工業(yè)機器人應用虛擬仿真實驗開發(fā)探索與實踐

陳永平,徐麗紅

(上海電子信息職業(yè)技術學院 機械與能源工程學院，上海 201411)

0 引言

隨著工業(yè)機器人的廣泛使用，工業(yè)機器人技術已經(jīng)成為最受關注的高技術之一[1]。推進工業(yè)機器人的應用和發(fā)展，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，帶動相關學科發(fā)展和技術創(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)高職院校紛紛設立工業(yè)機器人技術專業(yè)，2018年開設工業(yè)機器人技術專業(yè)的高職學校超過400家，但是由于工業(yè)機器人實訓系統(tǒng)昂貴，實訓設備維護成本高[3-4]，造成部分院校的實訓條件還滿足不了相關技術技能人才培養(yǎng)的需求。

受到實訓場地和設備數(shù)量的制約，實訓只能分批次進行，限制了學生實際動手操作的機會，利用虛擬仿真進行模擬實訓成為解決實訓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)的實訓設備[5-9]，同時也加強了對仿真虛擬實訓能力的建設。遼寧裝備制造職業(yè)技術學院的呂明珠[10]設計了基于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)技術學院的魏志麗[11]建立了基于ABB工業(yè)機器人的虛擬實驗實訓室，從硬件、軟件、項目開發(fā)和應用效果等方面對虛擬實訓室進行了闡述。無錫商業(yè)職業(yè)技術學院的李海波等人[12]構(gòu)建了基于PLC和HMI的機械手碼垛仿真系統(tǒng)。

a 真實設備

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)建設項目研究基礎上，提出了工業(yè)機器人應用虛擬仿真實驗開發(fā)的思路。根據(jù)工業(yè)機器人應用教學內(nèi)容，開發(fā)了典型應用、行業(yè)應用和系統(tǒng)集成3個虛擬仿真實驗模塊，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，學習者可根據(jù)自身需求選擇相應模塊進行學習。

1 工業(yè)機器人應用虛擬仿真實驗開發(fā)思路

工業(yè)機器人應用虛擬仿真平臺開發(fā)的目的是為了讓學生了解和學習工業(yè)機器人的各類應用及集成技術，通過平臺可以完成一個個完整的機器人應用項目，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，仿真訓練可直接應用于實際

開發(fā)的平臺基于真實的實訓環(huán)境，基于仿真平臺上進行的實驗項目，可應用于實際。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。實訓設備如圖1所示。

圖1(a)為實訓室中工業(yè)機器人設備，圖1(b)是1∶1的三維仿真模型，利用圖1(b)所訓練的所有成果都可以直接在真實設備上面進行驗證。

a 電氣線路仿真

(2)實驗內(nèi)容與行業(yè)結(jié)合，貼近企業(yè)真實應用

高職院校所培養(yǎng)的人才是為地方區(qū)域經(jīng)濟服務的，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)實驗實訓平臺，這樣所開發(fā)的實訓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、設備安裝調(diào)試、控制系統(tǒng)方案的設計和系統(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，如表1所示。

表1 內(nèi)容分層表

(4)實驗資源集職業(yè)培訓功能于一體

職業(yè)培訓是職業(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，因此仿真實驗平臺應該具有培訓的職能，能夠引入互聯(lián)網(wǎng)手段將資源開放，對在校學生、企業(yè)員工及社會人員開展線上線下的培訓。

2 工業(yè)機器人應用虛擬仿真實驗開發(fā)

基于工業(yè)機器人應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個仿真實驗模塊：典型應用模塊、行業(yè)應用模塊和系統(tǒng)集成模塊。典型應用模塊中可以完成工業(yè)機器人基本操作、基本編程及典型應用的仿真學習。行業(yè)應用模塊針對機器人應用的不同行業(yè)，對機器人的應用進行仿真的訓練，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用以及與外圍設備的集成。

(1)典型應用模塊開發(fā)

搬運和碼垛是工業(yè)機器人最典型的應用，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用模塊進行仿真開發(fā)。

搬運工作站仿真環(huán)境如圖2所示。

圖2 搬運工作站仿真實驗

由機器人、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ABB IRB460機器人搭載真空吸盤夾具實現(xiàn)物料的定點搬運。

碼垛工作站仿真環(huán)境如圖3所示。

圖3 碼垛工作站仿真實驗

機器人在搬運的基礎上，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練。

在搬運和碼垛兩個項目中已預先對傳送帶運動、吸盤吸附物料等動作效果進行了設置，學習者在此基礎上可以進行機器人I/O配置、程序數(shù)據(jù)創(chuàng)建、目標點示教、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的基礎操作和編程訓練可以借助這2個工作站來進行，無需另外開發(fā)基礎的模塊。

學習者在完成搬運碼垛的學習后，可以進入CNC機床上下料這一具體的針對性的應用學習，如圖4所示。

圖4 CNC機床上下料

通過該仿真項目不僅將前面所學基礎知識技能進一步進行強化，同時也將學習者引入到具體的應用場景中，更加貼近企業(yè)真實環(huán)境。在這一仿真環(huán)境中，學習者進行應用操作時，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)應用模塊開發(fā)

通過典型應用模塊的學習，學習者掌握了工業(yè)機器人基本的操作技能，后續(xù)將深入到具體的行業(yè)應用場景中進行學習。工業(yè)機器人幾乎在各個行業(yè)中都有應用，如果學校建設機器人行業(yè)應用實訓室，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)應用模塊開發(fā)時，充分考慮機器人行業(yè)應用的規(guī)模和機器人的類型，先期開發(fā)了關節(jié)型機器人汽車風擋玻璃涂膠、關節(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個應用。

汽車風擋玻璃工作站如圖5所示。

圖5 涂膠工作站仿真環(huán)境

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備，機器人搭載膠槍完成風擋玻璃的涂膠工作。通過該項目，可以學習涂膠工藝、涂膠指令以及涂膠任務的調(diào)試要點。

焊接工作站如圖6所示。

圖6 焊接工作站仿真環(huán)境

包括了機器人、焊槍、焊機和變位機等設備，機器人搭載焊槍完成焊接工作。通過該項目，可學習焊接指令、焊機的設置、焊接信號和焊接工業(yè)等知識技能。

分揀工作站如圖7所示。

圖7 分揀工作仿真環(huán)境

包含了ABB 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，是對在關節(jié)型機器人學習項目的一次拓展，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)的應用不斷增加新的行業(yè)應用，進行完善更新。在校學生可以根據(jù)教學有選擇的進行該模塊的學習，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)機器人的應用除了工業(yè)機器人外，還涉及到很多的外圍設備，需要對外圍設備進行整合，在PLC等控制單元的控制下進行協(xié)調(diào)工作，因此電氣線路設計、PLC程序設計、網(wǎng)絡通信和外圍設備的調(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備進行集成，使機器人能與外圍設備協(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)，如圖8所示。

圖8 工業(yè)機器人工作站

總體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、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，如圖9所示。

完成仿真操作后，可以實現(xiàn)功能的仿真驗證，學習者將程序?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)機器人應用虛擬仿真實驗整合

仿真實驗環(huán)境建設完成后，對3個模塊的資源進行了整合，學校聯(lián)合企業(yè)對資源進行了基于客戶端/服務器的集成開發(fā)，學習者可以通過客戶端訪問服務器，進入工業(yè)機器人虛擬車間，選擇不同的內(nèi)容進行學習、訓練，如圖10所示。

圖10 虛擬工業(yè)機器人車間

4 總結(jié)

工業(yè)機器人應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、社會培訓于一體，學習內(nèi)容根據(jù)應用層次進行了分層，學習者可根據(jù)學習需求進行選擇。通過虛擬仿真實驗，學習者能夠了解工業(yè)機器人行業(yè)應用整個工藝過程，熟悉工業(yè)機器人不同行業(yè)的應用需求，在此基礎上能夠快速的操作工業(yè)機器人等機械設備。在后續(xù)開發(fā)中，可以增加在線直播模塊，提供在線學習與考核。