对工业机器人生产线虚拟仿真教学的探究

赵卿

关键词：工业机器人  虚拟仿真  教学  探究

随着我国制造业的迅速发展，技工院校需要依据我国制造业的发展现状开设相关专业课程，及时将新技术、新工艺、新规范纳入教学标准和教学内容，强化学生实习实训，满足企业对技术技能人才的需求。目前，由于对智能工厂虚拟仿真技术认识不足，结合制造业一线需求开设工业机器人应用与维护专业的技工院校还比较少，虚拟仿真技术的发展有待更多关注，以加快工业机器人虚拟仿真教学运用步伐，提升学校办学能力。

一、工业机器人生产线虚拟仿真教学的背景

《中国制造2025》（国发〔2015〕28号）明确指出，“制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。”“推进制造过程智能化。在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。”

以工业机器人行业的发展为例，近年来，中国工业机器人市场表现持续强劲，市场容量不断扩大;工业机器人热潮带动了机器人产业链的不断完善;因此高素质、高技能人才需求量大，人才短缺已成为机器人产业发展的短板。

目前国内开设工业机器人应用与维护专业的职业院校还在少数，从事工业机器人现场编程、维护及安装调试等岗位的人员，主要来自对电气自动化技术、机电一体化等专业技术人员的二次培训。这就要求技工院校加快工业机器人应用与维护专业的建设，开设相关课程，坚持知行合一、工学结合，科学合理地运用工业机器人生产线虚拟仿真教学，提升技术技能人才培养质量。

二、智能工厂虚拟仿真技术

1.虚拟仿真

虚拟仿真是通过CAD/CAM/CAE等技术在可视化虚拟环境下实现产品的仿真、分析、优化的新型技术，其在智能制造领域得到了充分的应用，特别是智能工厂可以通过虚拟仿真技术实现生产线的节拍控制分析、机器人运动控制、动力学分析、轨迹和路径规划离线编程、机器人与工作环境的相互作用等;在获得最优智能生产线设计方案的同时，最大限度地降低设计成本，提高工作效率。

2.智能工厂虚拟仿真的优点

虚拟仿真的设计方法体现出并行工程的概念和思想，是今后智能制造技术的发展方向，与传统方法相比具有诸多优势，即在智能工厂设计初期即确定关键的参数、更新产品开发过程、缩短开发周期、降低成本和提高产品质量。智能工厂虚拟仿真技术具有以下优点。

（1）系统集成性。实现智能工厂的虚拟仿真需要将多种不同产品结合在一起，完成功能全面的虚拟现实，因此需要多种不同系统相互协调、互相作用;其系统集成性主要体现在以下方面。

①完成传统CAD三维建模的同时加入工业机器人与生产线的运动学与动力学算法。

②生产节拍、机器人与其他生产组件的配合、对工业机器人工作空间可达性、运动轨迹的规划等算法及离线编程处理后虚拟仿真进行验证。

③生产线PLC、机器人控制系统、I/O的信号等数据上传，与虚拟仿真系统进行集成。

（2）组件模型的参数化和数据库。通常一个智能工厂的组件大约在5萬到10万个（不含重复组件），大量重复使用的模型经过参数化处理并形成组件库，可以更快捷地变更组件和规划布局，大幅减少工程师用于CAD建模和筹划运动算法的时间。

（3）可视化与交互性。机器人智能工厂虚拟仿真提供了良好的模型显示环境，具有可视化方面的优势，实现交互式设计。

3.智能工厂虚拟仿真教学的特点

（1）工业级标准。能够实现虚拟仿真环境体现企业生产的真实状况，实现无缝连接。

（2）具有二次开发能力。可以根据教学实际，自主创建虚拟设备与环境，实现教学内容的多样性。

（3）虚实结合。可以实现软件到实物的互联互通，构建虚实转化有效桥梁。

（4）教学资源丰富。有成熟的与企业应用实际相一致的教学资源库。

三、工业机器人生产线虚拟仿真教学设想

在国家大力推进制造业的背景下，工业机器人生产线技术得到了飞跃式发展，智能化与综合化是未来企业发展的趋势，因此，引进工业级的自动化生产综合应用虚拟平台，提升学校办学综合能力，加快工业机器人应用与维护人才培养，才能更好地满足企业对技术技能人才的需求。

职业教育是制造业一线技术技能人才的主要来源之一，提升制造业领域技术技能人才培养能力，优化办学专业结构，调整相关课程，是职业院校当务之急。概而言之，应从以下三个方面进行：一是开设工业机器人应用与维护专业，配合学校现有数控机床和工业机器人实体，引进工业机器人电气与机械装调软件，进行教学技术整合;二是进行教学技术整合与生产实际加工工件相结合，拟定实施教学计划、教学大纲及相关课题，进行相关生产线的工艺流程规划、生产线虚拟搭建、设备控制调试等工作教学环节;三是校企合作，让学生走出去，进行企业认知实践活动，进一步熟悉工业机器人生产线操作平台。教学具体设想有以下几个方面。

一是引进工业级综合应用虚拟仿真软件，进一步完善工业机器人应用与维护专业教学体系，促进工业机器人应用与维护专业向智能制造领域迈进，提升办学能力。

二是为满足工业机器人人才培养的要求，突出操作能力培养，进行理论实践和虚拟实际一体化教学，使教学与企业生产紧密结合。

三是在课题教学实施过程中，开展校企合作，做好软件功能的二次开发，进行虚拟与生产实际对接，充分利用好现有教学软件、硬件资源，进行产品零件加工，降低教学纯消耗成本。

四是在工业机器人人才培养模式方面实施产教融合、订单式培养，校企“双元”育人。“双元”即理论—实践，学校—企业，思维—动手，集中体现在对操作技能训练的认知实践活动。现代产业要求技工院校培养的人才是高质量技能人才，高质量主要指具有高水平操作技能，它是基础知识、心理过程、操作行为三者的有机结合，此外还应有良好的思想品德、端正的劳动态度和优秀的团结协作能力等作为保证。

四、工业机器人生产线虚拟仿真教学实践

工业机器人生产线虚拟仿真教学要求学生掌握的内容多而复杂，因此是一种对综合性能力的培养。要根据教学目标、教学内容、教学对象和教学条件，采用理实一体化教学模式，以技术技能操作教学为主线，有针对性地为学生进行相关理论知识的讲解。

教学案例：

课题  工业机器人生产线虚拟仿真

教学目的：1.通过虚拟工厂网络教学压实产教融合;

2.通过系统集成性的思维培养，让学生感受生产线过程;

3.了解智能制造系统的使用和技术技能操作过程。

教学重点：突出工业机器人生产线虚拟仿真技术技能操作。

教学难点：系统集成性的思维培养。

实习实训内容及要求：

按照设备数量，以小组为单位，每组3～4人，组内成员分别负责工艺流程规划，生产线搭建，设备编程虚拟调试等工作;在生产线搭建过程中，将所搭建的生产线与学校现有工业机器人生产线虚拟仿真技术结合。

实习实训步骤：

1.典型工作任务描述和布置工作任务

（1）任务描述：某步进电动机生产厂家，准备购置一套步进电动机自动生产线，要求该生产线项目能够实现工业机器人生产线虚拟仿真。

（2）布置工作任務：某步进电机生产制造商，需要一套工业机器人生产步进电动机的生产线，生产线可以对步进电动机进行装配与性能测试，该装配线主要由3台6轴工业机器人、4台直角坐标机器人、1条物流线、2辆AGV小车和1套总控系统组成，该生产线能够实现步进电动机的零件加工、组装、检测、包装、物流仓储等所有生产工序。现根据客户要求，完成工业机器人生产线虚拟仿真工作任务。

通过描述智能工厂的功能、结构、组成和特点等，引导学生明确工作内容。场地布置如图所示。

2.根据任务进行虚拟工业现场流程规划

学生小组阅读实训任务单，查阅作业指导书，明确工作的内容、要求和安全注意事项等，以小组合作的方式，按照流程、任务要求和安全作业规范制订工作计划进度表。分析在实训过程中需严格执行的安全生产制度、环境保护制度、GB/T 20868（工业机器人性能试验实施规范）、 GB/T 20867（工业机器人安全实施规范）、GB/T 5226（工业机器人机械电气安全标准）技术标准及“6S”等管理要求。

3.搭建工业现场虚拟环境，建立工业机器人系统，创建相应组件

根据实际任务要求及现场流程规划。从机器人库导入相应的机器人模型，对机器人工具、外围设备进行相应的补充完善和建模、导入;建立具有与实际工业现场工作过程相符合的活动组件，进行导入;创建整个生产线系统的机器人系统，完成虚拟仿真的场景布置，为后续离线编程做好前期准备工作。

相关知识讲解：ABB RobotStudio计算机仿真软件基本操作方法。

4.根据现场流程规划，配置组件相应的I/0信号，模拟连接测试

基于智能工厂的系统建立之上，对工业机器人工作站系统参数进行设定。先建立工业机器人与PLC的模拟通讯，配置工业机器人与PLC及外围设备的I/O信号，对I/O进行模拟仿真置位、复位，测试模拟连接的准确性，为工业机器人的离线编程设置I/O信号。

相关知识讲解：配置I/O方法。

5.根据生产线工艺要求，完成工业机器人编程

按照工作任务描述中的工作流程，对每个工艺的过程进行单独分析，分解工业机器人的工作路径，对工业机器人的运动轨迹进行合理的规划，采用虚拟示教与轨迹编程结合的方式完成工业机器人的每个工艺的编程，之后要对工业机器人与相应工艺外围设备的配合度进行调整。

相关知识讲解：坐标系标定、程序导入、示教目标点确定。

6.对虚拟生产线进行仿真验证

在每个工艺过程可以单独完成运行后，要对整个虚拟生产线进行过程仿真，测试虚拟生产线的生产过程。若不能完成工件的模拟制造，要及时对工艺过程的衔接性进行调整与测试。

7.优化虚拟生产线流程，调整虚拟生产线节拍

通过对虚拟结果的分析与测试，对虚拟生产线流程进行试验。首先优化虚拟生产线的生产流程，进行流程内容调整，使相应工艺生产节拍一致，对仿真环境或离线编程的内容要做修改;然后再次进行试验，经试验仿真无误后，对虚拟生产线的仿真内容进行封装打包。

8.学生实习实训进行评价及总结

以小组为单位拟定展示方案及步骤，对照客户要求进行实际展示及评价。结合实习实训结果，对课题实训内容进行总结，填写相应的实习实训报告，总结本次实习实训课题的得与失。

（三）教学反思

通过本课题教学，基本达到了预期目的，76%的学生对工业级标准、二次开发、虚实结合等概念有了初步的认识，24%的学生对学习不感兴趣，其原因是基础知识掌握得不扎实，学习过程中存在困难。以后的教学中应该注意的问题：一是对基础差的学生，教师应进行针对性的补课;二是教师必须对二次开发、虚实结合、数学资源库等教学内容熟练掌握，这样才能在授课时做到游刃有余，收到良好的教学效果。

五、工业机器人生产线虚拟仿真教学的探讨

1.工业机器人生产线虚拟仿真教学的优点

一是压实产教融合，不出校门便将新技术、新工艺、新规范纳入教学标准和教学内容，强化了学生实习实训的教学目的。二是对学生进行了系统性思维培养，使学生对全局工程思维有所感知，并对设计及技术技能操作有了初步认知与实践。三是智能工厂仿真技术的教学能够提高学生的学习兴趣，使学生清楚所学的知识将如何被应用到现实工程中。四是有助于对学生的职业规划指导，能够让学生了解自己的未来职业发展及侧重方向，从而在学习过程中主动地、广泛地学习相关知识，而不限于课堂学习本身。五是教学过程中学生和设备的安全性较为可靠。六是可节约大量设备购置经费，而且实习实训场地占地面积小。

2.工业机器人生产线虚拟仿真教学的完善

一是加大教学投入，购置工业机器人综合应用虚拟仿真软件，增加工作点。二是充分发挥校企合作平台的作用，结合学校实际情况做好软件二次开发。三是针对软件功能，结合学生学习情况，进一步加强教学资源开发，开发包括教材、微课、视频、课件等配套课程资源的建设。四是充分利用工业机器人综合应用仿真平台，把企业相关技术人员请进学校，加强师资队伍建设，提高教学质量。

综上所述，当前我国制造业发展迅速，技工院校应与时俱进，依据制造业的发展现状和前景，按照《国家职业教育改革实施方案》（国发〔2019〕4号）“适应‘互联网+职业教育发展需求，运用现代信息技术改进教学方式方法，推进虚拟工厂等网络学习空间建设和普遍应用”的要求，高度重视虚拟仿真教学的发展，加快工业机器人生产线虚拟仿真教学步伐，加强工业机器人生产线虚拟仿真教学实践。技工院校教学要对接制造强国建设战略任务和重点领域，提升人才服务先进制造业发展的能力，健全多层次多类型人才培养体系，进一步提高人才培养的前瞻性、引领性和针对性，不断优化人才发展环境，为实现中国制造由大变强的战略任务提供坚实的人才支撑。

参考文献：

[1]中华人民共和国国务院.关于印发《中国制造2025》的通知[Z].2015.

[2]中华人民共和国教育部，中华人民共和国人力资源和社会保障部，中华人民共和国工业和信息化部.关于印发《制造业人才发展规划指南》的通知[Z].2016.

[3]杨杰忠.工业机器人应用技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社.2018.

[4]兰虎.工业机器人技术及应用[M].北京：机械工业出版社.2017.

[5]中华人民共和国国务院.关于印发国家职业教育改革实施方案的通知[Z].2019.

（作者单位：天津市机电工艺学院）