工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站離線(xiàn)編程技術(shù)的教學(xué)與實(shí)施

張曉芳 秦婧 李頲

摘 要：文章闡述了工業(yè)機(jī)器人設(shè)備投入經(jīng)費(fèi)大，資金短缺問(wèn)題，提出了構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站及實(shí)施離線(xiàn)仿真編程的總體方案。并從案例選取、仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、教學(xué)內(nèi)容重組、仿真教學(xué)實(shí)施等幾個(gè)方面闡述了工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站離線(xiàn)編程教學(xué)的具體實(shí)施途徑。通過(guò)虛擬工作站離線(xiàn)編程的訓(xùn)練，降低教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生技能。

關(guān)鍵詞：工作機(jī)器人虛擬工作站;RobtStudio;離線(xiàn)編程;仿真教學(xué)

0? ? 引言

“制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。”工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)[1]。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是機(jī)械、電氣、軟件等多學(xué)科的融合，是智能制造的關(guān)鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)。培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)人才是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略重要舉措。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域人才供不應(yīng)求情況，需大力推進(jìn)產(chǎn)教深度融合，提升工學(xué)結(jié)合育人水平，系統(tǒng)化地培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的高端人才，應(yīng)多渠道多手段進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人技術(shù)崗位所需的知識(shí)和技能培養(yǎng)[2]。特別是信息技術(shù)廣泛應(yīng)用的時(shí)代，《國(guó)家職業(yè)教育改革方案》（職教20條）、《關(guān)于實(shí)施中國(guó)特色高水平高職學(xué)校和專(zhuān)業(yè)建設(shè)計(jì)劃的意見(jiàn)》（“雙高計(jì)劃”）都提出，“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(chǎng)等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用”。國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目提出要深化虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和建設(shè)，將教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量。深化信息技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)深度融合，突出以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，提升教學(xué)成效。

1? ? 各校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)條件現(xiàn)狀

截止到2020年，江蘇省內(nèi)開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的高職院校共計(jì)40多所。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)建設(shè)投入巨大，用于教學(xué)的一臺(tái)多自由度工業(yè)機(jī)器人就需要十幾萬(wàn)，且實(shí)訓(xùn)設(shè)備維護(hù)成本高[3]，除常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院、無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院、南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院等省內(nèi)一流高職院校專(zhuān)業(yè)硬件基礎(chǔ)好，大多數(shù)院校存在設(shè)備數(shù)量難以滿(mǎn)足教學(xué)需求的問(wèn)題。對(duì)于更高層次的工業(yè)機(jī)器人工作站集成系統(tǒng)一套動(dòng)輒上百萬(wàn)，且只能滿(mǎn)足個(gè)別培優(yōu)教學(xué)，無(wú)法滿(mǎn)足普適教學(xué)。為了解決工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)缺少相應(yīng)硬件條件支持的瓶頸問(wèn)題，可采用模擬真實(shí)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的虛擬工作站等技術(shù)手段來(lái)彌補(bǔ)。目前對(duì)于仿真教學(xué)案例，研究還不夠成熟，案例之間相互獨(dú)立，知識(shí)技能點(diǎn)分散，缺乏系統(tǒng)性;案例的選取達(dá)不到工程應(yīng)用要求的深度，使學(xué)生對(duì)知識(shí)技能點(diǎn)體會(huì)比較淺薄，不夠深刻，滿(mǎn)足不了實(shí)際企業(yè)對(duì)人才的要求。因此本課題在研究工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的基礎(chǔ)上，有序、系統(tǒng)地構(gòu)建典型工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站，通過(guò)仿真教學(xué)的研究來(lái)培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)機(jī)器人編程及系統(tǒng)應(yīng)用能力[4]。

2? ? 工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站離線(xiàn)編程的總體方案

本文所涉及的工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真編程是基于RobotStudio軟件開(kāi)發(fā)的。RobotStudio是瑞士ABB公司配套的軟件，它同時(shí)兼?zhèn)浞抡婧途幊坦δ堋ＶС謾C(jī)器人的整個(gè)生命周期，使用圖形化編程、編輯和調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建機(jī)器人的運(yùn)行，并模擬優(yōu)化現(xiàn)有的機(jī)器人程序[5]。在這個(gè)軟件中，機(jī)器人是以1：1 仿真建模，在此平臺(tái)進(jìn)行的程序開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)與實(shí)際平臺(tái)一致的效果。

先通過(guò)調(diào)研，校企深度合作，選取典型的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景作為虛擬工作站案例;接著在Solidworks和RobtStudio中對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作站進(jìn)行數(shù)字建模和離線(xiàn)編程設(shè)計(jì)，解決技術(shù)難點(diǎn);然后重組教學(xué)內(nèi)容，把各知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)有效融入各個(gè)典型案例中;最后對(duì)工業(yè)機(jī)器人仿真教學(xué)的實(shí)施手段和形式進(jìn)行研究，建設(shè)仿真教學(xué)的立體式教學(xué)資源，構(gòu)建線(xiàn)上線(xiàn)下融合的教學(xué)方式。

3? ? 工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站的離線(xiàn)編程教學(xué)具體實(shí)施途徑

3.1? 產(chǎn)教融合找定位，甄選設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站教學(xué)案例

深化產(chǎn)教融合、工學(xué)結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)工作機(jī)器人專(zhuān)業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求對(duì)接、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接、教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程對(duì)接[6]。因此我們將智能制造工廠(chǎng)的典型工作案例轉(zhuǎn)化為仿真案例，培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)機(jī)器人離線(xiàn)編程、工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。案例選取具有典型性，案例之間各有側(cè)重點(diǎn)，各個(gè)案例構(gòu)成系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景。擬構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用的切割、涂膠、焊接、搬運(yùn)、機(jī)床上下料等幾個(gè)虛擬工作站教學(xué)案例。通過(guò)對(duì)仿真案例的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作站結(jié)構(gòu)和空間驗(yàn)證、工業(yè)節(jié)拍驗(yàn)證和機(jī)器人技術(shù)研究，驗(yàn)證項(xiàng)目可實(shí)施性，反作用于生產(chǎn)實(shí)際。

3.2? 校企合作攻難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真系統(tǒng)

虛擬工作站仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要包含數(shù)字建模和工業(yè)機(jī)器人離線(xiàn)編程兩部分，這也是工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真教學(xué)的核心內(nèi)容。需要老師熟悉RobtStudio等軟件的數(shù)字建模和機(jī)器人編程技術(shù)。加強(qiáng)教師培訓(xùn)和企業(yè)實(shí)踐，鼓勵(lì)教師參與企業(yè)技術(shù)革新、技術(shù)服務(wù)，鼓勵(lì)老師參加“1+X”證書(shū)試點(diǎn)及數(shù)字孿生新技術(shù)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，提高專(zhuān)業(yè)教師的職業(yè)能力[7]。通過(guò)校企合作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作，攻破工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真的技術(shù)難點(diǎn)，共同完成教學(xué)內(nèi)容的開(kāi)發(fā)，工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟如圖1所示。

3.3 工學(xué)結(jié)合促改革，重組各虛擬工作站仿真教學(xué)內(nèi)容

突破了虛擬工作站構(gòu)建與離線(xiàn)編程技術(shù)難點(diǎn)后，針對(duì)各個(gè)案例的側(cè)重點(diǎn)和典型性，對(duì)各知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)進(jìn)行有效梳理，把這些融入到各個(gè)案例中，各虛擬工作站涉及的教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

3.4? 學(xué)習(xí)通泛在學(xué)習(xí)為載體，研究工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真教學(xué)實(shí)施

為進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，需加強(qiáng)學(xué)習(xí)通工業(yè)機(jī)器人資源建設(shè)和基于學(xué)習(xí)通泛在學(xué)習(xí)指導(dǎo)。教師將切割、涂膠、焊接、搬運(yùn)、機(jī)床上下料等幾個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程錄制成視頻和制作活頁(yè)操作手冊(cè)，并整合各種線(xiàn)上和實(shí)體資源，在學(xué)習(xí)通上構(gòu)建以本班級(jí)為單位的在線(xiàn)學(xué)習(xí)課程。引導(dǎo)學(xué)生泛在自主學(xué)習(xí)。課前學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)通在線(xiàn)資源的學(xué)習(xí)，嘗試體驗(yàn)操作;課堂利用翻轉(zhuǎn)課堂形式，老師對(duì)學(xué)生虛擬工作站操作步驟中遇到的困難進(jìn)行個(gè)別輔導(dǎo)，靈活應(yīng)用學(xué)習(xí)通的搶答、主題討論、測(cè)試、學(xué)習(xí)反饋等功能構(gòu)建信息化課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化指導(dǎo);課后學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)通完成老師布置的拓展任務(wù)，教師通過(guò)學(xué)習(xí)通可對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生也可對(duì)教學(xué)提出反饋和建議，便于老師進(jìn)一步優(yōu)化，形成完善有效的教學(xué)實(shí)施與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人仿真教學(xué)解決實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不能滿(mǎn)足實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求的問(wèn)題。學(xué)生可利用電腦隨時(shí)隨地進(jìn)行離線(xiàn)編程，通過(guò)反復(fù)練習(xí)，在降低教學(xué)成本的同時(shí)提高本專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量。

學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)通智慧教室學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，可大大提高課堂效率，充分利用課后時(shí)間，每個(gè)同學(xué)都有機(jī)會(huì)獲取資源并進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新性，為后續(xù)崗位能力的提升打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

將工業(yè)機(jī)器人虛擬工作站仿真系統(tǒng)教學(xué)資源放置學(xué)習(xí)通云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源共享，為其他高職院校的教師提供了豐富的數(shù)字化教學(xué)資源和泛在學(xué)習(xí)的范式。

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（編輯 傅金睿）