工業(yè)機器人虛擬仿真系統(tǒng)集成開發(fā)

【摘要】 為了結合廣西生產(chǎn)企業(yè)自動化改造升級發(fā)展，文中圍繞機器人糖包自動分揀碼垛等輕工生產(chǎn)企業(yè)自動化改造提取和開發(fā)教學資源，將企業(yè)實踐過程轉(zhuǎn)化到一體化課程的六步法進行闡述，指導學生能夠在一體化教學中學習機器人系統(tǒng)集成項目，掌握緊貼工業(yè)自動化行業(yè)技術發(fā)展的知識和技能。

【關鍵詞】 工業(yè)機器人;自動分揀作業(yè);仿真模型

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.05.043

Integrated Development Course of Industrial Robot Virtual Simulation System

GAN Lu

（Guangxi Light Industry Technician College，Nanning 530031，China）

Abstract： In order to combine the automation transformation and upgrading development of Guangxi production enterprises， this paper focuses on the extraction and development of teaching resources for the automation transformation of light industry production enterprises， such as the automatic sorting and palletizing of robot sugar packets， and describes the six step method of transforming the enterprise practice process into the integrated curriculum， so as to guide students to learn the robot system integration project in the integrated teaching， Master the knowledge and skills closely related to the technical development of industrial automation industry.

Key words： industrial robot;automatic sorting operation;simulation model

隨著智能制造技術的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)逐步引入工業(yè)機器人進行自動化集成系統(tǒng)升級改造，通過對廣西制糖、造紙等輕工類生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研，結合制糖行業(yè)機器人系統(tǒng)集成項目，開發(fā)基于虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成設計課程，引入一體化教學模式，探索在模擬仿真企業(yè)情景中完成機器人系統(tǒng)集成設計的工學結合一體化教學。

1 開發(fā)的意義

目前國內(nèi)工業(yè)機器人技術應用領域的項目更新日新月異，對比廣西機器人系統(tǒng)集成應用的發(fā)展現(xiàn)狀，如果還是按照固定的機器人系統(tǒng)實操項目來開展教學，已經(jīng)很難適應機器人行業(yè)的發(fā)展。而且職業(yè)院校機器人系統(tǒng)集成設計實訓設備的采購成本非常高，不利于機器人系統(tǒng)集成技術的應用和教學。因此開發(fā)一套與企業(yè)現(xiàn)場實際應用相結合的機器人虛擬仿真系統(tǒng)及一體化教學資源，不但能夠節(jié)約成本，還具有技術創(chuàng)新性?！疤搶崱苯Y合用于教學，實現(xiàn)虛擬學習、實踐教學與現(xiàn)場應用的“三位一體”無縫連接，對于培養(yǎng)適應機器人系統(tǒng)集成應用的專業(yè)人才具有重要的意義和實用價值。

2 典型工作任務的提取

深入廣西豐林木業(yè)有限公司、廣西南南鋁加工有限公司、南寧糖業(yè)香山糖廠、貴糖集團等區(qū)內(nèi)多家生產(chǎn)企業(yè)，重點考察基于工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線改造項目，提取到企業(yè)典型工作任務4個，其中制糖企業(yè)基于工業(yè)機器人的自動化分揀碼垛生產(chǎn)線是廣西區(qū)內(nèi)機器人系統(tǒng)集成應用最具普遍性的工作任務。

針對糖廠工業(yè)機器人自動分揀碼垛自動化改造項目，利用機器人視覺識別糖包大小、擺放方位、傳送帶實時速度等參數(shù)，通過工業(yè)機器人抓取物品，然后放到碼垛平臺，實現(xiàn)貨物快速、不間斷分揀、碼垛的過程（見圖1）。在典型任務中，上承自動傳送帶，下接碼垛打包平臺、自動導引傳送帶分揀作業(yè)。在企業(yè)實踐中，識別分揀的速率和正確率直接影響生產(chǎn)的效能和節(jié)拍，并間接影響企業(yè)自動化生產(chǎn)效率。因此，讓學生掌握好工業(yè)機器人自動分揀碼垛自動化改造項目這一典型工作案例具有重要意義。

開展企業(yè)調(diào)研的過程中，對南寧糖業(yè)集團香山糖廠使用的機器人分揀碼垛生產(chǎn)線技術改造項目的各項設備及性能指標逐項記錄及分析，該項目采用的是FANAC M-410型機器人，具備全自動傳送、糖包識別、機器人抓取、計包測量、自動倒袋、自動碼垛作業(yè)、自動編碼打印、自動裝車等功能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工包裝、搬運及碼垛作業(yè)，有效降低碼垛工人的勞動強度，提升企業(yè)生產(chǎn)效率，減少勞動成本。根據(jù)香山糖廠實際生產(chǎn)線情況，設計工業(yè)機器人自動包裝碼垛典型工作任務，并對生產(chǎn)線系統(tǒng)進行自動化控制及仿真，典型工作任務能為工業(yè)機器人系統(tǒng)集成課程提供輔助理解與參數(shù)調(diào)試操作，大大減少職業(yè)院校機器人專業(yè)投入的時間與成本，針對目前職業(yè)院校ABB工業(yè)機器人實訓典型工作站和企業(yè)機器人自動化改造項目，集成六軸機器人、高速并聯(lián)機器人、雙臂人形機器人等設備，有利于工業(yè)機器人專業(yè)開展基于虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成課程。

3 教學資源的開發(fā)及轉(zhuǎn)化

通過廣西南寧糖業(yè)香山糖廠機器人分揀碼垛生產(chǎn)線項目，總體結構為4條機器人碼垛生產(chǎn)線匯入1條機器人裝車輸送線，由碼垛機器人完成碼垛作業(yè)。在典型工作任務中，一號匯線輸送機的糖包、二號匯線輸送機的糖包之間的邏輯控制組態(tài)，可避免糖包沖突疊加，引起程序錯誤或碼垛機器人意外損壞。我們在機器人仿真任務的機器人程序編寫中，要根據(jù)企業(yè)實際編寫開發(fā)機器人程序，但首先要厘清典型工作任務中的控制邏輯。

3.1 控制邏輯設計

香山糖廠成品自動化碼垛生產(chǎn)線一共有4條碼垛輸送機，其中2條輸送帶糖包同時啟動匯線，為避免糖包重疊的現(xiàn)象導致機器誤操作現(xiàn)象，需要對碼垛生產(chǎn)線控制邏輯時序進行設計。

邏輯控制組態(tài)：

1）碼垛輸送線復位后，優(yōu)先檢測一號匯線輸送機是否輸送糖包信號反饋，若有執(zhí)行匯線動作輸入信號，碼垛輸送線可屏蔽停止信號，繼續(xù)等待糖包輸送信號。

2）檢測二號匯線輸送機有輸送信號反饋，判斷一號匯線輸送機匯線糖包先到，一號匯線輸送機可優(yōu)先執(zhí)行系統(tǒng)匯線啟動，同時控制碼垛輸送線后段輸送機全部停止，邏輯等待匯線完成。

3）判斷一二號輸送機糖包同時到達，則可執(zhí)行碼垛輸送線匯線的機器人碼垛工作。兩邊匯線輸送機也進行同樣的邏輯算法判斷。最后碼垛輸送線按順序執(zhí)行至碼垛機器人，并執(zhí)行碼垛作業(yè)。

制糖業(yè)是24小時生產(chǎn)連續(xù)性的企業(yè)，機器人碼垛生產(chǎn)線在系統(tǒng)集成設計時就必須考慮多臺糖包裝車運輸線與多臺碼垛機器人之間的生產(chǎn)效率的關系。為達到更高效的工作效率，其根本原則是碼垛機器人生產(chǎn)節(jié)拍略大于裝車運輸線生產(chǎn)的節(jié)拍。按照邏輯時序，基于機器人的自動包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)設計的系統(tǒng)各邏輯功能必須滿足技術參數(shù)才能保證控制執(zhí)行的合理、時序、效率。

3.2 一體化教學資源的轉(zhuǎn)化

1）基于機器人虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成設計課程的典型工作任務，能夠根據(jù)機器人程序中的控制邏輯和指令，利用機器人自動化生產(chǎn)線的邏輯控制時序、數(shù)據(jù)模擬信號來模擬自動化產(chǎn)環(huán)境，進行三維控制，開展設備運行參數(shù)調(diào)試和執(zhí)行操作任務。機器人仿真系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)與PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，輸入輸出信號的指令接收和發(fā)送下一步位的數(shù)據(jù)建造，能夠快速有效地形成一個模擬環(huán)境機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)實際工作任務和仿真環(huán)境之間的有效對接。機器人在模擬仿真環(huán)境下，能夠打開身體內(nèi)部的數(shù)據(jù)連接和網(wǎng)絡對接實現(xiàn)智能化模擬工程運作，完成信息的交換，交流（見圖2）。

2）基于機器人虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成設計課程的一體化教學工作頁，包括實操工作手冊和過程任務單兩部分。工作手冊包含學生完成工作任務需要的知識內(nèi)容，用于學生自主收集和學習相關知識。任務實施引導是根據(jù)過程任務單開展，過程以教學資源為基礎進行編寫，每個工作任務的任務單包含工作布置、課前信息查詢、工作計劃制訂、實施過程記錄與思考、檢查內(nèi)容及記錄、過程評價、任務思考和創(chuàng)新。

3.3 一體化教學及仿真教學開展網(wǎng)絡教學的探索研究

通過一年多的課程資源開發(fā)和線上下結合的課程實踐，基于工業(yè)機器人糖包自動分揀碼垛等輕工企業(yè)自動化改造一體化教學資源的開發(fā)和探索，從機器人糖包分揀碼垛真實場景到工學一體化課程的轉(zhuǎn)化，能夠引導學生在仿真教學資源中熟悉機器人系統(tǒng)集成項目，掌握緊貼工業(yè)自動化行業(yè)技術發(fā)展的知識和技能。師生可根據(jù)課程框架和一體化教學工作頁（見圖3），并運機器人系統(tǒng)集成虛擬仿真系統(tǒng)，以教學資源單為引導，探索工學結合一體化教學方式方法，強化教學實踐。

4 結語

本課題以基于虛擬仿真環(huán)境的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成課程一體化教學資源開發(fā)，模擬企業(yè)實際自動化生產(chǎn)改造應用中仿真操作和作業(yè)效果，結合工業(yè)機器人控制算法核心控制和邏輯時序，形成針對工業(yè)機器人專業(yè)系統(tǒng)集成課程的“真實、仿真、調(diào)試、控制”的一體化教學模式。我們計劃將教學資源下一步的應用環(huán)境能夠增加機器人焊接、生產(chǎn)組裝、搬運、視覺識別與多機協(xié)同作業(yè)等，學生可以在虛擬環(huán)境中調(diào)試程序，又可在真實平臺下感受實際應用中工業(yè)機器人集成設計開發(fā)的流程，對于提高機器人系統(tǒng)集成應用課程的一體化教學質(zhì)量及機器人專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要價值和意義。

【參考文獻】

[1] 張姣.虛實結合的工業(yè)機器人實驗室建設探索與實踐[J].南方農(nóng)機，2021（13）：160-161.

[2] 周佳杰，肖莉莉.高職院校工業(yè)機器人虛擬仿真實訓室建設[J].中阿科技論壇（中英文），2021（6）：158-160.

[3] 陳磊，張建榮，郭金妹.基于高職院校的工業(yè)機器人虛擬仿真實訓課程的開發(fā)研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（1）：37-39.

【作者簡介】

甘路，男，1984年出生，講師，學士，研究方向為工業(yè)機器人應用技術，生產(chǎn)過程自動化。