工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用“1+X”考證培訓(xùn)實訓(xùn)項目開發(fā)與應(yīng)用＊

云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃燕燕 竇楠 胡辛豪

針對工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用“1+X”證書培訓(xùn)過程中設(shè)備臺數(shù)較少，學(xué)生人數(shù)眾多，培訓(xùn)時間有限的問題，基于結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)、PLC 控制技術(shù)和組態(tài)技術(shù)的虛實聯(lián)調(diào)工作站，開發(fā)適用于工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用“1+X”證書培訓(xùn)的實訓(xùn)項目，編寫實訓(xùn)任務(wù)書，利用信息化技術(shù)制作教學(xué)資源，創(chuàng)新教學(xué)方法，盡量在有限設(shè)備臺數(shù)和有限培訓(xùn)時間的情況下，最大程度地提高培訓(xùn)質(zhì)量，完成“1+X”培訓(xùn)任務(wù)，提高證書通過率。

1 虛實聯(lián)調(diào)工作站介紹

工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用“1+X”考證使用的設(shè)備是華航唯實KH11 平臺。

鑒于學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備臺數(shù)較少，學(xué)生在不熟練工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場編程操作的情況下在設(shè)備上花費的時間太長的問題，基于實訓(xùn)設(shè)備建立了一個虛實聯(lián)調(diào)工作站，包含設(shè)備中的執(zhí)行單元、工具單元和倉儲單元，能夠仿真取放工具和取放輪轂等典型工作任務(wù)，并且在虛實聯(lián)調(diào)工作站上的操作方法與在實際設(shè)備上是相同的。虛實聯(lián)調(diào)工作站的使用可以大大減少學(xué)生使用設(shè)備進(jìn)行練習(xí)的時間，克服確實存在的設(shè)備不足的困難，其整體模型如圖1所示。

圖1 虛實聯(lián)調(diào)工作站Fig.1 Virtual and real joint debugging workstation

其中執(zhí)行單元包含一個伺服軸及可以隨伺服軸移動的IRB120 機(jī)器人；工具單元主要包含安裝在機(jī)器人末端的快換工具以及放置在工具架上的夾爪工具和吸盤工具；倉儲單元是一個有上下兩層共6 個倉位的立體倉庫，可放置6 個輪轂工件。

與一般的虛擬仿真工作站不同，虛實聯(lián)調(diào)工作站在虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，還打通了PLC 控制器與虛擬仿真工作站之間的數(shù)據(jù)通訊，在PLC 控制器上編程可對虛實聯(lián)調(diào)工作站進(jìn)行控制。

2 實訓(xùn)任務(wù)設(shè)計

基于虛實聯(lián)調(diào)工作站，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用“1+X”證書的等級標(biāo)準(zhǔn)，參照目前已有的考核試卷，并吸取多次試點考證培訓(xùn)的經(jīng)驗，由淺入深、由各單元分別調(diào)試到系統(tǒng)集成設(shè)計和調(diào)試，設(shè)計開發(fā)循序漸進(jìn)的實訓(xùn)項目，進(jìn)行項目化教學(xué)，以增強學(xué)生對各種技術(shù)集成應(yīng)用的能力，充分培養(yǎng)學(xué)生對于綜合性問題的分析與解決能力。

3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)任務(wù)

下面通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)任務(wù)的講解說明虛實聯(lián)調(diào)工作站的具體設(shè)計和應(yīng)用虛實聯(lián)調(diào)工作站進(jìn)行教學(xué)的具體過程。

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)任務(wù)是依照工業(yè)機(jī)器人集成平臺的工作流程順序，根據(jù)工具單元、執(zhí)行單元和倉儲單元的典型工作任務(wù)設(shè)計的，具體任務(wù)為：工業(yè)機(jī)器人先去工具單元取夾爪工具，再去倉儲單元第6 倉位取輪轂，再把輪轂從倉位6 搬運到倉位5，最后把夾爪工具放回工具單元的任務(wù)。

3.1 解包運行工作站

打開RobotStudio6.08 軟件，在文件-共享中點擊解包，把虛實聯(lián)調(diào)工作站的工作站包文件（后綴.rspag）解壓出來，注意目標(biāo)文件夾的路徑中不能包含中文字符。

3.2 工作站初始狀態(tài)查看

為了完成任務(wù)要求，我們需要編寫4 個例行程序：取工具、放工具、取輪轂、放輪轂。打開虛擬示教器，首先在程序編輯器中可以查看到Main 函數(shù)中沒有程序，但在例行程序中已經(jīng)添加了一個例行程序SF(num wz)，用于控制執(zhí)行單元伺服軸移動到具體位置。在輸入輸出中也已添加了4 個信號，如圖2 所示，其中DO1_XiPan是吸盤工具的控制信號，DI0_ZhenKongBiao 是吸盤工具真空表的輸入信號，由于任務(wù)中用的是夾爪工具，這2 個信號都不用。我們用的是DO0_KuaiHuan 和DO2_JiaZhua 2 個信號。DO0_KuaiHuan 是快速工具的控制信號，0 為安裝工具，1 為卸載工具；DO2_JiaZhua 是夾爪工具的控制信號，1 為夾住，0 為松開。

圖2 輸入輸出信號Fig.2 Input and output signals

3.3 編寫取工具例行程序

先將機(jī)器人切換到手動模式，在程序編輯器中打開例行程序，文件-新建例行程序，添加取工具的例行程序，取名為MGetTool()，接著為其編寫程序如下：

3.4 仿真運行取工具程序

點擊Enable 使能器，使電機(jī)切換到啟動狀態(tài)；點擊示教器右下角菜單，把運行模式改為單周模式；在程序編輯器中點擊調(diào)試-PP 移至例行程序-MGetTool()。使用單步運行或全速運行查看機(jī)器人運行結(jié)果。若運行完需要回到初始狀態(tài)從頭開始調(diào)試，點擊菜單欄仿真-重置，找到保存好的初始狀態(tài)Start，重新調(diào)試。

3.5 編寫仿真運行取輪轂、放輪轂、放工具程序

以3.3 同樣的方法添加取輪轂MGetHub()、放輪轂MPutHub()、放工具M(jìn)PutTool()例行程序，編寫完程序之后參照3.4 的方法調(diào)試仿真運行。程序的編寫基本與取工具類似，注意伺服軸要移動到合適位置、工具在動作之前要提前復(fù)位、動作前后都加一條等待指令、移動過程中要添加安全過渡點、接近動作點時運行速度要調(diào)慢等問題。

3.6 調(diào)用例行程序

4 個例行程序都編寫并調(diào)試成功之后，在主函數(shù)Main()中調(diào)用。

此時可以直接在自動模式下，對任務(wù)進(jìn)行整體調(diào)試運行；自動模式下將電機(jī)切換到啟動狀態(tài)，不需要Enable 使能器，而是打開Control Panel 點擊白色的啟動按鈕即可；在程序編輯器中點擊“PP 移至Main”，再按下全速運行按鈕，虛實聯(lián)調(diào)工作站就會按要求執(zhí)行任務(wù)，如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人即將放置輪轂Fig.3 Robot is about to place the hub

4 教學(xué)方法設(shè)計

4.1 線上教學(xué)資源

在考證培訓(xùn)教學(xué)過程中，充分利用信息化教學(xué)方法，基于實訓(xùn)任務(wù)錄制教學(xué)視頻，利用信息化技術(shù)創(chuàng)建教學(xué)資源，并整理至云課堂中，方便學(xué)生學(xué)習(xí)。特別是對于需要復(fù)雜操作步驟的實訓(xùn)項目，在考證培訓(xùn)過程中錄制教學(xué)演示視頻，學(xué)生可一邊看視頻一邊操作，有疑問時向老師提出，有利于學(xué)生提前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、反復(fù)觀看提高理解和熟練度。

4.2 PLC 設(shè)備與仿真工作站虛實聯(lián)調(diào)

我校工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用實訓(xùn)設(shè)備臺數(shù)較少，但西門子1200 系列PLC 設(shè)備充足，在實際培訓(xùn)過程中，可以先把學(xué)生安排在PLC 實訓(xùn)室進(jìn)行培訓(xùn)，在真實PLC控制器設(shè)備上編程對虛實聯(lián)調(diào)工作站進(jìn)行控制。這樣，既解決了實訓(xùn)設(shè)備不足的問題，消除了學(xué)生實操過程中會損壞珍貴設(shè)備的顧慮，又能增強虛擬環(huán)境的真實感，提高學(xué)生興趣，還能保證每位同學(xué)有充分的練習(xí)時間。

4.3 虛擬仿真結(jié)果應(yīng)用于實操

學(xué)生在虛實聯(lián)調(diào)工作站上完成編程調(diào)試仿真，得到正確的仿真效果后，提交仿真運行視頻給老師，待老師確認(rèn)正確后，可帶著電腦或U 盤到實訓(xùn)室排隊進(jìn)行實操練習(xí)。利用RobotSudio 軟件的在線功能，學(xué)生在虛實聯(lián)調(diào)工作站中編好并已用仿真效果驗證過的程序，可以通過網(wǎng)線快速地下載到工業(yè)機(jī)器人中?；蛱崆霸赗obotSudio 軟件中將系統(tǒng)導(dǎo)出備份，拷貝到U 盤中，再用U 盤將系統(tǒng)恢復(fù)到機(jī)器人設(shè)備上。這樣，在實際設(shè)備中只需重新示教對點，就能完成一個項目的調(diào)試，大大節(jié)省了每一位學(xué)生占用設(shè)備的時間，解決了教學(xué)資源緊缺的問題。

4.4 線上線下混合式教學(xué)

在進(jìn)行虛擬聯(lián)調(diào)仿真練習(xí)之時，如果有學(xué)生率先完成，則可以先進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用實訓(xùn)室進(jìn)行實操訓(xùn)練。通過線上課堂開啟直播，實訓(xùn)室實操畫面將同步給還在PLC 實訓(xùn)室仿真練習(xí)的學(xué)生，培訓(xùn)老師可以在線上講解實操內(nèi)容及注意事項，同時可以在線上給學(xué)生答疑，并激勵他們抓緊練習(xí)完成仿真后排隊實操。通過這種線上線下混合教學(xué)的方法，可以最大限度地利用實訓(xùn)設(shè)備和場所，縮短培訓(xùn)時間，提高培訓(xùn)效率。

4.5 大屏幕展示實操步驟

在工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用實訓(xùn)室實訓(xùn)過程中，使用RobotSudio 軟件的在線功能，將現(xiàn)場學(xué)生實操的示教器界面及操作過程在大屏幕上呈現(xiàn)，讓在實訓(xùn)室排隊和線上觀看的學(xué)生實時觀摩學(xué)習(xí)，增加旁觀學(xué)生參與感。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的虛實聯(lián)調(diào)工作站和實訓(xùn)任務(wù)，創(chuàng)新了實訓(xùn)方法，豐富了實訓(xùn)內(nèi)容，已在工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)、“1+X”考證培訓(xùn)及技能大賽選手培訓(xùn)中進(jìn)行了實踐應(yīng)用，教學(xué)效果良好，確實節(jié)省了培訓(xùn)時間，減少了教師工作量，學(xué)生學(xué)習(xí)效率大幅提高。在后面的教學(xué)過程中，會繼續(xù)應(yīng)用虛實聯(lián)調(diào)工作站進(jìn)行教學(xué)，總結(jié)經(jīng)驗，不斷增加、改進(jìn)實訓(xùn)任務(wù)和教學(xué)資源，完善教學(xué)設(shè)計。

引用

[1] 董虹星,周曙紅.“1+X”工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用證書培訓(xùn)新形態(tài)一體化教材建設(shè)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2022,39(1):204-209.

[2] 馮凌云,劉凱.虛實結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實踐教學(xué)平臺開發(fā)與應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2021,38(5):223-229.

[3] 張姣.虛實結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實驗室建設(shè)探索與實踐[J].南方農(nóng)機(jī),2021,52(13):160-161.

[4] 朱新杰,王慶九,顧大強,等.虛實結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實驗教學(xué)方法[J].實驗技術(shù)與管理,2020,37(10):167-170+200.

[5] 楊利,陳柳松,謝永超.基于PLC和工業(yè)機(jī)器人的智能倉庫系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2021,40(7):72-75.

[6] 夏中堅.工業(yè)機(jī)器人的虛擬仿真技術(shù)在信息化課程教學(xué)中的有效應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī),2021,52(10):148-149.