在线工业机器人技术虚拟仿真平台

发布时间：2022-10-05 21:42 热度：

　　为提高学生关于工业机器人的实践技能，利用SolidWorks和RobotStudio构建了21个工业机器人虚拟仿真工作站。通过对工业机器人认知与操作、工业机器人编程技术单项实训、工业机器人综合技能实训、工业机器人创新设计等4个模块的层次化案例设计，构建出与职业能力层级标准匹配的进阶式虚拟仿真实训平台。在实践教学中，虚拟仿真实训平台有益于培养学生的自学能力和在工业机器人工程领域的应用和创新能力。

　　关键词：工业机器人;虚拟仿真;实训平台;RobotStudio

　　工业机器人的使用是我国制造业转型升级的强力技术手段[1]。为满足我国制造业对工业机器人技术技能人才的需要，很多高职院校开设了工业机器人技术专业课程[2]。但是工业机器人及其配套设备购置成本较高，高职院校配置的数量难以保证在工业机器人实训教学中让每个学生进行独立操作和编程[3]。另外，实训教学中学生的误操作可能造成设备的损坏和人身伤害;而虚拟仿真实训可以有效弥补这一不足[4-6]。广东交通职业技术学院利用虚拟仿真技术，构建了“工业机器人技术进阶式能力训练虚拟仿真实训平台”。该平台以“虚实结合，资源共享”为指导思想，为学习者提供充足的实训资源，提高学习者的工业机器人技术应用能力。

　　1建设目标、设计思路和开发流程

　　工业机器人技术虚拟仿真实训平台的建设目标聚焦“互联网+智能制造”，服务《中国制造2025》，满足制造业转型升级对工业机器人技术人才的需求，利用SolidWorks和RobotStudio等软件构建3D全真或高度仿真的虚拟环境，模拟工业机器人工作站的真实操作，构建包括工业机器人技术基础学习与实训、专项技能训练、多机器人综合虚拟仿真、创新实践等内容的多层次、开放共享、可扩展的工业机器人技术虚拟仿真实训平台。平台的构建秉承“平台引领，需求导向;校企协同，项目对接;虚实结合，学工同境”的人才培养理念，实训内容对接工业机器人技术发展和职业标准，与工业机器人系统集成商、合作企业的专家共同做好规划论证，实现虚拟仿真项目与工程项目一致、工业机器人技术人才职业能力培养与企业需求一致，切实提高使用者的工程实践能力和创新能力。虚拟仿真实训工作站的开发流程包括机器人工作场景转换、三维建模、虚拟仿真场景构建、工作站或系统发布等步骤[7-8]。以机器人工作站为例，其开发流程如图1所示。(1)利用SolidWorks软件设计机器人外围设备的三维仿真模型，转换为.STP格式，导入RobotStudio，完成建模布局工作;(2)打开软件模型库，导入ABB机器人;(3)调整RobotStudio的可视化系统，进行Smart组件设计、设置各参数。

　　2平台构建内容

　　平台建设的内容结合生产实际和能力训练要求，与职业能力层级标准相匹配，如图2所示。按资源的属性，平台建设的内容可包含2类：(1)虚拟现实教学资源：该资源是高度仿真的虚拟仿真实训环境和实训对象，均可下载和进行编程实训，包括工业机器人基本操作训练、机床上下料训练、多功能综合平台等共8个虚拟仿真工作站(见表1)。这部分资源与我校工业机器人技术综合实训中心设备相同，可作为实际实训的训前练习资源。(2)拓展资源：共有13个项目，为学习者创造课堂以外的虚拟实训环境。资源的配置充分体现虚实结合、相互补充的原则。平台按照任务功能共分为学校虚拟仿真资源、企业学习资源、职业培训资源、职教立交桥资源，其中虚拟仿真资源分为4个模块，分别为工业机器人认知与操作模块、工业机器人编程技术单项技能实训模块、工业机器人综合技能实训模块、工业机器人创新设计模块。

　　2.1工业机器人认知与操作模块

　　入门级认知与操作模块为基础性模块，共有基本运动指令操作、规则轨迹运动仿真、波形板运用、基本逻辑指令仿真、偏移指令快速编程、程序数组应用、TPwrite写屏指令、机器人离线轨迹编程、两同样工件离线编程、虚拟程序中断指令等10个虚拟仿真工作站，帮助学习者掌握操作、调试等基本技能，可对接工业机器人操作员岗位。以波形板运用工作站为例，学习者可以进行建立工作站的训练，例如机器人手动关节、线性运动的基本操作，工具坐标和工件坐标定义训练，创建运动轨迹实现波形板模拟弧焊、涂胶轨迹的训练。

　　2.2工业机器人编程技术单项实训模块

　　工业机器人编程技术单项实训模块是编程技术提高模块，共有零件装配、玻璃涂胶、车身弧焊、车门点焊、工件搬运、机床上下料、包装箱码垛等7个虚拟仿真实训工作站，涵盖了机器人所有主要应用领域。该实训模块可进行示教编程、离线编程，提高编程、程序调试，并对接机器人编程员岗位。以工件搬运为例，学习者可在本站进行I/O板卡配置、程序数据创建(即创建工具坐标tGripper，创建工件坐标Wobj，创建载荷数据LoadFull)、目标点之间使用MoveL、MoveJ和MoveC指令进行示教、程序编写及调试，还可运用到轴配置监控指令Confl等。通过此仿真系统，可以很直观地检查码垛方式和编程结果，并进行人工修正。虚拟仿真生成的程序可以通过网络数据传输给工业机器人，便于现场调试[9]。该虚拟仿真工作站可以为生产现场码垛的设计提供理论验证平台，为工程技术人员的编程和调试提供安全、灵活的环境。

　　2.3工业机器人综合技能实训模块

　　工业机器人综合技能实训模块是综合技能提高模块，共有多机器人柔性制造生产线仿真系统、多机器人多机床柔性制造生产线仿真系统、多机器人汽车从动盘装配虚拟仿真系统、多功能机器人综合应用仿真平台等4个综合虚拟仿真实训系统。该模块可进行综合应用、系统集成、程序调试实训，对接机器人系统集成助理工程师岗位。例如多机器人柔性制造生产线仿真系统由CNC上下料工业机器人(ABBIRB2600)、装配机器人(IRB910)、装箱机器人(IRB140)、2台数控机床(CNC)、供料站、装配站和其他周边设备组成。学习者可编程实现最佳的运行速度、运行轨迹、机器人位置、姿态数据，碰撞检测、轨迹追踪，还可计算生产节拍、优化机器人协同作业等，可以为实际制造生产线设计提供理论依据和实验平台[10]。

　　2.4工业机器人创新设计模块

　　工业机器人创新设计模块用于展示学生的创新创意作品，启发学生的创新思维。图3所示为学生创作的多机器人陶瓷盘类生产线虚拟仿真系统，包含了陶瓷制作的压膜、烘干、脱模、雕刻、打磨、喷釉、印章、码垛、烧制等多道工序，完全由机器人完成[11]。该作品获得全国工业机器人虚拟仿真大赛创意作品一等奖，展现了学生较好的创新意识。

　　3在线教学平台的构建

　　在线教学平台是工业机器人虚拟仿真实训工作站或系统的载体，也是实现虚拟仿真实训项目开放共享的基础[12]。根据权限不同，在线教学平台分为系统管理、教师、学生(包括校外学习者)等3个功能区，每个功能区有不同的工作模块，并根据需要加载或下载相关的虚拟仿真实训工作站或系统，如图4所示。

　　4虚拟仿真实验室的建设

　　学校建设了工业机器人技术虚拟仿真实训室，虚拟仿真实训室配置电脑60台。学生可在虚拟仿真实训室完成仿真学习后，通过网络把仿真程序下载到实体设备进行操作和验证。虚拟仿真实训室与校外应用平台的网络拓扑结构如图5所示。工业机器人技术虚拟仿真实训平台的客户端采用Web浏览器。学生可以下载网页或工作站并获取机器人各种动态数据信息;校外学习者注册后可通过网络进行学习和编程操作。

　　5虚拟仿真平台建设成效

　　2015—2018年，工业机器人虚拟仿真实训平台完成了6期“工业机器人应用技术”和“工业机器人与西门子全集成自动化技术”广东省中职和高职骨干教师培训，培养工业机器人教师约300人。2017年，该平台成为校级“工业机器人技术进阶式能力培养虚拟仿真平台”，依托该平台建设的“工业机器人技术及应用”课程成为省级精品在线开放课程。2018年，借助工业机器人虚拟仿真实训平台申报的“互联网+智能制造背景下高职工业机器人技术进阶式能力培养虚拟仿真平台的建设与研究”被教育部职业院校信息化教学指导委员会立项为重点课题。近3年，平台团队获得全国机械职业教育教学指导委员会微课大赛一等奖1项、三等奖1项，获广东省高职青年教师教学大赛二等奖2项和全国工业机器人技术虚拟仿真大赛二等奖1项。另外平台成员近3年发表工业机器人虚拟仿真技术研究论文8篇，其中中文核心期刊论文4篇。从2015年开始，面向我校工业机器人技术专业、机电一体化技术专业和电气自动化技术专业的学生举办每年一届的工业机器人技术虚拟仿真设计大赛，并对获奖学生给予奖励。2016—2018年，本校学生获得全国工业机器人虚拟仿真大赛一等奖2项、二等奖4项，连续2年获得广东省工业机器人技术应用二等奖;近两年获得校级大学生科技创新创业项目4项、省级大学生科技创新项目8项。

　　6结语

　　结合SolidWorks和RobotStudio开发的3D工业机器人技术虚拟仿真实训平台，实训内容几乎涵盖了机器人工程应用的全部领域，并且可编程、可调试，可以完成真实设备不能或难以完成的实训项目，有助于提高学生的感性认识，提高机器人的工程应用能力和科技创新能力。该虚拟仿真平台也可用于中高职师资培训和校外学习者。

　　作者：郝建豹 林子其 龚俭龙 易焕银 单位：广东交通职业技术学院