大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

蘭 虎， 溫建明， 邵金均， 潘 睿， 鄂世舉

（浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江金華 321004）

0 引 言

在制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)和數(shù)字中國(guó)的持續(xù)建設(shè)中，大飛機(jī)、高速列車、超級(jí)跨海大橋、全自動(dòng)化碼頭等國(guó)家重大工程和大國(guó)重器不斷涌現(xiàn)，強(qiáng)力催生了以機(jī)器人技術(shù)為代表的數(shù)字化、智能化、綠色化制造蓬勃興起［1-5］。大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接是制造業(yè)先進(jìn)基礎(chǔ)工藝的重要組成部分，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高端化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用［6-8］。然而，由于構(gòu)件尺寸大、質(zhì)量重，焊接高危性和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控復(fù)雜，學(xué)生開展大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人焊接過(guò)程安全控制、協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制和焊縫質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)受到相當(dāng)大的現(xiàn)實(shí)條件制約，亟待突破。

通過(guò)積極實(shí)施“百博入企”“百企入?！钡犬a(chǎn)教融合舉措，與港機(jī)行業(yè)國(guó)際龍頭企業(yè)上海振華重工深度合作，聯(lián)合設(shè)計(jì)研發(fā)大型鋼結(jié)構(gòu)智能制造領(lǐng)域虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目14個(gè)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的智能制造工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系［9-10］。大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制實(shí)驗(yàn)作為其中的核心部分，選擇被譽(yù)為“國(guó)之重器”的大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)車間為學(xué)習(xí)場(chǎng)景，以典型箱體結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接運(yùn)動(dòng)控制、安全控制和質(zhì)量控制等共性關(guān)鍵技術(shù)為教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)單機(jī)器人焊接、雙機(jī)器人協(xié)同焊接、大型起重機(jī)箱梁多機(jī)器人協(xié)同焊接3層遞進(jìn)模塊，練習(xí)、考核兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶瓦^(guò)程性、綜合性多元評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)再現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)流程、融入企業(yè)的創(chuàng)新要素，促進(jìn)高校教學(xué)、行業(yè)應(yīng)用與技術(shù)創(chuàng)新融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空延伸與模式創(chuàng)新。

1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制實(shí)驗(yàn)覆蓋工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用、智能制造工藝學(xué)、機(jī)電傳動(dòng)控制等專業(yè)課程的相關(guān)原理、方法和技術(shù)，以大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)工程創(chuàng)新對(duì)象，聚焦多機(jī)器人協(xié)同焊接運(yùn)動(dòng)控制、安全控制和質(zhì)量控制等共性關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)、綜合實(shí)踐能力強(qiáng)和多學(xué)科深度交叉融合的復(fù)合型、創(chuàng)新型新工科人才。實(shí)驗(yàn)共計(jì)3學(xué)時(shí)、14個(gè)知識(shí)點(diǎn)（見表1）。

表1 大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)旨在實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）產(chǎn)學(xué)協(xié)同，融合創(chuàng)新。突破大型鋼結(jié)構(gòu)智能制造傳統(tǒng)教學(xué)資源和方式的限制，將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融入大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接安全控制、運(yùn)動(dòng)控制和質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)，在三維虛擬情景中構(gòu)建完整的知識(shí)體系。通過(guò)學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和考核，學(xué)生不僅能獲得扎實(shí)的相關(guān)理論知識(shí)（如主從控制原理、焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)要素等），更能對(duì)大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接流程形成清晰全面的認(rèn)知。

（2）任務(wù)驅(qū)動(dòng)，能力本位。按照基礎(chǔ)認(rèn)知、綜合提升和工程創(chuàng)新3層遞進(jìn)任務(wù)模塊，通過(guò)開放共享的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，學(xué)生以第一視角身臨其境和交互體驗(yàn)11個(gè)關(guān)鍵流程節(jié)點(diǎn)的仿真訓(xùn)練，自主探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題和暴露的知識(shí)短板，著力提高其工程意識(shí)、創(chuàng)新思維及綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（3）服務(wù)產(chǎn)業(yè)，匠心智造。大型海洋工程起重機(jī)械在海洋開發(fā)、能源建設(shè)、重大工程、物流貿(mào)易等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，是海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、一帶一路倡議等不可或缺的關(guān)鍵支撐裝備［11-12］。隨著制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，大型鋼結(jié)構(gòu)離散制造數(shù)字化車間建設(shè)和智能制造升級(jí)迫在眉睫。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)全面展示大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)過(guò)程，培育大國(guó)工匠精神，提升高端裝備制造產(chǎn)業(yè)人才供需的契合度，助力國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和區(qū)域數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 實(shí)驗(yàn)流程構(gòu)建

依托國(guó)家發(fā)改委“智能制造”產(chǎn)教融合實(shí)訓(xùn)基地等高端平臺(tái)，圍繞大型高端海洋工程裝備及其關(guān)鍵部件智造，通過(guò)產(chǎn)學(xué)協(xié)同、校企合作機(jī)制，將國(guó)家工信部重大專項(xiàng)“大型海洋工程起重裝備智能制造新模式應(yīng)用”的研究成果反哺教學(xué)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單-雙-多機(jī)器人協(xié)同焊接3個(gè)大環(huán)節(jié)、11個(gè)小節(jié)點(diǎn)、19道工序（見圖1），

圖1 實(shí)驗(yàn)進(jìn)程

累計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟142步。

實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生登錄門戶網(wǎng)站查看實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方法與步驟、實(shí)驗(yàn)考核要求等基本描述信息，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)認(rèn)知測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)認(rèn)知測(cè)試合格，學(xué)生方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)主體模塊，依次開展“單、雙、多機(jī)器人”3層遞進(jìn)模塊的仿真訓(xùn)練。其中，單機(jī)器人模塊為基礎(chǔ)，包括系統(tǒng)布局、通信布線、I/O分配、任務(wù)編程和工藝實(shí)驗(yàn)5個(gè)流程節(jié)點(diǎn)，共計(jì)10道工序、67步交互式實(shí)驗(yàn)操作，訓(xùn)練和考察學(xué)生對(duì)單機(jī)器人焊接系統(tǒng)通信、運(yùn)動(dòng)控制、質(zhì)量控制等基礎(chǔ)知識(shí)的掌握；雙機(jī)器人模塊是綜合提升，基于主從控制原理集成兩套機(jī)器人焊接系統(tǒng)，涵蓋主從機(jī)器人I/O分配、協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制編程、協(xié)同焊接參數(shù)調(diào)控3個(gè)流程節(jié)點(diǎn)，共計(jì)6道工序、48步交互式實(shí)驗(yàn)操作，主要訓(xùn)練和考察學(xué)生對(duì)主/從雙機(jī)器人焊接協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程安全控制和工藝質(zhì)量控制的系統(tǒng)思維能力；多機(jī)器人模塊屬于工程創(chuàng)新，融合單機(jī)器人橫角焊、雙機(jī)器人橫角焊和立角焊技術(shù)，構(gòu)建大型起重機(jī)箱梁隔板與腹板內(nèi)角焊縫多機(jī)器人協(xié)同立角焊、隔板與翼板內(nèi)角焊縫多機(jī)器人協(xié)同橫角焊、腹板與翼板外角焊縫多機(jī)器人協(xié)同橫角焊3個(gè)流程節(jié)點(diǎn)，共計(jì)27步交互式實(shí)驗(yàn)操作，重點(diǎn)訓(xùn)練和考核面向不確定環(huán)境下學(xué)生解決大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人焊接協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程安全控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制等復(fù)雜工程問(wèn)題的多學(xué)科知識(shí)交叉融合和遷移能力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置練習(xí)與考核兩種模式。在練習(xí)模式下，上述模塊及其各個(gè)環(huán)節(jié)可以根據(jù)學(xué)習(xí)需要進(jìn)行任意切換；但考核模式下，學(xué)生須嚴(yán)格依照3層遞進(jìn)模塊的11個(gè)交互性關(guān)鍵流程節(jié)點(diǎn)順序進(jìn)行。同時(shí)，為提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的交互性和易用性，系統(tǒng)提供豐富的導(dǎo)引信息，如當(dāng)前進(jìn)度、系統(tǒng)框架、操作提示、知識(shí)點(diǎn)撥等，為學(xué)生創(chuàng)造體驗(yàn)“知其然知其所以然”的學(xué)習(xí)情景。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作準(zhǔn)確率、用時(shí)長(zhǎng)短和實(shí)驗(yàn)習(xí)題的作答情況自動(dòng)給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。此外，系統(tǒng)還能夠生成“知識(shí)短板”，推送“個(gè)性化”學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生鞏固薄弱環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”持續(xù)改進(jìn)理念。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）架構(gòu)，如圖2所示。大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)車間三維模型、網(wǎng)頁(yè)腳本運(yùn)行在資源服務(wù)器上，客戶端通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)資源服務(wù)器網(wǎng)址便可以開展單-雙-多機(jī)器人協(xié)同焊接實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

為解決智能生產(chǎn)車間三維模型在性能和資源有限的Web端上快速瀏覽的問(wèn)題，需要利用三維建模工具對(duì)原始模型進(jìn)行輕量化處理，獲得通過(guò)WebGL瀏覽的輕量化模型［13-15］。具體的做法是，使用Maya進(jìn)行車間和設(shè)備建模，將渲染后的模型導(dǎo)出為fbx格式文件，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中；Unity3D模型通過(guò)C#腳本驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)交互功能和動(dòng)態(tài)特性；將模型發(fā)布為WebGL，網(wǎng)頁(yè)端JavaScript與Echarts控件配置能夠便捷地實(shí)現(xiàn)通信，完成數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁(yè)端的動(dòng)態(tài)展示及通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端Button操作模型等功能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)流程

4 實(shí)驗(yàn)核心要素仿真度

秉承“能實(shí)不虛、仿真真仿”原則，聚焦大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接安全控制、運(yùn)動(dòng)控制和質(zhì)量控制等共性關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)驗(yàn)高仿設(shè)計(jì)利于學(xué)生全流程參與的機(jī)器人焊接系統(tǒng)空間布局、通信布線、任務(wù)編程、工藝調(diào)控和質(zhì)量分析等精美界面。

（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景高仿真。大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)車間。實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是船舶與海洋工程裝備領(lǐng)域的國(guó)際龍頭企業(yè)上海振華重工大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)車間。通過(guò)高度真仿車間布局、工位設(shè)備、制造流程等大型鋼箱梁結(jié)構(gòu)智能車間要素（見圖4），配置設(shè)備定位、場(chǎng)景漫游、自由視角等輔助功能，創(chuàng)建學(xué)生身臨其境的沉浸感，增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)。

圖4 高仿真的大型港口機(jī)械箱梁鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)車間

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備高仿真。物理接口和工藝動(dòng)作。除按1∶1比例完成焊接機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)備建模外，實(shí)驗(yàn)非常注重設(shè)備建模的顆粒度，高清展現(xiàn)焊接機(jī)器人子系統(tǒng)內(nèi)部及子系統(tǒng)間的設(shè)備端口（見圖5），模擬強(qiáng)電（電源）、弱電（信號(hào)）、氣路、水路等線路連接；同時(shí)，為訓(xùn)練多機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)，高仿真單機(jī)器人、雙機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人附加外部軸聯(lián)動(dòng)等精細(xì)工藝動(dòng)作過(guò)程，讓學(xué)生真切領(lǐng)悟機(jī)器人柔性裝備的運(yùn)動(dòng)控制精髓。

圖5 焊接機(jī)器人本體物理接口

（3）信號(hào)分配高仿真。PLC軟元件配置和機(jī)器人控制器I/O開源。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)全流程再現(xiàn)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)集成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)（PLC）軟元件配置和機(jī)器人控制器通用數(shù)字I/O信號(hào)分配的開源性，即學(xué)生通過(guò)識(shí)讀電氣控制原理圖自主進(jìn)行虛擬接線，隨后系統(tǒng)將根據(jù)接線情況更新信號(hào)資源配置（見圖6），讓學(xué)生身臨其境感悟復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程控制的嚴(yán)密邏輯性，提高學(xué)生的工程安全意識(shí)。

圖6 控制器通用數(shù)字I/O信號(hào)動(dòng)態(tài)配置

（4）軟件指令高仿真。PLC梯形圖編程和機(jī)器人任務(wù)編程。圍繞多機(jī)器人協(xié)同焊接過(guò)程安全控制和運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M三菱PLC梯形圖編程語(yǔ)言和發(fā)那科機(jī)器人編程語(yǔ)言（見圖7），程序結(jié)構(gòu)、語(yǔ)句指令等完全與物理實(shí)體相同，便于學(xué)生能夠以虛補(bǔ)實(shí)、以虛代實(shí)訓(xùn)練，借助軟件無(wú)限試錯(cuò)的強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

圖7 集中控制器梯形圖編程

（5）焊接效果高仿真。焊接效果包括焊接過(guò)程和接頭質(zhì)量。單-雙-多機(jī)器人協(xié)同焊接質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過(guò)虛實(shí)結(jié)合方式模擬焊接過(guò)程弧光、煙塵、電弧聲、焊接飛濺等物理現(xiàn)象，同時(shí)回播焊接現(xiàn)場(chǎng)錄屏，便于學(xué)生觀察焊接過(guò)程穩(wěn)定性；焊接結(jié)束后，全面展示焊縫表面成形、接頭宏觀、焊接熔深等焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)要素，便于學(xué)生定性和定量分析關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的內(nèi)在影響規(guī)律，如圖8所示。

圖8 雙機(jī)器人協(xié)同焊接實(shí)際效果

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與評(píng)價(jià)

按照基礎(chǔ)認(rèn)知、綜合提升和工程創(chuàng)新3層遞進(jìn)模塊，逐步深入開展理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作培訓(xùn)，采用的主要教學(xué)方法有案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法和問(wèn)題探究法。

（1）案例教學(xué)法。大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制實(shí)驗(yàn)屬于綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，涉及材料、機(jī)械、機(jī)電、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等學(xué)科交叉融合，其多機(jī)器人協(xié)同焊接安全控制、運(yùn)動(dòng)控制和質(zhì)量控制等技術(shù)方案不盡相同。為此，實(shí)驗(yàn)選擇被譽(yù)為“國(guó)之重器”的大型起重機(jī)箱梁數(shù)字化車間為學(xué)習(xí)場(chǎng)景，以岸邊集裝箱起重機(jī)鋼制聯(lián)系橫梁箱體結(jié)構(gòu)制造為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)單機(jī)器人焊接、雙機(jī)器人協(xié)同焊接、大型起重機(jī)箱梁多機(jī)器人協(xié)同焊接3層遞進(jìn)模塊，遵循學(xué)生認(rèn)識(shí)規(guī)律和教育教學(xué)規(guī)律，構(gòu)建學(xué)生高密度交互的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)訓(xùn)練面向不確定環(huán)境下學(xué)生解決大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人焊接協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程安全控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制等復(fù)雜工程問(wèn)題的多學(xué)科知識(shí)交叉融合和遷移能力。

（2）任務(wù)驅(qū)動(dòng)法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了單機(jī)器人焊接、雙機(jī)器人協(xié)同焊接和大型鋼箱梁多機(jī)器人協(xié)同焊接制造“3步走”高階任務(wù)，導(dǎo)引學(xué)生實(shí)施“課前牛刀小試、課中鋒芒初露、課后鋒不可當(dāng)”進(jìn)階計(jì)劃。實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)項(xiàng)目簡(jiǎn)介視頻、導(dǎo)引視頻及實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介等模塊系統(tǒng)介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路、任務(wù)知識(shí)分布、評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等，導(dǎo)引學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，采用自主學(xué)習(xí)方式，完成課前牛刀小試——單機(jī)器人焊接，達(dá)到預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的目的；實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、系統(tǒng)框架、知識(shí)點(diǎn)撥和操作提示等網(wǎng)頁(yè)交互形式，導(dǎo)引學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，提高實(shí)驗(yàn)規(guī)范性，完成課中鋒芒初露——雙機(jī)器人協(xié)同焊接和大型鋼箱梁多機(jī)器人協(xié)同焊接制造，達(dá)到訓(xùn)練雙（多）機(jī)器人協(xié)同焊接系統(tǒng)集成及工藝聯(lián)調(diào)目的；實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)將自動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作準(zhǔn)確率和用時(shí)長(zhǎng)短，生成“知識(shí)短板”，推送“個(gè)性化”學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生鞏固薄弱環(huán)節(jié)，完成課后鋒不可當(dāng)——實(shí)驗(yàn)習(xí)題和心得體會(huì)，構(gòu)建以學(xué)生為中心的實(shí)踐教學(xué)多元評(píng)價(jià)體系。

（3）問(wèn)題探究法。大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接關(guān)鍵技術(shù)涉及過(guò)程安全控制、協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制和焊接質(zhì)量控制等，如何基于主從控制原理實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)安全控制，需要電氣互鎖、信號(hào)互鎖和位置互鎖等綜合舉措，實(shí)驗(yàn)通過(guò)PLC程序和機(jī)器人任務(wù)程序關(guān)鍵語(yǔ)句指令選填方式，導(dǎo)引學(xué)生由“被動(dòng)接受者”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)求學(xué)者”，突破教師“一言堂”、學(xué)生“同步調(diào)”的教學(xué)局限，實(shí)現(xiàn)以“教”為中心向以“學(xué)”為中心的理念轉(zhuǎn)變。針對(duì)大型起重機(jī)鋼制箱梁的焊縫質(zhì)量控制問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)核心工藝參數(shù)對(duì)多機(jī)器人協(xié)同焊接過(guò)程穩(wěn)定性、焊縫表面成形、焊接接頭宏觀等接頭質(zhì)量評(píng)定影響的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過(guò)觀察比較定性和數(shù)據(jù)定量分析判定產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素，提高學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，達(dá)到知行統(tǒng)一。

（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)所屬課程目標(biāo)及大綱要求，制定了涵蓋實(shí)驗(yàn)3層遞進(jìn)任務(wù)模塊、11個(gè)交互性關(guān)鍵流程節(jié)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)習(xí)題的“多元評(píng)價(jià)”標(biāo)準(zhǔn)（見表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)細(xì)則

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)共享，大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于提升高端裝備制造產(chǎn)業(yè)人才供需的契合度，助力國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和區(qū)域數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（1）以虛補(bǔ)實(shí)，補(bǔ)齊大型鋼結(jié)構(gòu)智能制造實(shí)驗(yàn)不可及的短板。由于構(gòu)件尺寸大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量重、工序繁多復(fù)雜、周期用時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制實(shí)驗(yàn)無(wú)法在高校實(shí)驗(yàn)室有效開展，僅靠傳統(tǒng)課堂理論講授形式，難以深刻觸及學(xué)生的工程意識(shí)和有效啟迪學(xué)生對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)智能制造過(guò)程控制的認(rèn)知。實(shí)驗(yàn)秉承“虛擬不虛、仿真真仿”原則，有效克服了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不可及的瓶頸。

（2）以虛代實(shí)，克服大型鋼結(jié)構(gòu)雙機(jī)器人協(xié)同焊接的高危性和參數(shù)調(diào)控復(fù)雜度。無(wú)論大型鋼結(jié)構(gòu)件，還是多機(jī)器人協(xié)同裝備，乃至電弧焊工藝，均涉及電、氣、水等多介質(zhì)連接，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生煙塵、弧光、廢氣、殘?jiān)?、飛濺、電磁輻射等污染，學(xué)生易發(fā)生灼眼、觸電、燙傷、劃傷等事故。此外，焊接機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)眾多且相互關(guān)聯(lián)、非線性，如焊接電流、焊接速度、雙弧間距等，真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以揭示工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。通過(guò)軟件仿真試錯(cuò)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控、焊接等環(huán)節(jié)的開源性，利于學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的各種現(xiàn)象，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（3）線上推送，突破教師“一言堂”、學(xué)生“同步調(diào)”的教學(xué)局限。大型鋼結(jié)構(gòu)多機(jī)器人協(xié)同焊接控制實(shí)驗(yàn)涉及材料、設(shè)備、工藝、控制等方面，屬于多學(xué)科交叉綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和技能要求提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。借助網(wǎng)頁(yè)交互、知識(shí)短板和個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推送等渠道，有針對(duì)性地向?qū)W生精準(zhǔn)推送線上、線下學(xué)習(xí)資源（含實(shí)驗(yàn)流程輔導(dǎo)），打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師為中心、以課本為中心、以課堂為中心“三中心”范式，實(shí)現(xiàn)以“教”為中心向以“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn)變，助力泛在學(xué)習(xí)時(shí)代下學(xué)生“學(xué)、思、踐、悟”一體化發(fā)展。