大型钢结构多机器人协同焊接控制虚拟仿真实验设计

兰 虎， 温建明， 邵金均， 潘 睿， 鄂世举

（浙江师范大学工学院，浙江金华 321004）

0 引 言

在制造强国、质量强国和数字中国的持续建设中，大飞机、高速列车、超级跨海大桥、全自动化码头等国家重大工程和大国重器不断涌现，强力催生了以机器人技术为代表的数字化、智能化、绿色化制造蓬勃兴起［1-5］。大型钢结构多机器人协同焊接是制造业先进基础工艺的重要组成部分，对传统产业高端化、智能化、绿色化转型发展起到重要支撑作用［6-8］。然而，由于构件尺寸大、质量重，焊接高危性和系统参数调控复杂，学生开展大型钢结构多机器人焊接过程安全控制、协同运动控制和焊缝质量控制实验受到相当大的现实条件制约，亟待突破。

通过积极实施“百博入企”“百企入校”等产教融合举措，与港机行业国际龙头企业上海振华重工深度合作，联合设计研发大型钢结构智能制造领域虚拟仿真实验教学项目14个，构建虚实结合的智能制造工程专业实践教学体系［9-10］。大型钢结构多机器人协同焊接控制实验作为其中的核心部分，选择被誉为“国之重器”的大型港口机械箱梁钢结构智能生产车间为学习场景，以典型箱体结构多机器人协同焊接运动控制、安全控制和质量控制等共性关键技术为教学目标，设计单机器人焊接、双机器人协同焊接、大型起重机箱梁多机器人协同焊接3层递进模块，练习、考核两种实验模式和过程性、综合性多元评价标准。实验通过再现企业的生产流程、融入企业的创新要素，促进高校教学、行业应用与技术创新融合发展，实现工业机器人技术及应用传统教学的时空延伸与模式创新。

1 教学目标设计

大型钢结构多机器人协同焊接控制实验覆盖工业机器人技术及应用、智能制造工艺学、机电传动控制等专业课程的相关原理、方法和技术，以大型港口机械箱梁钢结构为实验工程创新对象，聚焦多机器人协同焊接运动控制、安全控制和质量控制等共性关键技术，培养基础理论扎实、综合实践能力强和多学科深度交叉融合的复合型、创新型新工科人才。实验共计3学时、14个知识点（见表1）。

表1 大型钢结构多机器人协同焊接控制实验知识点

实验旨在实现以下教学目标：

（1）产学协同，融合创新。突破大型钢结构智能制造传统教学资源和方式的限制，将多个知识点融入大型钢结构多机器人协同焊接安全控制、运动控制和质量控制等环节，在三维虚拟情景中构建完整的知识体系。通过学习、训练和考核，学生不仅能获得扎实的相关理论知识（如主从控制原理、焊接质量评价要素等），更能对大型港口机械箱梁钢结构多机器人协同焊接流程形成清晰全面的认知。

（2）任务驱动，能力本位。按照基础认知、综合提升和工程创新3层递进任务模块，通过开放共享的虚拟实验模式，学生以第一视角身临其境和交互体验11个关键流程节点的仿真训练，自主探究实验过程中遇到的各种问题和暴露的知识短板，着力提高其工程意识、创新思维及综合应用专业知识解决复杂工程问题的能力。

（3）服务产业，匠心智造。大型海洋工程起重机械在海洋开发、能源建设、重大工程、物流贸易等领域发挥着重要作用，是海洋强国战略、一带一路倡议等不可或缺的关键支撑装备［11-12］。随着制造强国战略的深入推进，大型钢结构离散制造数字化车间建设和智能制造升级迫在眉睫。实验运用现代信息技术全面展示大型港口机械箱梁钢结构多机器人协同焊接系统集成与联调过程，培育大国工匠精神，提升高端装备制造产业人才供需的契合度，助力国家制造强国战略和区域数字经济产业发展。

2 实验流程构建

依托国家发改委“智能制造”产教融合实训基地等高端平台，围绕大型高端海洋工程装备及其关键部件智造，通过产学协同、校企合作机制，将国家工信部重大专项“大型海洋工程起重装备智能制造新模式应用”的研究成果反哺教学，实验设计单-双-多机器人协同焊接3个大环节、11个小节点、19道工序（见图1），

图1 实验进程

累计实验步骤142步。

实验前，学生登录门户网站查看实验目的、实验原理、实验设备、实验方法与步骤、实验考核要求等基本描述信息，进行实验认知测试。

实验认知测试合格，学生方可进入实验主体模块，依次开展“单、双、多机器人”3层递进模块的仿真训练。其中，单机器人模块为基础，包括系统布局、通信布线、I/O分配、任务编程和工艺实验5个流程节点，共计10道工序、67步交互式实验操作，训练和考察学生对单机器人焊接系统通信、运动控制、质量控制等基础知识的掌握；双机器人模块是综合提升，基于主从控制原理集成两套机器人焊接系统，涵盖主从机器人I/O分配、协同运动控制编程、协同焊接参数调控3个流程节点，共计6道工序、48步交互式实验操作，主要训练和考察学生对主/从双机器人焊接协同运动控制、过程安全控制和工艺质量控制的系统思维能力；多机器人模块属于工程创新，融合单机器人横角焊、双机器人横角焊和立角焊技术，构建大型起重机箱梁隔板与腹板内角焊缝多机器人协同立角焊、隔板与翼板内角焊缝多机器人协同横角焊、腹板与翼板外角焊缝多机器人协同横角焊3个流程节点，共计27步交互式实验操作，重点训练和考核面向不确定环境下学生解决大型钢结构多机器人焊接协同运动控制、过程安全控制、产品质量控制等复杂工程问题的多学科知识交叉融合和迁移能力。

实验设置练习与考核两种模式。在练习模式下，上述模块及其各个环节可以根据学习需要进行任意切换；但考核模式下，学生须严格依照3层递进模块的11个交互性关键流程节点顺序进行。同时，为提高整个实验过程的交互性和易用性，系统提供丰富的导引信息，如当前进度、系统框架、操作提示、知识点拨等，为学生创造体验“知其然知其所以然”的学习情景。

实验结束后，系统将根据实验过程的操作准确率、用时长短和实验习题的作答情况自动给出实验成绩。此外，系统还能够生成“知识短板”，推送“个性化”学习资源，帮助学生巩固薄弱环节，充分体现“以学生为中心”持续改进理念。

3 实验平台开发

大型钢结构多机器人协同焊接控制虚拟仿真实验系统采用浏览器/服务器（B/S）架构，如图2所示。大型港口机械箱梁钢结构智能生产车间三维模型、网页脚本运行在资源服务器上，客户端通过浏览器访问资源服务器网址便可以开展单-双-多机器人协同焊接实验。实验采用模块化设计，便于系统功能的进一步扩展。

图2 虚拟仿真实验平台架构

为解决智能生产车间三维模型在性能和资源有限的Web端上快速浏览的问题，需要利用三维建模工具对原始模型进行轻量化处理，获得通过WebGL浏览的轻量化模型［13-15］。具体的做法是，使用Maya进行车间和设备建模，将渲染后的模型导出为fbx格式文件，导入Unity3D中；Unity3D模型通过C#脚本驱动，实现交互功能和动态特性；将模型发布为WebGL，网页端JavaScript与Echarts控件配置能够便捷地实现通信，完成数据在网页端的动态展示及通过网页端Button操作模型等功能。虚拟仿真实验系统开发流程如图3所示。

图3 虚拟仿真实验系统开发流程

4 实验核心要素仿真度

秉承“能实不虚、仿真真仿”原则，聚焦大型钢结构多机器人协同焊接安全控制、运动控制和质量控制等共性关键技术，实验高仿设计利于学生全流程参与的机器人焊接系统空间布局、通信布线、任务编程、工艺调控和质量分析等精美界面。

（1）实验场景高仿真。大型港口机械箱梁钢结构智能生产车间。实验模拟的是船舶与海洋工程装备领域的国际龙头企业上海振华重工大型港口机械箱梁钢结构智能生产车间。通过高度真仿车间布局、工位设备、制造流程等大型钢箱梁结构智能车间要素（见图4），配置设备定位、场景漫游、自由视角等辅助功能，创建学生身临其境的沉浸感，增强学生的工程意识。

图4 高仿真的大型港口机械箱梁钢结构智能生产车间

（2）实验设备高仿真。物理接口和工艺动作。除按1∶1比例完成焊接机器人系统设备建模外，实验非常注重设备建模的颗粒度，高清展现焊接机器人子系统内部及子系统间的设备端口（见图5），模拟强电（电源）、弱电（信号）、气路、水路等线路连接；同时，为训练多机器人协同运动控制关键技术，高仿真单机器人、双机器人协同运动、机器人附加外部轴联动等精细工艺动作过程，让学生真切领悟机器人柔性装备的运动控制精髓。

图5 焊接机器人本体物理接口

（3）信号分配高仿真。PLC软元件配置和机器人控制器I/O开源。实验系统全流程再现机器人电气控制系统集成过程，实现集中控制系统（PLC）软元件配置和机器人控制器通用数字I/O信号分配的开源性，即学生通过识读电气控制原理图自主进行虚拟接线，随后系统将根据接线情况更新信号资源配置（见图6），让学生身临其境感悟复杂系统过程控制的严密逻辑性，提高学生的工程安全意识。

图6 控制器通用数字I/O信号动态配置

（4）软件指令高仿真。PLC梯形图编程和机器人任务编程。围绕多机器人协同焊接过程安全控制和运动控制教学目标，实验模拟三菱PLC梯形图编程语言和发那科机器人编程语言（见图7），程序结构、语句指令等完全与物理实体相同，便于学生能够以虚补实、以虚代实训练，借助软件无限试错的强大优点，强化学生的实践动手能力。

图7 集中控制器梯形图编程

（5）焊接效果高仿真。焊接效果包括焊接过程和接头质量。单-双-多机器人协同焊接质量控制实验模块通过虚实结合方式模拟焊接过程弧光、烟尘、电弧声、焊接飞溅等物理现象，同时回播焊接现场录屏，便于学生观察焊接过程稳定性；焊接结束后，全面展示焊缝表面成形、接头宏观、焊接熔深等焊接质量评价要素，便于学生定性和定量分析关键工艺参数对焊接质量的内在影响规律，如图8所示。

图8 双机器人协同焊接实际效果

5 实验教学方法与评价

按照基础认知、综合提升和工程创新3层递进模块，逐步深入开展理论教学和实验操作培训，采用的主要教学方法有案例教学法、任务驱动法和问题探究法。

（1）案例教学法。大型钢结构多机器人协同焊接控制实验属于综合性设计实验，涉及材料、机械、机电、自动化、计算机等学科交叉融合，其多机器人协同焊接安全控制、运动控制和质量控制等技术方案不尽相同。为此，实验选择被誉为“国之重器”的大型起重机箱梁数字化车间为学习场景，以岸边集装箱起重机钢制联系横梁箱体结构制造为实验对象，设计单机器人焊接、双机器人协同焊接、大型起重机箱梁多机器人协同焊接3层递进模块，遵循学生认识规律和教育教学规律，构建学生高密度交互的实验教学内容，重点训练面向不确定环境下学生解决大型钢结构多机器人焊接协同运动控制、过程安全控制、产品质量控制等复杂工程问题的多学科知识交叉融合和迁移能力。

（2）任务驱动法。实验设计了单机器人焊接、双机器人协同焊接和大型钢箱梁多机器人协同焊接制造“3步走”高阶任务，导引学生实施“课前牛刀小试、课中锋芒初露、课后锋不可当”进阶计划。实验前，通过项目简介视频、导引视频及实验简介等模块系统介绍实验设计思路、任务知识分布、评价指标设置、实验注意事项等，导引学生明确实验任务要求，采用自主学习方式，完成课前牛刀小试——单机器人焊接，达到预习实验的目的；实验中，通过实验进度、系统框架、知识点拨和操作提示等网页交互形式，导引学生注重实验细节，提高实验规范性，完成课中锋芒初露——双机器人协同焊接和大型钢箱梁多机器人协同焊接制造，达到训练双（多）机器人协同焊接系统集成及工艺联调目的；实验后，系统将自动统计学生实验过程的操作准确率和用时长短，生成“知识短板”，推送“个性化”学习资源，帮助学生巩固薄弱环节，完成课后锋不可当——实验习题和心得体会，构建以学生为中心的实践教学多元评价体系。

（3）问题探究法。大型钢结构多机器人协同焊接关键技术涉及过程安全控制、协同运动控制和焊接质量控制等，如何基于主从控制原理实现多机器人协同运动安全控制，需要电气互锁、信号互锁和位置互锁等综合举措，实验通过PLC程序和机器人任务程序关键语句指令选填方式，导引学生由“被动接受者”转向“主动求学者”，突破教师“一言堂”、学生“同步调”的教学局限，实现以“教”为中心向以“学”为中心的理念转变。针对大型起重机钢制箱梁的焊缝质量控制问题，实验设计核心工艺参数对多机器人协同焊接过程稳定性、焊缝表面成形、焊接接头宏观等接头质量评定影响的实验环节，让学生通过观察比较定性和数据定量分析判定产品质量控制的关键因素，提高学生解决实际复杂工程问题的能力，达到知行统一。

（4）实验教学评价。依据实验所属课程目标及大纲要求，制定了涵盖实验3层递进任务模块、11个交互性关键流程节点和实验习题的“多元评价”标准（见表2）。

表2 实验教学效果评价细则

6 结 语

通过优质资源建设共享，大型钢结构多机器人协同焊接控制虚拟仿真实验有助于提升高端装备制造产业人才供需的契合度，助力国家制造强国战略和区域数字经济产业发展。

（1）以虚补实，补齐大型钢结构智能制造实验不可及的短板。由于构件尺寸大、结构质量重、工序繁多复杂、周期用时长等问题，大型钢结构多机器人协同焊接控制实验无法在高校实验室有效开展，仅靠传统课堂理论讲授形式，难以深刻触及学生的工程意识和有效启迪学生对大型钢结构智能制造过程控制的认知。实验秉承“虚拟不虚、仿真真仿”原则，有效克服了现实实验条件不可及的瓶颈。

（2）以虚代实，克服大型钢结构双机器人协同焊接的高危性和参数调控复杂度。无论大型钢结构件，还是多机器人协同装备，乃至电弧焊工艺，均涉及电、气、水等多介质连接，且实验过程产生烟尘、弧光、废气、残渣、飞溅、电磁辐射等污染，学生易发生灼眼、触电、烫伤、划伤等事故。此外，焊接机器人系统关键工艺参数众多且相互关联、非线性，如焊接电流、焊接速度、双弧间距等，真实实验难以揭示工艺参数对焊接质量的影响。通过软件仿真试错，可以实现系统参数调控、焊接等环节的开源性，利于学生自主探究实验过程中遇到的各种现象，提高学生实践动手能力和解决复杂工程问题的能力。

（3）线上推送，突破教师“一言堂”、学生“同步调”的教学局限。大型钢结构多机器人协同焊接控制实验涉及材料、设备、工艺、控制等方面，属于多学科交叉综合性设计实验，对学生的知识储备和技能要求提出严峻挑战。借助网页交互、知识短板和个性化学习资源推送等渠道，有针对性地向学生精准推送线上、线下学习资源（含实验流程辅导），打破传统实验教学以教师为中心、以课本为中心、以课堂为中心“三中心”范式，实现以“教”为中心向以“学”为中心的转变，助力泛在学习时代下学生“学、思、践、悟”一体化发展。