結(jié)束后，在質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)前提下，將該工件整體搬運(yùn)至變位機(jī)上的Ⅰ號(hào)工件中；（4）搬運(yùn)工作碼盤中V號(hào)工件，并將其放置于I號(hào)工件中；（5）變位機(jī)旋轉(zhuǎn)20°，并裝配V號(hào)工件；（6）抓取Ⅵ號(hào)工件，將其放置于Ⅰ號(hào)工件中，旋轉(zhuǎn)90°，檢查零件狀況，確保其處于擰緊狀態(tài)；（7）將裝配好零件的變位機(jī)整體搬運(yùn)至立體倉(cāng)庫(kù)，并等待進(jìn)入下一階段[6]。

3.4.2 快換夾爪

在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程考核的工作站搭建過(guò)程中，需要關(guān)注對(duì)工業(yè)機(jī)器人快換夾爪的設(shè)計(jì)，快換夾爪包含基座、夾爪和吸盤三部分。抓取工具設(shè)置時(shí)，應(yīng)將零件安裝于機(jī)器人肢體上，并利用軟件設(shè)計(jì)機(jī)械裝置。于“鏈接”中增加手爪裝置，將“L1”設(shè)置為“BaseLink”，并于接點(diǎn)關(guān)鍵位置J1、J2部分，利用夾爪的夾取動(dòng)作，選擇與夾爪移動(dòng)方向平衡的方向。然后通過(guò)建立工具數(shù)據(jù)庫(kù)確定工具坐標(biāo)，并于夾爪吸盤末端建立坐標(biāo)系，以便于觀察機(jī)械工具坐標(biāo)系中相關(guān)運(yùn)動(dòng)工具姿態(tài)，對(duì)工具使用狀況進(jìn)行調(diào)整，從而保證插補(bǔ)命令狀態(tài)下機(jī)器人運(yùn)算軌跡的清晰程度[7]。

3.4.3 I/O信息與Smart組件裝配

在具體進(jìn)行組件配置中，為確保配置到位，需要從以下方面進(jìn)行考慮。首先，在仿真模擬軟件中配置虛擬示教器和相關(guān)Smart組件等I/O配件。并在工作站中配置I/O，包含吸盤吸取信號(hào)和旋轉(zhuǎn)信號(hào)等，具體配置如表1所示。

表1 工作站主要I/O配置

其次，快換手爪組件配置。快換手爪配置必須具備以下功能：（1）利用工作站可實(shí)現(xiàn)對(duì)手爪控制；（2）借助快換手爪進(jìn)而迅速抓取或拆除工作。手爪控制中涉及到的組件包含：一個(gè)“LineSensor”，主要用于檢測(cè)工間件是否靠近，能夠通過(guò)感應(yīng)功能確定抓取范圍；兩個(gè)“PlaneSensor”，主要用于實(shí)現(xiàn)抓取功能，在爪接觸到工件表面后借助其功能，便會(huì)進(jìn)行抓取動(dòng)作，并且會(huì)暫停靠近，能夠有效避免出現(xiàn)穿模現(xiàn)象。利用“Attacher”和“Detacher”組件可拆卸工件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作同步。“JointMover”主要是用于夾取動(dòng)作的動(dòng)畫模擬。而吸盤組裝中需要采用“Attacher”“Detacher”以及“LineSensor”。最后，進(jìn)行變位機(jī)Smart裝置配置。在工作站中涉及到的變位機(jī)，要求必須具備加緊固定工件等功能，工件裝配與手抓環(huán)節(jié)組裝配置過(guò)程相近，并且變位機(jī)不僅需要“Atta cher”“Detacher”“JointMover”“PlaneSensor”組 件，并且還需要配置一個(gè)“LogicGate”[OR]，延時(shí)為0.1秒[8]。

3.4.4 系統(tǒng)離線編程

建立工作站模型，利用仿真模擬軟件，在機(jī)器人示教中進(jìn)行功能定位，并利用虛擬示教器展開離線編程。工業(yè)機(jī)器人程序中包含一個(gè)主要模板和多個(gè)子模塊，能夠?yàn)橛脩粽{(diào)用信息提供便利，并且能進(jìn)行快速修改，還可結(jié)合工作站實(shí)際需求設(shè)置運(yùn)行方式。以某項(xiàng)離線系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)為例，工業(yè)機(jī)器人主要任務(wù)是取出庫(kù)存中的工件并進(jìn)行組裝，要求在運(yùn)行至最后一個(gè)工件時(shí)，變位機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，便于進(jìn)行工件安裝。在整個(gè)過(guò)程中，需要搬運(yùn)并組裝六個(gè)工件，入庫(kù)后介入整個(gè)工作流程[9]。

3.4.5 仿真過(guò)程

對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行編程后，可點(diǎn)擊“仿真”按鍵，執(zhí)行操作程序。且在此次仿真中，為保證整個(gè)過(guò)程與實(shí)際情況更加接近，還應(yīng)增加“LinearMover”組件，實(shí)現(xiàn)工件間的聯(lián)動(dòng)，借助“Attacher”組件將不同工件屬性連接起來(lái)，使其成為一個(gè)整體，并經(jīng)由虛擬示教器發(fā)出I/O信號(hào)，避免出現(xiàn)搬運(yùn)單個(gè)工件的現(xiàn)象[10]。

3.4.6 實(shí)際應(yīng)用效果

在進(jìn)行1+X證書考核內(nèi)容設(shè)計(jì)的過(guò)程中，借助工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)，加快工業(yè)機(jī)器人考核工作站的構(gòu)建，并借助虛擬配置I/O信號(hào)端口和Smart組件等，結(jié)合具體設(shè)計(jì)思路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作站工作情況的模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)1+X證書考核內(nèi)容的設(shè)計(jì)，能更好地發(fā)揮自身作用和功能，滿足考核設(shè)計(jì)工作開展的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，機(jī)器人考核期間，四個(gè)對(duì)應(yīng)專業(yè)X技能等級(jí)證書均采用了虛擬仿真技術(shù)，能夠基本滿足考核需求。采用虛擬仿真技術(shù)展開考核，能夠在極大程度上降低教學(xué)設(shè)備采購(gòu)成本，并為教學(xué)工作開展提供便利，可提高考核內(nèi)容直觀性，便于學(xué)生快速理解工業(yè)機(jī)器人操作過(guò)程以及編程內(nèi)容，能夠加強(qiáng)其對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容的理解程度。