新職業(yè)視域下重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程資源探析

劉海燕，蘇 宇*，蘇 磊

（1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006；2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

一、新職業(yè)與新職業(yè)教育

職業(yè)分類是反映經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特別是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化以及人口、就業(yè)結(jié)構(gòu)變化的政策手段。[1-2]2019年4月，國家人社部、國家統(tǒng)計(jì)局、國家市場監(jiān)管總局三大部門聯(lián)合發(fā)布了13個(gè)新職業(yè)信息，其中，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)維員作為工業(yè)機(jī)器人的兩個(gè)新職業(yè)受到越來越多人的關(guān)注。新職業(yè)的發(fā)布，相應(yīng)地會(huì)要求新的職業(yè)教育模式，從而加快改革發(fā)展，與之相對(duì)接。不同于傳統(tǒng)教育存在的封閉化、缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)于時(shí)間嚴(yán)苛要求等問題，新職業(yè)教育具有持續(xù)化學(xué)習(xí)，智能化、碎片化、個(gè)性化等特點(diǎn)，注重培養(yǎng)能夠適應(yīng)社會(huì)需求的職業(yè)化人才，真正做到學(xué)以致用，用以治學(xué)。從工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員與工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)維員新職業(yè)定義標(biāo)準(zhǔn)中提煉兩種新職業(yè)的綜合要求（如圖1所示），可以看出工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員強(qiáng)調(diào)的是前端的軟件應(yīng)用、操作與編程，而工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)維員則強(qiáng)調(diào)后端的硬件開發(fā)、調(diào)試與維護(hù)。

圖1兩種新職業(yè)對(duì)比

二、工業(yè)機(jī)器人各層次人才需求現(xiàn)狀

對(duì)于開設(shè)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的高職以上院校來說，或多或少都存在工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)不清晰、各層次人才培養(yǎng)培育體系不完善、工業(yè)機(jī)器人開發(fā)與應(yīng)用企業(yè)的職業(yè)崗位定位不明確等諸多問題。[3-7]在工業(yè)機(jī)器人開發(fā)與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈上，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的人才層次和人才類型等現(xiàn)實(shí)問題都缺乏系統(tǒng)的研究。[8-13]目前活躍在工業(yè)機(jī)器人市場上的技術(shù)技能型人才主要來源于以下三種類型：第一種是自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生，可以從事工業(yè)機(jī)器人開發(fā)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電氣裝配等相關(guān)職業(yè)；第二種是機(jī)電一體化相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生，可以從事工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)集成應(yīng)用等相關(guān)職業(yè)；第三種是原有的技術(shù)技能型人才，通過再培訓(xùn)適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人新崗位的職業(yè)需求。

在工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才需求上，需求量最大的還是基礎(chǔ)操作及維護(hù)人員，以及掌握工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的調(diào)試工程師和更高層次的應(yīng)用工程師。專業(yè)型人才的巨大缺口成為阻礙工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要因素。而那些已經(jīng)完成自動(dòng)化生產(chǎn)線升級(jí)改造的企業(yè)，面臨生產(chǎn)線系統(tǒng)的調(diào)試維護(hù)和工業(yè)機(jī)器人后期維護(hù)的成本等一系列問題。而目前相應(yīng)的人才儲(chǔ)備數(shù)量和質(zhì)量卻捉襟見肘。這就要求教育系統(tǒng)要與時(shí)俱進(jìn)，制定切實(shí)可行的人才培養(yǎng)方案，建設(shè)工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)體系，提高與優(yōu)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境的使用水平，培育大批的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)技術(shù)技能型人才。

三、工業(yè)機(jī)器人離線編程教學(xué)優(yōu)勢

通過ABB開發(fā)的RobotStudio離線編程軟件，可以創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人典型行業(yè)應(yīng)用工作站，并利用RobotStudio離線編程中的Smart組件的動(dòng)畫仿真功能，在工業(yè)機(jī)器人典型行業(yè)應(yīng)用綜合案例工作站中實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)、機(jī)床上下料、集成夾具動(dòng)作、點(diǎn)焊、弧焊、周邊設(shè)備動(dòng)作等多種動(dòng)畫效果，使得工業(yè)機(jī)器人仿真工作站不僅可以與企業(yè)實(shí)際工作現(xiàn)場、工作任務(wù)、工作場景、工作時(shí)序等保持一致，還可以在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)過程中，使學(xué)生能全面掌握典型行業(yè)企業(yè)應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人安裝、布局、配置與程序調(diào)試等方法。[14-18]學(xué)生在使用ABB離線編程軟件RobotStudio的學(xué)習(xí)過程中，可以按照老師的項(xiàng)目式教學(xué)要求，對(duì)照行業(yè)企業(yè)典型應(yīng)用現(xiàn)場開展項(xiàng)目的實(shí)施。首先，一步步完成行業(yè)企業(yè)典型應(yīng)用現(xiàn)場的設(shè)備調(diào)研和布局；其次，在RobotStudio軟件中調(diào)用各個(gè)設(shè)備模型完成仿真工作站的創(chuàng)建；再其次，繼續(xù)在仿真工作站中創(chuàng)建虛擬I/O系統(tǒng)、Smart組件、工作站的邏輯連接、Rapid程序編譯、目標(biāo)點(diǎn)示教；最后，實(shí)現(xiàn)仿真工作站的調(diào)試運(yùn)行。通過上述工業(yè)機(jī)器人仿真工作站的項(xiàng)目實(shí)施，學(xué)生可以清晰地認(rèn)識(shí)到創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人仿真工作站的整個(gè)流程，以及系統(tǒng)配置、機(jī)器人編程等要點(diǎn)，在實(shí)施過程中強(qiáng)化對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解運(yùn)用，并且更具有操作性、便捷性和安全性。同時(shí)，在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生還可以了解機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)仿真功能和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，在就業(yè)后開展的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)線布局項(xiàng)目中，利用離線編程技術(shù)可大大縮短項(xiàng)目實(shí)施周期，提高方案的可靠性和調(diào)試工作效率。

在工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件RobotStudio中完全可以對(duì)標(biāo)新職業(yè)“工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員”的要求進(jìn)行構(gòu)建，如表1所示。其中PLC可編程控制器作為外部控制設(shè)備，同樣可以在RobotStudio離線編程軟件的Smart組件中加以實(shí)現(xiàn)；對(duì)企業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行組態(tài)的軟件，同樣可以RobotStudio離線編程軟件中的IO邏輯鏈接加以實(shí)現(xiàn)。如果想實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，則可以通過在Visual Studio軟件中添加ABB機(jī)器人動(dòng)態(tài)鏈接庫，使用C#語言編寫上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)RobotStudio離線編程軟件中的ABB機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。而對(duì)于單元功能調(diào)試和生產(chǎn)聯(lián)調(diào)，同樣在RobotStudio離線編程軟件中通過機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)示教、程序編譯、路徑規(guī)劃、更換夾具、Smart組件功能、各工作單元的IO邏輯鏈接等操作，對(duì)建模布局后的工作站實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)。

表1新職業(yè)和RobotStudio離線編程的知識(shí)點(diǎn)對(duì)比矩陣表

四、新職業(yè)下重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)資源

對(duì)標(biāo)新職業(yè)的職業(yè)教育模式，深化校企合作，對(duì)新職業(yè)下的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)課程體系進(jìn)行重構(gòu)，促進(jìn)創(chuàng)新型技術(shù)技能型人才培養(yǎng)，著力推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程資源的建設(shè)與實(shí)踐，并將相應(yīng)成熟的研究成果向區(qū)內(nèi)中高職學(xué)校進(jìn)行推廣，成為當(dāng)務(wù)之急。本研究將以操作為主的技能培養(yǎng)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚤_發(fā)重構(gòu)與典型工業(yè)現(xiàn)場一致的虛擬仿真教學(xué)環(huán)境及教學(xué)資源，來促進(jìn)職業(yè)教育“雙師型”師資隊(duì)伍建設(shè)的目的。

（一）對(duì)標(biāo)兩種新職業(yè)，提出新職業(yè)教育模式

新職業(yè)的興起，對(duì)職業(yè)教育提出了新的要求。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)維員這兩種新職業(yè)來說，各職業(yè)院校在工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)專業(yè)的設(shè)置、課程內(nèi)容、人才培養(yǎng)等方面，都不同程度地存在與制造業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展脫節(jié)的現(xiàn)象。隨著我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，緊跟行業(yè)企業(yè)的職業(yè)教育必須盡快適應(yīng)科技發(fā)展趨勢和市場的需求，對(duì)職業(yè)教育的現(xiàn)狀也將提升到更新、更綜合的領(lǐng)域，這對(duì)職業(yè)教育而言是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。恩格斯說：“社會(huì)一旦有技術(shù)上的需要，這種需要就會(huì)比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn)。”①在此形勢下，對(duì)標(biāo)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)維員這兩種新職業(yè)，通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、行業(yè)企業(yè)、職業(yè)教育等多元主體共同參與的模式，共同構(gòu)建一個(gè)校企深度融合的新職業(yè)教育教學(xué)環(huán)境，已是大勢所趨。

（二）分析工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的職業(yè)性能

進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人行業(yè)，每天要跟工業(yè)機(jī)器人及外圍設(shè)備打交道，實(shí)用性、操作性極強(qiáng)，如果不會(huì)動(dòng)手操作，那么一切都是紙上談兵。工業(yè)機(jī)器人需要掌握以下知識(shí)面。

（1）機(jī)械類基礎(chǔ)技能：要求能看懂機(jī)械圖紙；會(huì)使用二維和三維軟件制圖，可以完成機(jī)械部件的設(shè)計(jì)工作；完成關(guān)鍵性部件的結(jié)構(gòu)分析工作；具備行業(yè)內(nèi)的專業(yè)知識(shí)等。

（2）機(jī)器人專業(yè)理論知識(shí)：掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的數(shù)學(xué)計(jì)算，涉及空間描述、廣義坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡生成、控制學(xué)等相應(yīng)的理論知識(shí)。

（3）機(jī)器人本體及編程：了解某些特定品牌的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、故障處理、坐標(biāo)系應(yīng)用、安全區(qū)域設(shè)定、運(yùn)動(dòng)指令、邏輯控制指令、機(jī)器人案例分析（搬運(yùn)、碼垛、上下料、焊接、涂膠等）、IO應(yīng)用等知識(shí)。

（4）PLC電氣與編程：工業(yè)機(jī)器人本體是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，需借助周邊設(shè)備和工業(yè)軟件的配合使用，按照現(xiàn)場實(shí)際靈活運(yùn)用。一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器人工作站，需要工裝夾具、氣缸、氣閥、傳感器、電機(jī)、傳送帶、導(dǎo)軌、變位機(jī)、機(jī)床CNC等外部設(shè)備的配合才能完整運(yùn)行。外圍設(shè)備的相互配合，就需要PLC進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，所以，學(xué)會(huì)通過工控PLC控制機(jī)器人的運(yùn)行、停止以及程序的選擇等項(xiàng)目集成應(yīng)用，學(xué)會(huì)變頻器、伺服電機(jī)、變位機(jī)等工業(yè)設(shè)備的控制編程及應(yīng)用實(shí)踐知識(shí)等至關(guān)重要。

（三）深度融合的校企合作模式，提高協(xié)同育人水平

2019年初，國務(wù)院印發(fā)的《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》（國發(fā)〔2019〕4號(hào)），對(duì)進(jìn)一步強(qiáng)化校企合作，深化產(chǎn)教研融合，拓寬育人渠道，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和社會(huì)服務(wù)能力等方面進(jìn)行了新一輪部署。本研究通過共建課程資源、打造“雙師型”隊(duì)伍，使校企雙方充分發(fā)揮合作優(yōu)勢及校企雙主體育人的作用，引入先進(jìn)辦學(xué)理念，通過資源整合，把產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，以具有行業(yè)代表性的典型應(yīng)用為原型，開發(fā)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源，以提高工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量和水平。

解決工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)制造業(yè)實(shí)際應(yīng)用的諸多問題，對(duì)工業(yè)機(jī)器人在理論和應(yīng)用上的研究有著非常重要的意義。本研究基于項(xiàng)目式教學(xué)的優(yōu)勢，利用現(xiàn)有的ABB多功能、多應(yīng)用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)備，創(chuàng)建目前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中的三種至六種典型綜合案例。在應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用方案的前期設(shè)計(jì)、規(guī)劃和實(shí)施上，技術(shù)人員往往借助于工業(yè)機(jī)器人專業(yè)離線仿真軟件RobotStudio，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備進(jìn)行建模、布局及仿真研究。在項(xiàng)目方案實(shí)施過程中，通過仿真軟件RobotStudio實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)模擬仿真，不斷調(diào)整從而達(dá)到更合理的配置規(guī)劃目的，同時(shí)合理評(píng)價(jià)自動(dòng)化生產(chǎn)線的可行性，對(duì)降低開發(fā)成本、縮短自動(dòng)化生產(chǎn)線研發(fā)周期具有非常重要的作用。

（四）機(jī)器人上下料典型案例

當(dāng)前加工制造行業(yè)，常見的是將工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床CNC組合起來，由工業(yè)機(jī)器人替換人工后，完成自動(dòng)化上下料工作，協(xié)同作業(yè)組成一個(gè)小型的柔性智造單元（FMC）。在這樣的行業(yè)企業(yè)典型應(yīng)用現(xiàn)場，為提高生產(chǎn)節(jié)拍，改由一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人給兩臺(tái)CNC數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化上下料，這就需要在RobotStudio軟件中根據(jù)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場搭建自動(dòng)上下料仿真工作站系統(tǒng)，設(shè)計(jì)ABB機(jī)器人對(duì)CNC數(shù)控車床進(jìn)行上下料的協(xié)同作業(yè)。在此工作站中需要依次完成各個(gè)設(shè)備虛擬IO信號(hào)的配置、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)配置、目標(biāo)點(diǎn)Robtarget示教、各個(gè)設(shè)備邏輯鏈接、Rapid程序編寫及調(diào)試，最終完成雙機(jī)床自動(dòng)化上下料的上料-加工-下料-輸送全過程。在課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以調(diào)研工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化上下料應(yīng)用情況，再通過在RobotStudio軟件中雙機(jī)床自動(dòng)上下料虛擬仿真工作站的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步熟悉工業(yè)機(jī)器人上下料應(yīng)用和設(shè)備選型布局技巧及上下料程序的編寫技巧。

（五）機(jī)器人點(diǎn)焊（含變位機(jī)）典型案例

隨著我國汽車行業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)市場競爭加劇和汽車生產(chǎn)線裝備水平的提高，企業(yè)對(duì)車門點(diǎn)焊的可靠性有了更高的要求。采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行車身點(diǎn)焊，可以大大提高汽車生產(chǎn)線的產(chǎn)能、提高車門強(qiáng)度、降低不良率和人工成本。目前，工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊已經(jīng)成為轎車車門裝配的主要連接方法，且點(diǎn)焊質(zhì)量與焊接效率對(duì)轎車的質(zhì)量與成本有著重要影響。在機(jī)器人應(yīng)用中，變位機(jī)可改變加工工件的姿態(tài)，從而增大機(jī)器人的工作范圍，在焊接、切割等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過搭建機(jī)器人點(diǎn)焊工作站，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)創(chuàng)建帶變位機(jī)的機(jī)器人系統(tǒng)，還能學(xué)會(huì)創(chuàng)建變位機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡并仿真運(yùn)行。

在此工作站中，需要依次完成車門點(diǎn)焊工作站布局、點(diǎn)焊I/O配置、點(diǎn)焊系統(tǒng)的配置、點(diǎn)焊常用數(shù)據(jù)（點(diǎn)焊設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)、點(diǎn)焊槍壓力參數(shù)）的設(shè)置、點(diǎn)焊常用指令（SpotL/SpotJ、SetForce、Calibrate）的使用、點(diǎn)焊程序的調(diào)試方法、點(diǎn)焊目標(biāo)點(diǎn)的示教等，最終完成整個(gè)車門工作站的點(diǎn)焊工作過程。通過點(diǎn)焊工作站的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用，學(xué)會(huì)工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊程序的編寫技巧。

本研究為機(jī)器人專業(yè)的學(xué)生提供內(nèi)容豐富的教學(xué)資源，同樣也適合從事工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)、調(diào)試、現(xiàn)場維護(hù)的工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考，特別是已經(jīng)掌握了ABB機(jī)器人基本操作、需要進(jìn)一步掌握工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用模擬仿真的人員參考。

五、結(jié)語

新技術(shù)、新經(jīng)濟(jì)、新業(yè)態(tài)，一定會(huì)催生新產(chǎn)業(yè)、新崗位，而新的產(chǎn)業(yè)和崗位一定需要新的職業(yè)教育和對(duì)新職教人才提出更高的要求。本文從新職業(yè)“工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員”的職業(yè)定義和職業(yè)要求出發(fā)，提出了在工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件RobotStudio中重構(gòu)典型工業(yè)現(xiàn)場（工業(yè)機(jī)器人上下料和工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)焊）的教學(xué)資源思路。研究深度融合校企合作模式，引領(lǐng)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人課程體系建設(shè)，不僅有助于培養(yǎng)新職業(yè)教育視角下技術(shù)技能型人才，培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力強(qiáng)，適應(yīng)生產(chǎn)、管理、售后等企業(yè)需求的人才；而且能提升學(xué)生的綜合素質(zhì)、專業(yè)素質(zhì)，為其從事專業(yè)技術(shù)工作奠定良好的技能基礎(chǔ)和素質(zhì)基礎(chǔ)。

注釋：

①在恩格斯著作《致瓦·博爾吉烏斯》中，恩格斯對(duì)德國大學(xué)生瓦·博爾吉烏斯提出的“技術(shù)在很大程度上依賴于科學(xué)狀況，那么科學(xué)卻在更大更多的程度上依賴于技術(shù)的狀況和需要”表示認(rèn)可，并提出了“社會(huì)一旦有技術(shù)上的需要，這種需要就會(huì)比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn)”的論斷。