工业机器人应用虚拟仿真实验开发探索与实践

陈永平,徐丽红

(上海电子信息职业技术学院 机械与能源工程学院，上海 201411)

0 引言

随着工业机器人的广泛使用，工业机器人技术已经成为最受关注的高技术之一[1]。推进工业机器人的应用和发展，对提高产品质量和劳动生产率，带动相关学科发展和技术创新，促进产业结构调整、发展方式转变和工业转型升级具有重要意义[2]。近年来，国内高职院校纷纷设立工业机器人技术专业，2018年开设工业机器人技术专业的高职学校超过400家，但是由于工业机器人实训系统昂贵，实训设备维护成本高[3-4]，造成部分院校的实训条件还满足不了相关技术技能人才培养的需求。

受到实训场地和设备数量的制约，实训只能分批次进行，限制了学生实际动手操作的机会，利用虚拟仿真进行模拟实训成为解决实训条件不足的可行方案。由此，各职业院校一方面在积极开发适用于专业人才培养的实训设备[5-9]，同时也加强了对仿真虚拟实训能力的建设。辽宁装备制造职业技术学院的吕明珠[10]设计了基于Robotmaster的虚拟仿真实验平台，开发了多种典型实验项目以整合零散的实验内容。广东松山职业技术学院的魏志丽[11]建立了基于ABB工业机器人的虚拟实验实训室，从硬件、软件、项目开发和应用效果等方面对虚拟实训室进行了阐述。无锡商业职业技术学院的李海波等人[12]构建了基于PLC和HMI的机械手码垛仿真系统。

a 真实设备

本研究在上海市高等职业教育创新发展行动计划(2015-2018年)工业机器人骨干专业建设项目研究基础上，提出了工业机器人应用虚拟仿真实验开发的思路。根据工业机器人应用教学内容，开发了典型应用、行业应用和系统集成3个虚拟仿真实验模块，并将3个模块集成到工业机器人虚拟车间中，构成虚拟仿真实验平台，学习者可根据自身需求选择相应模块进行学习。

1 工业机器人应用虚拟仿真实验开发思路

工业机器人应用虚拟仿真平台开发的目的是为了让学生了解和学习工业机器人的各类应用及集成技术，通过平台可以完成一个个完整的机器人应用项目，达到工程实践能力和工程素养培养的目的。

工业机器人应用虚拟仿真平台的开发遵循以下原则。

(1)虚实结合，仿真训练可直接应用于实际

开发的平台基于真实的实训环境，基于仿真平台上进行的实验项目，可应用于实际。通过建立实际工作站的立体模型，在仿真工业机器人工作站所进行的设计和验证，所编写的机器人程序无需任何转换便可直接下载到实际机器人系统中，进行微调便能够完成实际的工作任务。实训设备如图1所示。

图1(a)为实训室中工业机器人设备，图1(b)是1∶1的三维仿真模型，利用图1(b)所训练的所有成果都可以直接在真实设备上面进行验证。

a 电气线路仿真

(2)实验内容与行业结合，贴近企业真实应用

高职院校所培养的人才是为地方区域经济服务的，因此紧跟产业的需求，需要引入企业，校企合作共同开发实验实训平台，这样所开发的实训平台才能够贴近企业的真实需求[8]。

(3)实验内容进行分层，学生可根据实际情况选择内容

在实验项目开发过程中，对企业中工业机器人岗位进行了调研，主要岗位包括工业机器人操作、编程、设备安装调试、控制系统方案的设计和系统的集成等[13]，对这些岗位技能要求进行梳理，按照技能要求对仿真实验内容进行分层，如表1所示。

表1 内容分层表

(4)实验资源集职业培训功能于一体

职业培训是职业教育的一个重要功能，高职院校要能够利用已有资源开展社会职业培训，因此仿真实验平台应该具有培训的职能，能够引入互联网手段将资源开放，对在校学生、企业员工及社会人员开展线上线下的培训。

2 工业机器人应用虚拟仿真实验开发

基于工业机器人应用虚拟仿真实验开发思路，根据表1的分层内容，开发了3个仿真实验模块：典型应用模块、行业应用模块和系统集成模块。典型应用模块中可以完成工业机器人基本操作、基本编程及典型应用的仿真学习。行业应用模块针对机器人应用的不同行业，对机器人的应用进行仿真的训练，例如常见的涂胶、焊接和分拣，这一模块可以通过与不同企业的深入合作，不断地进行丰富与完善。系统集成模块则是利用系统的观念从总体上把握机器人的综合应用以及与外围设备的集成。

(1)典型应用模块开发

搬运和码垛是工业机器人最典型的应用，2017 年国内市场的搬运上下料机器人占比最高，达65%[14]。因此选择搬运码垛作为典型应用模块进行仿真开发。

搬运工作站仿真环境如图2所示。

图2 搬运工作站仿真实验

由机器人、传送带、待搬运物料和物料放置台组成，机器人通过吸盘依次把传送带送来的物料拾取搬运到物料放置台上。工作站中以对长方体物料搬运为例，利用ABB IRB460机器人搭载真空吸盘夹具实现物料的定点搬运。

码垛工作站仿真环境如图3所示。

图3 码垛工作站仿真实验

机器人在搬运的基础上，通过码垛算法完成物料的有序放置，是对搬运工作站的强化训练。

在搬运和码垛两个项目中已预先对传送带运动、吸盘吸附物料等动作效果进行了设置，学习者在此基础上可以进行机器人I/O配置、程序数据创建、目标点示教、程序编写及调试，最终完成整个工作站的功能要求。对于level 1和level 2的基础操作和编程训练可以借助这2个工作站来进行，无需另外开发基础的模块。

学习者在完成搬运码垛的学习后，可以进入CNC机床上下料这一具体的针对性的应用学习，如图4所示。

图4 CNC机床上下料

通过该仿真项目不仅将前面所学基础知识技能进一步进行强化，同时也将学习者引入到具体的应用场景中，更加贴近企业真实环境。在这一仿真环境中，学习者进行应用操作时，需要进一步考虑工厂大批量加工节拍的生产要求和效率的要求，也体现了职业教育的职业性。

(2)行业应用模块开发

通过典型应用模块的学习，学习者掌握了工业机器人基本的操作技能，后续将深入到具体的行业应用场景中进行学习。工业机器人几乎在各个行业中都有应用，如果学校建设机器人行业应用实训室，除了机器人外，还要配置各式各样的外围装置，例如焊机、涂胶机和变位机等，投入大是一方面，另一方面还存在着安全等因素[15]，因此采用虚拟仿真技术开发真实环境下的仿真实验就显得尤为重要。在行业应用模块开发时，充分考虑机器人行业应用的规模和机器人的类型，先期开发了关节型机器人汽车风挡玻璃涂胶、关节型机器人变位机弧焊焊接以及并联机器人食品分拣3个应用。

汽车风挡玻璃工作站如图5所示。

图5 涂胶工作站仿真环境

包括了ABB IRB4600工业机器人、机器人控制柜及示教器、机器人底座、安全防护围栏、涂胶夹具体以及涂胶设备，机器人搭载胶枪完成风挡玻璃的涂胶工作。通过该项目，可以学习涂胶工艺、涂胶指令以及涂胶任务的调试要点。

焊接工作站如图6所示。

图6 焊接工作站仿真环境

包括了机器人、焊枪、焊机和变位机等设备，机器人搭载焊枪完成焊接工作。通过该项目，可学习焊接指令、焊机的设置、焊接信号和焊接工业等知识技能。

分拣工作站如图7所示。

图7 分拣工作仿真环境

包含了ABB IRB360并联机器人、传送带等。机器人从产品输送链上动态拾取产品，并按照顺序将产品摆放至产品盒输送链上的产品盒中，然后由传送带传送至下一工位进行包装。并联机器人作为另一种类型机器人，是对在关节型机器人学习项目的一次拓展，是对机器人知识技能的有益的必要的补充。

该模块，在后期可以通过校企合作不断进行开发，针对企业的应用不断增加新的行业应用，进行完善更新。在校学生可以根据教学有选择的进行该模块的学习，可作为必修模块也可作为选修模块。企业员工、社会人员可以根据自身的工作岗位、自身需求有针对性地进行选择。

(3)系统集成模块开发

工业机器人的应用除了工业机器人外，还涉及到很多的外围设备，需要对外围设备进行整合，在PLC等控制单元的控制下进行协调工作，因此电气线路设计、PLC程序设计、网络通信和外围设备的调试是不可缺少的工作。在系统集成模块开发中，就是将机器人与外围设备进行集成，使机器人能与外围设备协调统一的工作。

本模块开发了一套工业机器人系统平台和仿真系统，如图8所示。

图8 工业机器人工作站

总体分为机器人工作站和电气控制单元两个部分。

机器人工作站是一个六边形的工作台，在其上面安装有ABB120机器人1台及外围功能模块，电气控制单元包含西门子S7-1200PLC、三菱FX3U系列PLC及CC-Link通信模块各一个，以及触摸屏、空气开关、控制按钮、指示灯等。该电气控制单元可单独使用也可通过现场总线与机器人通信，控制机器人完成系统功能。

开发的仿真环境中，可以进行电气线路的连接、PLC程序的编写调试、机器人程序的编写，如图9所示。

完成仿真操作后，可以实现功能的仿真验证，学习者将程序导出后下载到实际机器中，微调后可以直接运行。

3 工业机器人应用虚拟仿真实验整合

仿真实验环境建设完成后，对3个模块的资源进行了整合，学校联合企业对资源进行了基于客户端/服务器的集成开发，学习者可以通过客户端访问服务器，进入工业机器人虚拟车间，选择不同的内容进行学习、训练，如图10所示。

图10 虚拟工业机器人车间

4 总结

工业机器人应用虚拟仿真实验基于企业真实生产环境开发，集实践教学、社会培训于一体，学习内容根据应用层次进行了分层，学习者可根据学习需求进行选择。通过虚拟仿真实验，学习者能够了解工业机器人行业应用整个工艺过程，熟悉工业机器人不同行业的应用需求，在此基础上能够快速的操作工业机器人等机械设备。在后续开发中，可以增加在线直播模块，提供在线学习与考核。