虛實結合的工業機器人考核平臺設計研究

摘" 要：針對工業機器人1+X證書培訓中存在的設備昂貴、設備數量不足、訓練不夠等問題，構建工業機器人應用編程1+X證書考核虛擬仿真平臺。仿真平臺在軟件RobotStudio的基礎上構建，導入在UG中生成的相關周邊設備三維模型，將適合仿真完成的部分抽離出來，實現關節的裝配和倉儲的工藝流程。在RobotStudio軟件中完成工業機器人的離線編程，在博圖軟件中設計PLC程序，通過PLCSIM Advanced進行虛擬PLC模擬仿真，實現以PLC為中心，外圍設備與機器人間信號交互，達到與真實考核平臺同樣的功能。

關鍵詞：工業機器人；虛實結合；1+X證書；考核平臺；仿真平臺

文章編號：1671-489X（2025）03-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.03.0

0" 引言

為深化職業教育改革，借鑒國際職業教育相關實踐經驗，我國從2019年開始啟動1+X證書制度試點工作[1-5]。1+X證書制度最大限度地滿足了高職院校課證融通的教學需求[6-8]。各高職院校紛紛開展證書鑒定工作，但在方案實施過程中，存在師資隊伍不足、基地建設不強、實踐教學平臺不足等各種困難[9-11]。這些問題在工業機器人專業尤為明顯。由于工業機器人本體及外圍設備價格高，搭建這類課程的實訓環境成本高，生均實訓設備數量不足，學生動手實踐機會少、訓練不夠。同時，機器人操作復雜，初期上手較難，學生進行實踐操作時容易失誤而損壞設備，甚至可能造成人身傷害，不利于實訓的開展，且傳統實訓模式受到時間和地點的限制。工業機器人專業的課程技術性、實用性很強，實訓教學是該專業高職人才培養工作中不可缺少的組成部分。如果學生操作機會少、實踐操作能力差，人才培養質量將無法滿足社會需要。

為了解決這些問題，學界日益關注虛擬仿真平臺的研究。國內學者對工業機器人虛實結合的實驗平臺進行了廣泛研究，馮凌云等[12]設計出虛實結合的工業機器人實踐教學平臺，采用工作站邏輯設計，模擬數據通信。蔡寶等[13]設計了虛實融合的工業機器人實驗平臺，構建Unity3D虛擬仿真實驗平臺，利用工業通信標準OPC UA協議實現虛擬與真實工業機器人間的數據通信，實現虛擬與真實機器人同步運動。田莉等[14]基于多機器人自動分揀系統的虛實結合實驗平臺，采用Roboguide仿真軟件和PLC仿真軟件實現虛擬平臺仿真。國內學者在虛實仿真平臺方面研究成果豐碩，但目前大多虛擬平臺僅能仿真實體平臺的一部分功能或針對某一特定功能設計開發。

本研究開發的虛實結合培訓平臺，在ABB仿真軟件RobotStudio的基礎上搭建，完成工業機器人的離線編程，采用博圖軟件完成PLC編程，利用PLCSIM Advanced 3.0搭建通信仿真環境，實現外圍設備與機器人間信號交互，完成實體平臺的考核要求。培訓時先進行虛擬仿真操作，方便學生練習和試錯，再進行實體操作，體驗真實設備的手感。

1" 考核平臺工作流程

工業機器人應用編程1+X證書有三個等級，技能要求依次升高[15]。高級別職業技能要求涵蓋低級別職業技能要求。鑒于高職院校主要針對1+X證書的中級證書，本文研究對象為中級考核平臺。

中級考核平臺包含實物平臺和仿真平臺兩部分：實物平臺采用匯博1+X證書考核平臺；仿真平臺包括博圖、ABB機器人仿真軟件RobotStudio、PLCSIM Advanced軟件。中級考核平臺完成的工作任務是關節裝配——由搬運、組裝臺變位、立體倉庫供料、旋轉臺供料等動作完成機器人關節的裝配。實物平臺工作站中，機器人在裝配過程中自行更換不同夾具，依次將電機、減速器、法蘭裝入基座內，完成關節的有序裝配工作，完成入庫工作。平臺內周邊設備協調動作，如氣缸推出零件、傳送帶運動送料、旋轉供料盤的轉動停止、變位機等，實現產品裝配自動化。依次裝配零件如圖1所示。

2" 仿真平臺搭建

仿真平臺以實體考核平臺及其工作流程為基礎進行設計。根據實物平臺的結構和尺寸，在三維建模軟件UG上完成建模，導入仿真軟件Robot-Studio，根據真實平臺進行布局，如圖2所示。RobotStudio仿真軟件具有機器人虛擬仿真與離線編程功能，通過Smart創建組件，具備傳送帶、旋轉供料等外圍機械設備的虛擬仿真能力。仿真平臺的搭建主要包括模型的創建、Smart組件設計、I/O"連接、工作站邏輯設計與通信設置等。

2.1" 三維模型創建

利用UG三維軟件繪制工作臺與平臺上除機器人外所有設備的模型，按照與實物1∶1的比例建模，通過裝配模塊裝配成產品，變位機單元、快換工具單元、立體倉庫單元、旋轉供料單元等工作站周邊單元（圖3），生成SAT格式文件并導入Robotstudio。根據實物平臺設計布局各設備模型在虛擬工作站內的位置，做到與實物平臺完全一致。仿真系統軟件自帶ABB機器人庫，可以根據實物平臺型號選擇機器人IRB 120本體及參數，高度還原真實環境。

2.2" 機器人用工具設計

完成中級考核平臺工作任務規定的關節裝配，需要使用不同的工具。機器人用工具由末端工具和基座兩部分組成。末端工具有吸盤、弧口鉗、平口鉗，以機械裝置的形式在仿真平臺上創建，通過對導入的模型創建機械裝置，使鉗口具備張開和夾緊的姿態；基座是以機器人用工具的形式在仿真平臺上創建，使其具備機器人用工具的各項屬性，安裝在機器人第六軸法蘭盤末端，如圖4所示。末端工具、基座與Smart組件配合后使用，將創建好的機械裝置添加至Smart組件中，再添加相應的組件，在基座末端設置線傳感器，將傳感器檢測到的末端工具與安裝、拆除功能相關聯，實現機器人快速更換末端工具。機器人末端工具可以模擬工具的拾取和釋放動作，需要創建末端夾具Smart組件，設置機械裝置的姿態與機器人的信號連接，配合機器人完成不同零部件的拾取和釋放動作。

2.3" 動態Smart組件設計

用RobotStudio軟件中的動畫工具Smart組件，可以實現仿真平臺與實物平臺一樣的動態效果。工作站內各設備的動畫仿真采用模塊化設計，設計不同的Smart組件完成不同任務，組件主要包含：傳送帶組件、電機旋轉供料組件、推料氣缸組件、變位機組件、工件抓取組件、工具安裝組件等。

以機器人用工具動作Smart組件為例說明組件的創建方法。末端工具動作動態效果為工具取工件、放置工件的過程。在軟件工作區Smart組件窗口中點擊“添加組件”，分別添加子對象組件。在軟件工作區中點擊子對象組件，在其屬性對話框中對子組件屬性進行配置。在軟件工作區點擊“設計”，添加I/O對子組件間邏輯關系進行設計，即各個組件相互之間的信號傳遞。末端工具Smart組件設計圖如圖5所示。

2.4" 仿真平臺的通信

仿真平臺的通信以PLC為主站，即機器人、外圍設備之間的信號都與PLC進行交互。利用通信協議與工業機器人通信，操控工業機器人的運動、接收和發送外圍設備信號。仿真平臺系統結構控制架構如圖6所示。

啟動PLC建立通信使用變量，設置通信參數

（地址），編寫PLC控制程序，啟動PLCSIM Advanced并進行相應設置，下載編寫PLC程序到

PLCSIM Advanced。在RobotStudio軟件中下載安

裝RSConnectDIOToSnap7.rslib、RSConnect-GIOToSnap7.rslib插件，創建連接信號和硬件關聯信號，將需要組件的信號與系統創建的信號進行連接，建立仿真邏輯關系，然后切換到博圖端進行監控。這些軟件之間相互配合，可以完成仿真平臺的聯合仿真。

3" 平臺的應用與效果

采用“以虛補實、虛實結合”的方式，在教學中將仿真平臺與實物平臺相結合。將實踐操作任務進行線上和線下分解與分配，學生根據教師發布的學習任務書進行課前線上預習。課堂上開展虛擬仿真操作講解，教師對機器人的操控方法和關鍵步驟進行示范演練，讓學生熟悉實驗項目相關知識點和操作步驟。學生課余時間可以在仿真平臺上多次重復練習，確保不會出現因操作失誤損壞設備的情況。教師根據學生在仿真平臺上的學習和操作情況，安排已操作熟練的學生去實驗室進行實操訓練，減少因設備不足而輪候的問題，提高設備的使用率。課后教師對項目作進一步延伸，根據學生的差異進行知識拓展，發布更具綜合性、創新性的分層任務。使用仿真平臺完成拓展任務，可以發掘學生潛能，引發學生更深層次的思考。

永城職業學院建設有工業機器人虛擬仿真實訓室，實訓室電腦安裝了RobotStudio、博圖、PLCSIM Advanced等軟件創造仿真平臺環境，基本可以仿真工業機器人工作站的工作情況。學生在仿真實訓室直接打開桌面上創建好的工作站，就像在實物平臺上操作一樣，虛擬配置I/O信號端口、設置參數、編寫程序等。學生通過反復練習，熟悉整個操作過程。完成學習后，把仿真程序下載到實體設備上，在實物平臺上調試控制程序，進行實際操作，直至正確完成任務。仿真平臺不僅讓學生熟練掌握了操作過程，而且降低了設備的損壞風險。

學校2022年以前的工業機器人實踐課程采用直接上機操作方式，后采用仿真教學，2023年實現了虛實結合的混合式教學。對實施改革前后三個班級學生的相同項目進行考核，并對學習成效進行對比，具體數據如表1所示。

從數據可以看出，仿真操作完成度由2022年的82.6%提高到2023年的90.6%，實際操作完成度由70.4%提高到84.3%，收到了很好的實訓效果，改革成效顯著。傳統工業機器人實踐教學中存在的一些問題均得到有效解決。學生進行仿真操作熟練度增加，可以勝任一些稍有難度的仿真任務。相較以往的直接上機操作，學生完成實驗的時間明顯縮短，實驗效率大大提高。

4" 結束語

仿真平臺的開發解決了以往工業機器人1+X證書培訓中設備不足、誤操作引起設備損壞等問題。虛實結合的混合式教學，最大限度地發揮仿真和實操各自的優勢。學生在仿真平臺上熟悉操作過程，在實物平臺上體驗真實設備的手感，有效解決了學生數量多與設備不足的矛盾。使用虛實結合的平臺讓學生熟悉平臺的操作與編程過程，提升實踐教學的效率與考證的通過率。平臺的開發為學生提供了一個開放、創新、綜合的實驗環境，優化了教學資源，提高了培訓效率，降低了設備購置成本，為培訓提供了新的思路和手段，具有很好的推廣性。

5" 參考文獻

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*項目來源：教育部專項課題“基于虛擬仿真技術的工業機器人職業技能培訓平臺的構建與研究”（項目編號：ZJXF2022137）；河南省高校人文社會科學研究項目“基于移動終端的混合式教學在高職機電類軟件課程中的教學研究與應用”（項目編號：20220216）。

作者簡介：蔡云，教授；韓文靜、宋進朝，副教授。