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摘　要：為了適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人技能應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，針對(duì)當(dāng)前高職院校實(shí)訓(xùn)室建設(shè)中存在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地和實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的問(wèn)題，提出了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的解決思路。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)了典型應(yīng)用、行業(yè)應(yīng)用和系統(tǒng)集成3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并將3個(gè)模塊集成到工業(yè)機(jī)器人虛擬車(chē)間中，構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)習(xí)者可根據(jù)自身需求選擇相應(yīng)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)。該虛擬仿真系統(tǒng)有效解決了實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的問(wèn)題，通過(guò)虛擬實(shí)訓(xùn)，學(xué)習(xí)者較好地掌握了技能。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

0　引言

隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為最受關(guān)注的高技術(shù)之一［1］。推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高職院校紛紛設(shè)立工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)，2018年開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)的高職學(xué)校超過(guò)400家，但是由于工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)昂貴，實(shí)訓(xùn)設(shè)備維護(hù)成本高［3－4］，造成部分院校的實(shí)訓(xùn)條件還滿足不了相關(guān)技術(shù)技能人才培養(yǎng)的需求。受到實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地和設(shè)備數(shù)量的制約，實(shí)訓(xùn)只能分批次進(jìn)行，限制了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，利用虛擬仿真進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)成為解決實(shí)訓(xùn)條件不足的可行方案。由此，各職業(yè)院校一方面在積極開(kāi)發(fā)適用于專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備［5－9］，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)仿真虛擬實(shí)訓(xùn)能力的建設(shè)。遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院的呂明珠［10］設(shè)計(jì)了基于Robotmaster的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了多種典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以整合零散的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院的魏志麗［11］建立了基于ABB工業(yè)機(jī)器人的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，從硬件、軟件、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和應(yīng)用效果等方面對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行了闡述。無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的李海波等人［12］構(gòu)建了基于PLC和HMI的機(jī)械手碼垛仿真系統(tǒng)。本研究在上海市高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2015－2018年）工業(yè)機(jī)器人骨干專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目研究基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的思路。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)了典型應(yīng)用、行業(yè)應(yīng)用和系統(tǒng)集成3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并將3個(gè)模塊集成到工業(yè)機(jī)器人虛擬車(chē)間中，構(gòu)成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)習(xí)者可根據(jù)自身需求選擇相應(yīng)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)。

1　工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)思路

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)的目的是為了讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的各類應(yīng)用及集成技術(shù)，通過(guò)平臺(tái)可以完成一個(gè)個(gè)完整的機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目，達(dá)到工程實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)遵循以下原則。

（1）虛實(shí)結(jié)合，仿真訓(xùn)練可直接應(yīng)用于實(shí)際開(kāi)發(fā)的平臺(tái)基于真實(shí)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，基于仿真平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可應(yīng)用于實(shí)際。通過(guò)建立實(shí)際工作站的立體模型，在仿真工業(yè)機(jī)器人工作站所進(jìn)行的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，所編寫(xiě)的機(jī)器人程序無(wú)需任何轉(zhuǎn)換便可直接下載到實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中，進(jìn)行微調(diào)便能夠完成實(shí)際的工作任務(wù)。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與行業(yè)結(jié)合，貼近企業(yè)真實(shí)應(yīng)用高職院校所培養(yǎng)的人才是為地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)服務(wù)的，因此緊跟產(chǎn)業(yè)的需求，需要引入企業(yè)，校企合作共同開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，這樣所開(kāi)發(fā)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)才能夠貼近企業(yè)的真實(shí)需求［8］。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分層，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際情況選擇內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)企業(yè)中工業(yè)機(jī)器人崗位進(jìn)行了調(diào)研，主要崗位包括工業(yè)機(jī)器人操作、編程、設(shè)備安裝調(diào)試、控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的集成等［13］，對(duì)這些崗位技能要求進(jìn)行梳理，按照技能要求對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分層。（4）實(shí)驗(yàn)資源集職業(yè)培訓(xùn)功能于一體職業(yè)培訓(xùn)是職業(yè)教育的一個(gè)重要功能，高職院校要能夠利用已有資源開(kāi)展社會(huì)職業(yè)培訓(xùn)，因此仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該具有培訓(xùn)的職能，能夠引入互聯(lián)網(wǎng)手段將資源開(kāi)放，對(duì)在校學(xué)生、企業(yè)員工及社會(huì)人員開(kāi)展線上線下的培訓(xùn)。

2　工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

基于工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)思路，根據(jù)表1的分層內(nèi)容，開(kāi)發(fā)了3個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K：典型應(yīng)用模塊、行業(yè)應(yīng)用模塊和系統(tǒng)集成模塊。典型應(yīng)用模塊中可以完成工業(yè)機(jī)器人基本操作、基本編程及典型應(yīng)用的仿真學(xué)習(xí)。行業(yè)應(yīng)用模塊針對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的不同行業(yè)，對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用進(jìn)行仿真的訓(xùn)練，例如常見(jiàn)的涂膠、焊接和分揀，這一模塊可以通過(guò)與不同企業(yè)的深入合作，不斷地進(jìn)行豐富與完善。系統(tǒng)集成模塊則是利用系統(tǒng)的觀念從總體上把握機(jī)器人的綜合應(yīng)用以及與外圍設(shè)備的集成。

（1）典型應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)搬運(yùn)和碼垛是工業(yè)機(jī)器人最典型的應(yīng)用，2017年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的搬運(yùn)上下料機(jī)器人占比最高，達(dá)65％［14］。因此選擇搬運(yùn)碼垛作為典型應(yīng)用模塊進(jìn)行仿真開(kāi)發(fā)?！∮蓹C(jī)器人、傳送帶、待搬運(yùn)物料和物料放置臺(tái)組成，機(jī)器人通過(guò)吸盤(pán)依次把傳送帶送來(lái)的物料拾取搬運(yùn)到物料放置臺(tái)上。工作站中以對(duì)長(zhǎng)方體物料搬運(yùn)為例，利用ABBIRB460機(jī)器人搭載真空吸盤(pán)夾具實(shí)現(xiàn)物料的定點(diǎn)搬運(yùn)。　機(jī)器人在搬運(yùn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)碼垛算法完成物料的有序放置，是對(duì)搬運(yùn)工作站的強(qiáng)化訓(xùn)練。在搬運(yùn)和碼垛兩個(gè)項(xiàng)目中已預(yù)先對(duì)傳送帶運(yùn)動(dòng)、吸盤(pán)吸附物料等動(dòng)作效果進(jìn)行了設(shè)置，學(xué)習(xí)者在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行機(jī)器人I／O配置、程序數(shù)據(jù)創(chuàng)建、目標(biāo)點(diǎn)示教、程序編寫(xiě)及調(diào)試，最終完成整個(gè)工作站的功能要求。對(duì)于level　1和level　2的基礎(chǔ)操作和編程訓(xùn)練可以借助這2個(gè)工作站來(lái)進(jìn)行，無(wú)需另外開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)的模塊。學(xué)習(xí)者在完成搬運(yùn)碼垛的學(xué)習(xí)后，可以進(jìn)入CNC機(jī)床上下料這一具體的針對(duì)性的應(yīng)用學(xué)習(xí)?！⊥ㄟ^(guò)該仿真項(xiàng)目不僅將前面所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)技能進(jìn)一步進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)也將學(xué)習(xí)者引入到具體的應(yīng)用場(chǎng)景中，更加貼近企業(yè)真實(shí)環(huán)境。在這一仿真環(huán)境中，學(xué)習(xí)者進(jìn)行應(yīng)用操作時(shí)，需要進(jìn)一步考慮工廠大批量加工節(jié)拍的生產(chǎn)要求和效率的要求，也體現(xiàn)了職業(yè)教育的職業(yè)性。

（2）行業(yè)應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)通過(guò)典型應(yīng)用模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者掌握了工業(yè)機(jī)器人基本的操作技能，后續(xù)將深入到具體的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行學(xué)習(xí)。工業(yè)機(jī)器人幾乎在各個(gè)行業(yè)中都有應(yīng)用，如果學(xué)校建設(shè)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)室，除了機(jī)器人外，還要配置各式各樣的外圍裝置，例如焊機(jī)、涂膠機(jī)和變位機(jī)等，投入大是一方面，另一方面還存在著安全等因素［15］，因此采用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)真實(shí)環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要。在行業(yè)應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)時(shí)，充分考慮機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用的規(guī)模和機(jī)器人的類型，先期開(kāi)發(fā)了關(guān)節(jié)型機(jī)器人汽車(chē)風(fēng)擋玻璃涂膠、關(guān)節(jié)型機(jī)器人變位機(jī)弧焊焊接以及并聯(lián)機(jī)器人食品分揀3個(gè)應(yīng)用?！“薃BB　IRB4600工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人控制柜及示教器、機(jī)器人底座、安全防護(hù)圍欄、涂膠夾具體以及涂膠設(shè)備，機(jī)器人搭載膠槍完成風(fēng)擋玻璃的涂膠工作。通過(guò)該項(xiàng)目，可以學(xué)習(xí)涂膠工藝、涂膠指令以及涂膠任務(wù)的調(diào)試要點(diǎn)。包括了機(jī)器人、焊槍、焊機(jī)和變位機(jī)等設(shè)備，機(jī)器人搭載焊槍完成焊接工作。通過(guò)該項(xiàng)目，可學(xué)習(xí)焊接指令、焊機(jī)的設(shè)置、焊接信號(hào)和焊接工業(yè)等知識(shí)技能?！“薃BB　IRB360并聯(lián)機(jī)器人、傳送帶等。機(jī)器人從產(chǎn)品輸送鏈上動(dòng)態(tài)拾取產(chǎn)品，并按照順序?qū)a(chǎn)品擺放至產(chǎn)品盒輸送鏈上的產(chǎn)品盒中，然后由傳送帶傳送至下一工位進(jìn)行包裝。并聯(lián)機(jī)器人作為另一種類型機(jī)器人，是對(duì)在關(guān)節(jié)型機(jī)器人學(xué)習(xí)項(xiàng)目的一次拓展，是對(duì)機(jī)器人知識(shí)技能的有益的必要的補(bǔ)充。該模塊，在后期可以通過(guò)校企合作不斷進(jìn)行開(kāi)發(fā)，針對(duì)企業(yè)的應(yīng)用不斷增加新的行業(yè)應(yīng)用，進(jìn)行完善更新。在校學(xué)生可以根據(jù)教學(xué)有選擇的進(jìn)行該模塊的學(xué)習(xí)，可作為必修模塊也可作為選修模塊。企業(yè)員工、社會(huì)人員可以根據(jù)自身的工作崗位、自身需求有針對(duì)性地進(jìn)行選擇。

（3）系統(tǒng)集成模塊開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用除了工業(yè)機(jī)器人外，還涉及到很多的外圍設(shè)備，需要對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行整合，在PLC等控制單元的控制下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，因此電氣線路設(shè)計(jì)、PLC程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信和外圍設(shè)備的調(diào)試是不可缺少的工作。在系統(tǒng)集成模塊開(kāi)發(fā)中，就是將機(jī)器人與外圍設(shè)備進(jìn)行集成，使機(jī)器人能與外圍設(shè)備協(xié)調(diào)統(tǒng)一的工作。本模塊開(kāi)發(fā)了一套工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)和仿真系統(tǒng)?！】傮w分為機(jī)器人工作站和電氣控制單元兩個(gè)部分。機(jī)器人工作站是一個(gè)六邊形的工作臺(tái)，在其上面安裝有ABB120機(jī)器人1臺(tái)及外圍功能模塊，電氣控制單元包含西門(mén)子S7－1200PLC、三菱FX3U系列PLC及CC－Link通信模塊各一個(gè)，以及觸摸屏、空氣開(kāi)關(guān)、控制按鈕、指示燈等。該電氣控制單元可單獨(dú)使用也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與機(jī)器人通信，控制機(jī)器人完成系統(tǒng)功能。開(kāi)發(fā)的仿真環(huán)境中，可以進(jìn)行電氣線路的連接、PLC程序的編寫(xiě)調(diào)試、機(jī)器人程序的編寫(xiě)?！⊥瓿煞抡娌僮骱螅梢詫?shí)現(xiàn)功能的仿真驗(yàn)證，學(xué)習(xí)者將程序?qū)С龊笙螺d到實(shí)際機(jī)器中，微調(diào)后可以直接運(yùn)行。

3　工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)整合

仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)完成后，對(duì)3個(gè)模塊的資源進(jìn)行了整合，學(xué)校聯(lián)合企業(yè)對(duì)資源進(jìn)行了基于客戶端／服務(wù)器的集成開(kāi)發(fā)，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)客戶端訪問(wèn)服務(wù)器，進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人虛擬車(chē)間，選擇不同的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。

4　總結(jié)

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境開(kāi)發(fā)，集實(shí)踐教學(xué)、社會(huì)培訓(xùn)于一體，學(xué)習(xí)內(nèi)容根據(jù)應(yīng)用層次進(jìn)行了分層，學(xué)習(xí)者可根據(jù)學(xué)習(xí)需求進(jìn)行選擇。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)者能夠了解工業(yè)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用整個(gè)工藝過(guò)程，熟悉工業(yè)機(jī)器人不同行業(yè)的應(yīng)用需求，在此基礎(chǔ)上能夠快速的操作工業(yè)機(jī)器人等機(jī)械設(shè)備。在后續(xù)開(kāi)發(fā)中，可以增加在線直播模塊，提供在線學(xué)習(xí)與考核。

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作者： 陳永平  單位：上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院