對工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)的探究

趙卿

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 ?虛擬仿真 ?教學(xué) ?探究

隨著我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，技工院校需要依據(jù)我國制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀開設(shè)相關(guān)專業(yè)課程，及時將新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范納入教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)，滿足企業(yè)對技術(shù)技能人才的需求。目前，由于對智能工廠虛擬仿真技術(shù)認(rèn)識不足，結(jié)合制造業(yè)一線需求開設(shè)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)的技工院校還比較少，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展有待更多關(guān)注，以加快工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)運(yùn)用步伐，提升學(xué)校辦學(xué)能力。

一、工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)的背景

《中國制造2025》（國發(fā)〔2015〕28號）明確指出，“制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基?！薄巴七M(jìn)制造過程智能化。在重點領(lǐng)域試點建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間，加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人、智能物流管理、增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制?！?/p>

以工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展為例，近年來，中國工業(yè)機(jī)器人市場表現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)勁，市場容量不斷擴(kuò)大;工業(yè)機(jī)器人熱潮帶動了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善;因此高素質(zhì)、高技能人才需求量大，人才短缺已成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的短板。

目前國內(nèi)開設(shè)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)的職業(yè)院校還在少數(shù)，從事工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場編程、維護(hù)及安裝調(diào)試等崗位的人員，主要來自對電氣自動化技術(shù)、機(jī)電一體化等專業(yè)技術(shù)人員的二次培訓(xùn)。這就要求技工院校加快工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)的建設(shè)，開設(shè)相關(guān)課程，堅持知行合一、工學(xué)結(jié)合，科學(xué)合理地運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)，提升技術(shù)技能人才培養(yǎng)質(zhì)量。

二、智能工廠虛擬仿真技術(shù)

1.虛擬仿真

虛擬仿真是通過CAD/CAM/CAE等技術(shù)在可視化虛擬環(huán)境下實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析、優(yōu)化的新型技術(shù)，其在智能制造領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用，特別是智能工廠可以通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)線的節(jié)拍控制分析、機(jī)器人運(yùn)動控制、動力學(xué)分析、軌跡和路徑規(guī)劃離線編程、機(jī)器人與工作環(huán)境的相互作用等;在獲得最優(yōu)智能生產(chǎn)線設(shè)計方案的同時，最大限度地降低設(shè)計成本，提高工作效率。

2.智能工廠虛擬仿真的優(yōu)點

虛擬仿真的設(shè)計方法體現(xiàn)出并行工程的概念和思想，是今后智能制造技術(shù)的發(fā)展方向，與傳統(tǒng)方法相比具有諸多優(yōu)勢，即在智能工廠設(shè)計初期即確定關(guān)鍵的參數(shù)、更新產(chǎn)品開發(fā)過程、縮短開發(fā)周期、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。智能工廠虛擬仿真技術(shù)具有以下優(yōu)點。

（1）系統(tǒng)集成性。實現(xiàn)智能工廠的虛擬仿真需要將多種不同產(chǎn)品結(jié)合在一起，完成功能全面的虛擬現(xiàn)實，因此需要多種不同系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、互相作用;其系統(tǒng)集成性主要體現(xiàn)在以下方面。

①完成傳統(tǒng)CAD三維建模的同時加入工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)算法。

②生產(chǎn)節(jié)拍、機(jī)器人與其他生產(chǎn)組件的配合、對工業(yè)機(jī)器人工作空間可達(dá)性、運(yùn)動軌跡的規(guī)劃等算法及離線編程處理后虛擬仿真進(jìn)行驗證。

③生產(chǎn)線PLC、機(jī)器人控制系統(tǒng)、I/O的信號等數(shù)據(jù)上傳，與虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行集成。

（2）組件模型的參數(shù)化和數(shù)據(jù)庫。通常一個智能工廠的組件大約在5萬到10萬個（不含重復(fù)組件），大量重復(fù)使用的模型經(jīng)過參數(shù)化處理并形成組件庫，可以更快捷地變更組件和規(guī)劃布局，大幅減少工程師用于CAD建模和籌劃運(yùn)動算法的時間。

（3）可視化與交互性。機(jī)器人智能工廠虛擬仿真提供了良好的模型顯示環(huán)境，具有可視化方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)交互式設(shè)計。

3.智能工廠虛擬仿真教學(xué)的特點

（1）工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)。能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬仿真環(huán)境體現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的真實狀況，實現(xiàn)無縫連接。

（2）具有二次開發(fā)能力。可以根據(jù)教學(xué)實際，自主創(chuàng)建虛擬設(shè)備與環(huán)境，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的多樣性。

（3）虛實結(jié)合?？梢詫崿F(xiàn)軟件到實物的互聯(lián)互通，構(gòu)建虛實轉(zhuǎn)化有效橋梁。

（4）教學(xué)資源豐富。有成熟的與企業(yè)應(yīng)用實際相一致的教學(xué)資源庫。

三、工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)設(shè)想

在國家大力推進(jìn)制造業(yè)的背景下，工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線技術(shù)得到了飛躍式發(fā)展，智能化與綜合化是未來企業(yè)發(fā)展的趨勢，因此，引進(jìn)工業(yè)級的自動化生產(chǎn)綜合應(yīng)用虛擬平臺，提升學(xué)校辦學(xué)綜合能力，加快工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)人才培養(yǎng)，才能更好地滿足企業(yè)對技術(shù)技能人才的需求。

職業(yè)教育是制造業(yè)一線技術(shù)技能人才的主要來源之一，提升制造業(yè)領(lǐng)域技術(shù)技能人才培養(yǎng)能力，優(yōu)化辦學(xué)專業(yè)結(jié)構(gòu)，調(diào)整相關(guān)課程，是職業(yè)院校當(dāng)務(wù)之急。概而言之，應(yīng)從以下三個方面進(jìn)行：一是開設(shè)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)，配合學(xué)校現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人實體，引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人電氣與機(jī)械裝調(diào)軟件，進(jìn)行教學(xué)技術(shù)整合;二是進(jìn)行教學(xué)技術(shù)整合與生產(chǎn)實際加工工件相結(jié)合，擬定實施教學(xué)計劃、教學(xué)大綱及相關(guān)課題，進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)線的工藝流程規(guī)劃、生產(chǎn)線虛擬搭建、設(shè)備控制調(diào)試等工作教學(xué)環(huán)節(jié);三是校企合作，讓學(xué)生走出去，進(jìn)行企業(yè)認(rèn)知實踐活動，進(jìn)一步熟悉工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線操作平臺。教學(xué)具體設(shè)想有以下幾個方面。

一是引進(jìn)工業(yè)級綜合應(yīng)用虛擬仿真軟件，進(jìn)一步完善工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)教學(xué)體系，促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)向智能制造領(lǐng)域邁進(jìn)，提升辦學(xué)能力。

二是為滿足工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)的要求，突出操作能力培養(yǎng)，進(jìn)行理論實踐和虛擬實際一體化教學(xué)，使教學(xué)與企業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合。

三是在課題教學(xué)實施過程中，開展校企合作，做好軟件功能的二次開發(fā)，進(jìn)行虛擬與生產(chǎn)實際對接，充分利用好現(xiàn)有教學(xué)軟件、硬件資源，進(jìn)行產(chǎn)品零件加工，降低教學(xué)純消耗成本。

四是在工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)模式方面實施產(chǎn)教融合、訂單式培養(yǎng)，校企“雙元”育人?！半p元”即理論—實踐，學(xué)?！髽I(yè)，思維—動手，集中體現(xiàn)在對操作技能訓(xùn)練的認(rèn)知實踐活動。現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)要求技工院校培養(yǎng)的人才是高質(zhì)量技能人才，高質(zhì)量主要指具有高水平操作技能，它是基礎(chǔ)知識、心理過程、操作行為三者的有機(jī)結(jié)合，此外還應(yīng)有良好的思想品德、端正的勞動態(tài)度和優(yōu)秀的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力等作為保證。

四、工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)實踐

工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)要求學(xué)生掌握的內(nèi)容多而復(fù)雜，因此是一種對綜合性能力的培養(yǎng)。要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)對象和教學(xué)條件，采用理實一體化教學(xué)模式，以技術(shù)技能操作教學(xué)為主線，有針對性地為學(xué)生進(jìn)行相關(guān)理論知識的講解。

教學(xué)案例：

課題 ?工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真

教學(xué)目的：1.通過虛擬工廠網(wǎng)絡(luò)教學(xué)壓實產(chǎn)教融合;

2.通過系統(tǒng)集成性的思維培養(yǎng)，讓學(xué)生感受生產(chǎn)線過程;

3.了解智能制造系統(tǒng)的使用和技術(shù)技能操作過程。

教學(xué)重點：突出工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真技術(shù)技能操作。

教學(xué)難點：系統(tǒng)集成性的思維培養(yǎng)。

實習(xí)實訓(xùn)內(nèi)容及要求：

按照設(shè)備數(shù)量，以小組為單位，每組3～4人，組內(nèi)成員分別負(fù)責(zé)工藝流程規(guī)劃，生產(chǎn)線搭建，設(shè)備編程虛擬調(diào)試等工作;在生產(chǎn)線搭建過程中，將所搭建的生產(chǎn)線與學(xué)?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真技術(shù)結(jié)合。

實習(xí)實訓(xùn)步驟：

1.典型工作任務(wù)描述和布置工作任務(wù)

（1）任務(wù)描述：某步進(jìn)電動機(jī)生產(chǎn)廠家，準(zhǔn)備購置一套步進(jìn)電動機(jī)自動生產(chǎn)線，要求該生產(chǎn)線項目能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真。

（2）布置工作任務(wù)：某步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)制造商，需要一套工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)步進(jìn)電動機(jī)的生產(chǎn)線，生產(chǎn)線可以對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行裝配與性能測試，該裝配線主要由3臺6軸工業(yè)機(jī)器人、4臺直角坐標(biāo)機(jī)器人、1條物流線、2輛AGV小車和1套總控系統(tǒng)組成，該生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的零件加工、組裝、檢測、包裝、物流倉儲等所有生產(chǎn)工序?，F(xiàn)根據(jù)客戶要求，完成工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真工作任務(wù)。

通過描述智能工廠的功能、結(jié)構(gòu)、組成和特點等，引導(dǎo)學(xué)生明確工作內(nèi)容。場地布置如圖所示。

2.根據(jù)任務(wù)進(jìn)行虛擬工業(yè)現(xiàn)場流程規(guī)劃

學(xué)生小組閱讀實訓(xùn)任務(wù)單，查閱作業(yè)指導(dǎo)書，明確工作的內(nèi)容、要求和安全注意事項等，以小組合作的方式，按照流程、任務(wù)要求和安全作業(yè)規(guī)范制訂工作計劃進(jìn)度表。分析在實訓(xùn)過程中需嚴(yán)格執(zhí)行的安全生產(chǎn)制度、環(huán)境保護(hù)制度、GB/T 20868（工業(yè)機(jī)器人性能試驗實施規(guī)范）、 GB/T 20867（工業(yè)機(jī)器人安全實施規(guī)范）、GB/T 5226（工業(yè)機(jī)器人機(jī)械電氣安全標(biāo)準(zhǔn)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及“6S”等管理要求。

3.搭建工業(yè)現(xiàn)場虛擬環(huán)境，建立工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，創(chuàng)建相應(yīng)組件

根據(jù)實際任務(wù)要求及現(xiàn)場流程規(guī)劃。從機(jī)器人庫導(dǎo)入相應(yīng)的機(jī)器人模型，對機(jī)器人工具、外圍設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充完善和建模、導(dǎo)入;建立具有與實際工業(yè)現(xiàn)場工作過程相符合的活動組件，進(jìn)行導(dǎo)入;創(chuàng)建整個生產(chǎn)線系統(tǒng)的機(jī)器人系統(tǒng)，完成虛擬仿真的場景布置，為后續(xù)離線編程做好前期準(zhǔn)備工作。

相關(guān)知識講解：ABB RobotStudio計算機(jī)仿真軟件基本操作方法。

4.根據(jù)現(xiàn)場流程規(guī)劃，配置組件相應(yīng)的I/0信號，模擬連接測試

基于智能工廠的系統(tǒng)建立之上，對工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。先建立工業(yè)機(jī)器人與PLC的模擬通訊，配置工業(yè)機(jī)器人與PLC及外圍設(shè)備的I/O信號，對I/O進(jìn)行模擬仿真置位、復(fù)位，測試模擬連接的準(zhǔn)確性，為工業(yè)機(jī)器人的離線編程設(shè)置I/O信號。

相關(guān)知識講解：配置I/O方法。

5.根據(jù)生產(chǎn)線工藝要求，完成工業(yè)機(jī)器人編程

按照工作任務(wù)描述中的工作流程，對每個工藝的過程進(jìn)行單獨(dú)分析，分解工業(yè)機(jī)器人的工作路徑，對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡進(jìn)行合理的規(guī)劃，采用虛擬示教與軌跡編程結(jié)合的方式完成工業(yè)機(jī)器人的每個工藝的編程，之后要對工業(yè)機(jī)器人與相應(yīng)工藝外圍設(shè)備的配合度進(jìn)行調(diào)整。

相關(guān)知識講解：坐標(biāo)系標(biāo)定、程序?qū)?、示教目?biāo)點確定。

6.對虛擬生產(chǎn)線進(jìn)行仿真驗證

在每個工藝過程可以單獨(dú)完成運(yùn)行后，要對整個虛擬生產(chǎn)線進(jìn)行過程仿真，測試虛擬生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程。若不能完成工件的模擬制造，要及時對工藝過程的銜接性進(jìn)行調(diào)整與測試。

7.優(yōu)化虛擬生產(chǎn)線流程，調(diào)整虛擬生產(chǎn)線節(jié)拍

通過對虛擬結(jié)果的分析與測試，對虛擬生產(chǎn)線流程進(jìn)行試驗。首先優(yōu)化虛擬生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程，進(jìn)行流程內(nèi)容調(diào)整，使相應(yīng)工藝生產(chǎn)節(jié)拍一致，對仿真環(huán)境或離線編程的內(nèi)容要做修改;然后再次進(jìn)行試驗，經(jīng)試驗仿真無誤后，對虛擬生產(chǎn)線的仿真內(nèi)容進(jìn)行封裝打包。

8.學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)進(jìn)行評價及總結(jié)

以小組為單位擬定展示方案及步驟，對照客戶要求進(jìn)行實際展示及評價。結(jié)合實習(xí)實訓(xùn)結(jié)果，對課題實訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，填寫相應(yīng)的實習(xí)實訓(xùn)報告，總結(jié)本次實習(xí)實訓(xùn)課題的得與失。

（三）教學(xué)反思

通過本課題教學(xué)，基本達(dá)到了預(yù)期目的，76%的學(xué)生對工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)、二次開發(fā)、虛實結(jié)合等概念有了初步的認(rèn)識，24%的學(xué)生對學(xué)習(xí)不感興趣，其原因是基礎(chǔ)知識掌握得不扎實，學(xué)習(xí)過程中存在困難。以后的教學(xué)中應(yīng)該注意的問題：一是對基礎(chǔ)差的學(xué)生，教師應(yīng)進(jìn)行針對性的補(bǔ)課;二是教師必須對二次開發(fā)、虛實結(jié)合、數(shù)學(xué)資源庫等教學(xué)內(nèi)容熟練掌握，這樣才能在授課時做到游刃有余，收到良好的教學(xué)效果。

五、工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)的探討

1.工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)點

一是壓實產(chǎn)教融合，不出校門便將新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范納入教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化了學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)的教學(xué)目的。二是對學(xué)生進(jìn)行了系統(tǒng)性思維培養(yǎng)，使學(xué)生對全局工程思維有所感知，并對設(shè)計及技術(shù)技能操作有了初步認(rèn)知與實踐。三是智能工廠仿真技術(shù)的教學(xué)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生清楚所學(xué)的知識將如何被應(yīng)用到現(xiàn)實工程中。四是有助于對學(xué)生的職業(yè)規(guī)劃指導(dǎo)，能夠讓學(xué)生了解自己的未來職業(yè)發(fā)展及側(cè)重方向，從而在學(xué)習(xí)過程中主動地、廣泛地學(xué)習(xí)相關(guān)知識，而不限于課堂學(xué)習(xí)本身。五是教學(xué)過程中學(xué)生和設(shè)備的安全性較為可靠。六是可節(jié)約大量設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)，而且實習(xí)實訓(xùn)場地占地面積小。

2.工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)的完善

一是加大教學(xué)投入，購置工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用虛擬仿真軟件，增加工作點。二是充分發(fā)揮校企合作平臺的作用，結(jié)合學(xué)校實際情況做好軟件二次開發(fā)。三是針對軟件功能，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)情況，進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)資源開發(fā)，開發(fā)包括教材、微課、視頻、課件等配套課程資源的建設(shè)。四是充分利用工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用仿真平臺，把企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員請進(jìn)學(xué)校，加強(qiáng)師資隊伍建設(shè)，提高教學(xué)質(zhì)量。

綜上所述，當(dāng)前我國制造業(yè)發(fā)展迅速，技工院校應(yīng)與時俱進(jìn)，依據(jù)制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，按照《國家職業(yè)教育改革實施方案》（國發(fā)〔2019〕4號）“適應(yīng)‘互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育發(fā)展需求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用”的要求，高度重視虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展，加快工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)步伐，加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線虛擬仿真教學(xué)實踐。技工院校教學(xué)要對接制造強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略任務(wù)和重點領(lǐng)域，提升人才服務(wù)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的能力，健全多層次多類型人才培養(yǎng)體系，進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)的前瞻性、引領(lǐng)性和針對性，不斷優(yōu)化人才發(fā)展環(huán)境，為實現(xiàn)中國制造由大變強(qiáng)的戰(zhàn)略任務(wù)提供堅實的人才支撐。

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（作者單位：天津市機(jī)電工藝學(xué)院）