基于Robotstudio的焊接机器人虚拟仿真教学

王文军

[摘 要] 传统的焊接机器人教学方法主要是演示，受设备限制教学内容单一，由于学生人数多操作时间少，教学效率低，质量不高，提出基于Robotstudio的焊接机器人虚拟仿真教学，通过工业机器人离线编程仿真軟件实现教学，有利于高效地组织教学且直观形象，大大提高了学生的学习兴趣，效果良好.

[关 键 词] 焊接；工业机器人；虚拟仿真；Robotstudio

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）34-0209-01

中国制造2025的核心是创新驱动发展，主线是工业化和信息化两化融合，重点发展智能制造等领域。在智能制造的背景下工业机器人得到快速发展，2013年，中国工业机器人销售量达到3.7万台，超过日本，成为全球最大的工业机器人市场，工信部制定的我国机器人产业“十三五”规划的主要目标就是到2020年，每万名制造业工人拥有机器人达到100台以上，因此未来几年，中国工业机器人将呈现井喷式增长。智能制造行业迅速发展，迫切需要大量工业机器人行业的人才，作为高职院校，应当承担起培养既懂理论又能熟练编程、操作工业机器人的高素质技术技能型人才的责任。

近两年，随着工业机器人行业的迅猛发展，很多高等职业院校在积极申报、开设工业机器人技术专业，但是工业区机器人方面的师资力量相对薄弱，而且工业机器人教学设备价格昂贵，且有一定的危险性，操作不当会导致人身伤害或者设备损坏。因而教学过程中很难实现学生人手一台工业机器人来组织开展教学，加之教师演示为主的教学模式学生参与性有限，教学效果欠佳。通过引入虚拟仿真教学，实现教学资源合理分配，从而保证学生有充分的时间练习，同时减少实践过程中存在的安全隐患，达到低成本、高效率的教学效果。

一、焊接机器人教学现状

目前工业机器人教学设备品牌众多，且价格不菲，难以实现教学过程中学生人手一台进行实际操作，老师依靠仅有的少量教学机器人给学生演示，一开始学生兴趣尚浓，但是只看不做，或者很多学生围着一台机器人，每个学生的操作时间非常有限，久而久之，学生会觉得索然无味，而且，教学组织难度大，效率非常低，对学生的动手操作能力、创新意识的培养难以奏效。

二、虚拟仿真教学

Robotstudio是ABB公司的机器人仿真软件，通过Robotstudio可以构建焊接虚拟工作站，可实现对焊接机器人的运动轨迹离线编程、仿真测试等，且其程序和配置文件无需修改可以直接下载给实际的机器人。

（一）创建工业机器人工作站

工业机器人工作站创建包括合适的工业机器人的选择、相关参数的设定；工业机器人所需要的工具的选择及其参数的设定，工件、控制柜等的选择，Robotstudio专长于机器人仿真以及相关工况环境的构建，在建模方面功能有限，如果需要其他复杂的三维立体模型，可通过Pro_E、AutoCAD或UG等软件来实现。

焊接机器人虚拟工作站参照实际的焊接机器人控制系统建立，以便调试好的程序无需修改直接下载给实验室的工业机器人。学生在电脑上进行离线编程，再将编好的程序导入已有的机器人实体进行修改调试。利用模拟仿真学生可以对工业机器人编程、操作重复训练，一方面有利于组织教学，另一方面保证了教学效果，同时也提高了学生的学习兴趣。

（二）焊接机器人离线轨迹设计与编程

1.标定工具坐标系

焊接工业机器人离线轨迹编制的时候，首先要根据工业机器人所使用的焊枪求出TCP点与所设置的工具坐标系之间的变换关系，一般可采用6点法标定工具坐标系：首先在合适的区域内确定一个固定点作为参照，然后选择焊枪枪尖作为参考点，再用手动模式操作机器人移动焊枪，使焊枪以4种不同的姿态尽量与参照点接触，具体可以参照ABB工业机器人使用手册操作。

2.焊接轨迹编程

编写程序是机器人工作站创建与运行的重点，焊接轨迹编程可以采用直接示教目标点实现编程，也可以通过视觉系统获得焊缝坐标实现自动焊接。由于通过视觉系统获得焊缝坐标涉及图像处理的知识，比较复杂，对学生初期学习，先教会学生直接示教目标点的方法实现焊接轨迹编程。重点是对不同的焊接轨迹要能够确定其关键点，这直接决定轨迹编程和实际焊缝的吻合度。对形状复杂的焊缝，一定要多找几个关键点，确保焊接路线的准确性。

（三）仿真

Robotstudio可以通过模拟监控机器人工作过程中是否有歧义点、是否会发生干涉等，并且可以利用TCP跟踪功能记录机器人运动轨迹，以便分析轨迹的合理性，可以通过选择记录其运动轨迹，以便后续轨迹分析及参数调整。

三、虚拟仿真实训教学的优势

1.现有的焊接机器人教学是以特定的焊接设备建立起来的，可实现的教学任务是固定的，难以灵活配置，而采用焊接机器人虚拟工作站就可以实现多种机器人多种焊接工况的教学。

2.Robotstudio焊接机器人虚拟工作站，可实现项目式教学，引入企业实际的焊接工作任务，采用“项目引导—任务驱动”的教学模式来进行教学。

3.Robotstudio系统中有非常丰富的工业机器人模型库，也可以根据工况专门设计相应的模型导入。各种机器人模型可通过配置智能组件，实现和机器人控制系统的电气连接，从而激发学生实现自己的创意，更好地培养学生的创新意识和创造力。

综上所述，基于Robotstudio的焊接机器人虚拟仿真教学，既解决了教学组织难的问题，提高了教学效率，也降低了成本和安全隐患，通过仿真模拟了虚拟企业实际工况，并以实际工作任务为引导，实现项目化教学，有利于高职院校授课模式的改革，实现高效课堂。通过虚拟仿现实现焊接机器人教学模式必将在高职类院校大力推进。

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