前言：本站為你精心整理了工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗實踐探索范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

摘　要：為了適應(yīng)工業(yè)機器人技能應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，針對當(dāng)前高職院校實訓(xùn)室建設(shè)中存在實訓(xùn)場地和實訓(xùn)設(shè)備不足的問題，提出了工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗開發(fā)的解決思路。根據(jù)工業(yè)機器人應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)了典型應(yīng)用、行業(yè)應(yīng)用和系統(tǒng)集成3個虛擬仿真實驗?zāi)K，并將3個模塊集成到工業(yè)機器人虛擬車間中，構(gòu)建了虛擬仿真實驗平臺，學(xué)習(xí)者可根據(jù)自身需求選擇相應(yīng)模塊進行學(xué)習(xí)。該虛擬仿真系統(tǒng)有效解決了實訓(xùn)設(shè)備不足的問題，通過虛擬實訓(xùn)，學(xué)習(xí)者較好地掌握了技能。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；虛擬仿真；實訓(xùn)教學(xué)

0　引言

隨著工業(yè)機器人的廣泛使用，工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)成為最受關(guān)注的高技術(shù)之一［1］。推進工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，帶動相關(guān)學(xué)科發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義［2］。近年來，國內(nèi)高職院校紛紛設(shè)立工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)，2018年開設(shè)工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)的高職學(xué)校超過400家，但是由于工業(yè)機器人實訓(xùn)系統(tǒng)昂貴，實訓(xùn)設(shè)備維護成本高［3－4］，造成部分院校的實訓(xùn)條件還滿足不了相關(guān)技術(shù)技能人才培養(yǎng)的需求。受到實訓(xùn)場地和設(shè)備數(shù)量的制約，實訓(xùn)只能分批次進行，限制了學(xué)生實際動手操作的機會，利用虛擬仿真進行模擬實訓(xùn)成為解決實訓(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發(fā)適用于專業(yè)人才培養(yǎng)的實訓(xùn)設(shè)備［5－9］，同時也加強了對仿真虛擬實訓(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)計了基于Robotmaster的虛擬仿真實驗平臺，開發(fā)了多種典型實驗項目以整合零散的實驗內(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)機器人的虛擬實驗實訓(xùn)室，從硬件、軟件、項目開發(fā)和應(yīng)用效果等方面對虛擬實訓(xùn)室進行了闡述。無錫商業(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)展行動計劃（2015－2018年）工業(yè)機器人骨干專業(yè)建設(shè)項目研究基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗開發(fā)的思路。根據(jù)工業(yè)機器人應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)了典型應(yīng)用、行業(yè)應(yīng)用和系統(tǒng)集成3個虛擬仿真實驗?zāi)K，并將3個模塊集成到工業(yè)機器人虛擬車間中，構(gòu)成虛擬仿真實驗平臺，學(xué)習(xí)者可根據(jù)自身需求選擇相應(yīng)模塊進行學(xué)習(xí)。

1　工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗開發(fā)思路

工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真平臺開發(fā)的目的是為了讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)工業(yè)機器人的各類應(yīng)用及集成技術(shù)，通過平臺可以完成一個個完整的機器人應(yīng)用項目，達到工程實踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)的目的。工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真平臺的開發(fā)遵循以下原則。

（1）虛實結(jié)合，仿真訓(xùn)練可直接應(yīng)用于實際開發(fā)的平臺基于真實的實訓(xùn)環(huán)境，基于仿真平臺上進行的實驗項目，可應(yīng)用于實際。通過建立實際工作站的立體模型，在仿真工業(yè)機器人工作站所進行的設(shè)計和驗證，所編寫的機器人程序無需任何轉(zhuǎn)換便可直接下載到實際機器人系統(tǒng)中，進行微調(diào)便能夠完成實際的工作任務(wù)。

（2）實驗內(nèi)容與行業(yè)結(jié)合，貼近企業(yè)真實應(yīng)用高職院校所培養(yǎng)的人才是為地方區(qū)域經(jīng)濟服務(wù)的，因此緊跟產(chǎn)業(yè)的需求，需要引入企業(yè)，校企合作共同開發(fā)實驗實訓(xùn)平臺，這樣所開發(fā)的實訓(xùn)平臺才能夠貼近企業(yè)的真實需求［8］。

（3）實驗內(nèi)容進行分層，學(xué)生可根據(jù)實際情況選擇內(nèi)容在實驗項目開發(fā)過程中，對企業(yè)中工業(yè)機器人崗位進行了調(diào)研，主要崗位包括工業(yè)機器人操作、編程、設(shè)備安裝調(diào)試、控制系統(tǒng)方案的設(shè)計和系統(tǒng)的集成等［13］，對這些崗位技能要求進行梳理，按照技能要求對仿真實驗內(nèi)容進行分層。（4）實驗資源集職業(yè)培訓(xùn)功能于一體職業(yè)培訓(xùn)是職業(yè)教育的一個重要功能，高職院校要能夠利用已有資源開展社會職業(yè)培訓(xùn)，因此仿真實驗平臺應(yīng)該具有培訓(xùn)的職能，能夠引入互聯(lián)網(wǎng)手段將資源開放，對在校學(xué)生、企業(yè)員工及社會人員開展線上線下的培訓(xùn)。

2　工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗開發(fā)

基于工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗開發(fā)思路，根據(jù)表1的分層內(nèi)容，開發(fā)了3個仿真實驗?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)用模塊針對機器人應(yīng)用的不同行業(yè)，對機器人的應(yīng)用進行仿真的訓(xùn)練，例如常見的涂膠、焊接和分揀，這一模塊可以通過與不同企業(yè)的深入合作，不斷地進行豐富與完善。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)用模塊開發(fā)搬運和碼垛是工業(yè)機器人最典型的應(yīng)用，2017年國內(nèi)市場的搬運上下料機器人占比最高，達65％［14］。因此選擇搬運碼垛作為典型應(yīng)用模塊進行仿真開發(fā)?！∮蓹C器人、傳送帶、待搬運物料和物料放置臺組成，機器人通過吸盤依次把傳送帶送來的物料拾取搬運到物料放置臺上。工作站中以對長方體物料搬運為例，利用ABBIRB460機器人搭載真空吸盤夾具實現(xiàn)物料的定點搬運?！C器人在搬運的基礎(chǔ)上，通過碼垛算法完成物料的有序放置，是對搬運工作站的強化訓(xùn)練。在搬運和碼垛兩個項目中已預(yù)先對傳送帶運動、吸盤吸附物料等動作效果進行了設(shè)置，學(xué)習(xí)者在此基礎(chǔ)上可以進行機器人I／O配置、程序數(shù)據(jù)創(chuàng)建、目標(biāo)點示教、程序編寫及調(diào)試，最終完成整個工作站的功能要求。對于level　1和level　2的基礎(chǔ)操作和編程訓(xùn)練可以借助這2個工作站來進行，無需另外開發(fā)基礎(chǔ)的模塊。學(xué)習(xí)者在完成搬運碼垛的學(xué)習(xí)后，可以進入CNC機床上下料這一具體的針對性的應(yīng)用學(xué)習(xí)?！⊥ㄟ^該仿真項目不僅將前面所學(xué)基礎(chǔ)知識技能進一步進行強化，同時也將學(xué)習(xí)者引入到具體的應(yīng)用場景中，更加貼近企業(yè)真實環(huán)境。在這一仿真環(huán)境中，學(xué)習(xí)者進行應(yīng)用操作時，需要進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)用模塊開發(fā)通過典型應(yīng)用模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者掌握了工業(yè)機器人基本的操作技能，后續(xù)將深入到具體的行業(yè)應(yīng)用場景中進行學(xué)習(xí)。工業(yè)機器人幾乎在各個行業(yè)中都有應(yīng)用，如果學(xué)校建設(shè)機器人行業(yè)應(yīng)用實訓(xùn)室，除了機器人外，還要配置各式各樣的外圍裝置，例如焊機、涂膠機和變位機等，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)開發(fā)真實環(huán)境下的仿真實驗就顯得尤為重要。在行業(yè)應(yīng)用模塊開發(fā)時，充分考慮機器人行業(yè)應(yīng)用的規(guī)模和機器人的類型，先期開發(fā)了關(guān)節(jié)型機器人汽車風(fēng)擋玻璃涂膠、關(guān)節(jié)型機器人變位機弧焊焊接以及并聯(lián)機器人食品分揀3個應(yīng)用。　包括了ABB　IRB4600工業(yè)機器人、機器人控制柜及示教器、機器人底座、安全防護圍欄、涂膠夾具體以及涂膠設(shè)備，機器人搭載膠槍完成風(fēng)擋玻璃的涂膠工作。通過該項目，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。包括了機器人、焊槍、焊機和變位機等設(shè)備，機器人搭載焊槍完成焊接工作。通過該項目，可學(xué)習(xí)焊接指令、焊機的設(shè)置、焊接信號和焊接工業(yè)等知識技能?！“薃BB　IRB360并聯(lián)機器人、傳送帶等。機器人從產(chǎn)品輸送鏈上動態(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行包裝。并聯(lián)機器人作為另一種類型機器人，是對在關(guān)節(jié)型機器人學(xué)習(xí)項目的一次拓展，是對機器人知識技能的有益的必要的補充。該模塊，在后期可以通過校企合作不斷進行開發(fā)，針對企業(yè)的應(yīng)用不斷增加新的行業(yè)應(yīng)用，進行完善更新。在校學(xué)生可以根據(jù)教學(xué)有選擇的進行該模塊的學(xué)習(xí)，可作為必修模塊也可作為選修模塊。企業(yè)員工、社會人員可以根據(jù)自身的工作崗位、自身需求有針對性地進行選擇。

（3）系統(tǒng)集成模塊開發(fā)工業(yè)機器人的應(yīng)用除了工業(yè)機器人外，還涉及到很多的外圍設(shè)備，需要對外圍設(shè)備進行整合，在PLC等控制單元的控制下進行協(xié)調(diào)工作，因此電氣線路設(shè)計、PLC程序設(shè)計、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)集成模塊開發(fā)中，就是將機器人與外圍設(shè)備進行集成，使機器人能與外圍設(shè)備協(xié)調(diào)統(tǒng)一的工作。本模塊開發(fā)了一套工業(yè)機器人系統(tǒng)平臺和仿真系統(tǒng)?！】傮w分為機器人工作站和電氣控制單元兩個部分。機器人工作站是一個六邊形的工作臺，在其上面安裝有ABB120機器人1臺及外圍功能模塊，電氣控制單元包含西門子S7－1200PLC、三菱FX3U系列PLC及CC－Link通信模塊各一個，以及觸摸屏、空氣開關(guān)、控制按鈕、指示燈等。該電氣控制單元可單獨使用也可通過現(xiàn)場總線與機器人通信，控制機器人完成系統(tǒng)功能。開發(fā)的仿真環(huán)境中，可以進行電氣線路的連接、PLC程序的編寫調(diào)試、機器人程序的編寫?！⊥瓿煞抡娌僮骱?，可以實現(xiàn)功能的仿真驗證，學(xué)習(xí)者將程序?qū)С龊笙螺d到實際機器中，微調(diào)后可以直接運行。

3　工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗整合

仿真實驗環(huán)境建設(shè)完成后，對3個模塊的資源進行了整合，學(xué)校聯(lián)合企業(yè)對資源進行了基于客戶端／服務(wù)器的集成開發(fā)，學(xué)習(xí)者可以通過客戶端訪問服務(wù)器，進入工業(yè)機器人虛擬車間，選擇不同的內(nèi)容進行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。

4　總結(jié)

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

參考文獻

［1］　陳廷艷，彭一航，許二娟，等．仿真軟件在工業(yè)機器人示教及再現(xiàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．輕工科技，2018，34（6）：74－75．

［2］　李欣，強華．工業(yè)機器人實驗教學(xué)平臺［J］．實驗技術(shù)與管理，2018，35（4）：166－170．

［3］　楊麗新，黃亮輝．基于機器人實驗教學(xué)的虛擬仿真集成技術(shù)探討［J］．實驗室研究與探索，2017，36（11）：103－106．

［4］　郝翠霞，葉暉．工業(yè)機器人實訓(xùn)課程的虛擬仿真教學(xué)研究［J］．實驗技術(shù)與管理，2018，35（6）：144－146．

［5］　戴亦宗，陳旭．基于三菱工業(yè)機器人的實驗室建設(shè)方案設(shè)計［J］．實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（1）：194－197．

［6］　趙鳳申，李愛芹．高職院校工業(yè)機器人實訓(xùn)室建設(shè)初探［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32（4）：115－116．

［7］　吳振宇，劉禹彤，馮林．機器人實踐教學(xué)體系改革探索［J］．實驗室研究與探索，2017，36（6）：192－195．

［8］　田軍營，韓建海，魏冰陽．高校工業(yè)機器人實驗室建設(shè)路徑探討［J］．中國教育技術(shù)裝備，2018（2）：74－76．

［9］　郭聯(lián)金．智能制造背景下機電專業(yè)實訓(xùn)室的升級改造［J］．實驗技術(shù)與管理，2018，35（9）：158－161．

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