虚实结合的工业机器人考核平台设计研究

摘"要：针对工业机器人1+X证书培训中存在的设备昂贵、设备数量不足、训练不够等问题，构建工业机器人应用编程1+X证书考核虚拟仿真平台。仿真平台在软件RobotStudio的基础上构建，导入在UG中生成的相关周边设备三维模型，将适合仿真完成的部分抽离出来，实现关节的装配和仓储的工艺流程。在RobotStudio软件中完成工业机器人的离线编程，在博图软件中设计PLC程序，通过PLCSIMAdvanced进行虚拟PLC模拟仿真，实现以PLC为中心，外围设备与机器人间信号交互，达到与真实考核平台同样的功能。关键词：工业机器人；虚实结合；1+X证书；考核平台；仿真平台0"引言为深化职业教育改革，借鉴国际职业教育相关实践经验，我国从2019年开始启动1+X证书制度试点工作[1-5]。1+X证书制度最大限度地满足了高职院校课证融通的教学需求[6-8]。各高职院校纷纷开展证书鉴定工作，但在方案实施过程中，存在师资队伍不足、基地建设不强、实践教学平台不足等各种困难[9-11]。这些问题在工业机器人专业尤为明显。由于工业机器人本体及外围设备价格高，搭建这类课程的实训环境成本高，生均实训设备数量不足，学生动手实践机会少、训练不够。同时，机器人操作复杂，初期上手较难，学生进行实践操作时容易失误而损坏设备，甚至可能造成人身伤害，不利于实训的开展，且传统实训模式受到时间和地点的限制。工业机器人专业的课程技术性、实用性很强，实训教学是该专业高职人才培养工作中不可缺少的组成部分。如果学生操作机会少、实践操作能力差，人才培养质量将无法满足社会需要。为了解决这些问题，学界日益关注虚拟仿真平台的研究。国内学者对工业机器人虚实结合的实验平台进行了广泛研究，冯凌云等[12]设计出虚实结合的工业机器人实践教学平台，采用工作站逻辑设计，模拟数据通信。蔡宝等[13]设计了虚实融合的工业机器人实验平台，构建Unity3D虚拟仿真实验平台，利用工业通信标准OPCUA协议实现虚拟与真实工业机器人间的数据通信，实现虚拟与真实机器人同步运动。田莉等[14]基于多机器人自动分拣系统的虚实结合实验平台，采用Roboguide仿真软件和PLC仿真软件实现虚拟平台仿真。国内学者在虚实仿真平台方面研究成果丰硕，但目前大多虚拟平台仅能仿真实体平台的一部分功能或针对某一特定功能设计开发。本研究开发的虚实结合培训平台，在ABB仿真软件RobotStudio的基础上搭建，完成工业机器人的离线编程，采用博图软件完成PLC编程，利用PLCSIMAdvanced3.0搭建通信仿真环境，实现外围设备与机器人间信号交互，完成实体平台的考核要求。培训时先进行虚拟仿真操作，方便学生练习和试错，再进行实体操作，体验真实设备的手感。1"考核平台工作流程工业机器人应用编程1+X证书有三个等级，技能要求依次升高[15]。高级别职业技能要求涵盖低级别职业技能要求。鉴于高职院校主要针对1+X证书的中级证书，本文研究对象为中级考核平台。中级考核平台包含实物平台和仿真平台两部分：实物平台采用汇博1+X证书考核平台；仿真平台包括博图、ABB机器人仿真软件RobotStudio、PLCSIMAdvanced软件。中级考核平台完成的工作任务是关节装配——由搬运、组装台变位、立体仓库供料、旋转台供料等动作完成机器人关节的装配。实物平台工作站中，机器人在装配过程中自行更换不同夹具，依次将电机、减速器、法兰装入基座内，完成关节的有序装配工作，完成入库工作。平台内周边设备协调动作，如气缸推出零件、传送带运动送料、旋转供料盘的转动停止、变位机等，实现产品装配自动化。依次装配零件如图1所示。2"仿真平台搭建仿真平台以实体考核平台及其工作流程为基础进行设计。根据实物平台的结构和尺寸，在三维建模软件UG上完成建模，导入仿真软件Robot-Studio，根据真实平台进行布局，如图2所示。RobotStudio仿真软件具有机器人虚拟仿真与离线编程功能，通过Smart创建组件，具备传送带、旋转供料等外围机械设备的虚拟仿真能力。仿真平台的搭建主要包括模型的创建、Smart组件设计、I/O"连接、工作站逻辑设计与通信设置等。2.1"三维模型创建利用UG三维软件绘制工作台与平台上除机器人外所有设备的模型，按照与实物1∶1的比例建模，通过装配模块装配成产品，变位机单元、快换工具单元、立体仓库单元、旋转供料单元等工作站周边单元（图3），生成SAT格式文件并导入Robotstudio。根据实物平台设计布局各设备模型在虚拟工作站内的位置，做到与实物平台完全一致。仿真系统软件自带ABB机器人库，可以根据实物平台型号选择机器人IRB120本体及参数，高度还原真实环境。2.2"机器人用工具设计完成中级考核平台工作任务规定的关节装配，需要使用不同的工具。机器人用工具由末端工具和基座两部分组成。末端工具有吸盘、弧口钳、平口钳，以机械装置的形式在仿真平台上创建，通过对导入的模型创建机械装置，使钳口具备张开和夹紧的姿态；基座是以机器人用工具的形式在仿真平台上创建，使其具备机器人用工具的各项属性，安装在机器人第六轴法兰盘末端，如图4所示。末端工具、基座与Smart组件配合后使用，将创建好的机械装置添加至Smart组件中，再添加相应的组件，在基座末端设置线传感器，将传感器检测到的末端工具与安装、拆除功能相关联，实现机器人快速更换末端工具。机器人末端工具可以模拟工具的拾取和释放动作，需要创建末端夹具Smart组件，设置机械装置的姿态与机器人的信号连接，配合机器人完成不同零部件的拾取和释放动作。2.3"动态Smart组件设计用RobotStudio软件中的动画工具Smart组件，可以实现仿真平台与实物平台一样的动态效果。工作站内各设备的动画仿真采用模块化设计，设计不同的Smart组件完成不同任务，组件主要包含：传送带组件、电机旋转供料组件、推料气缸组件、变位机组件、工件抓取组件、工具安装组件等。以机器人用工具动作Smart组件为例说明组件的创建方法。末端工具动作动态效果为工具取工件、放置工件的过程。在软件工作区Smart组件窗口中点击“添加组件”，分别添加子对象组件。在软件工作区中点击子对象组件，在其属性对话框中对子组件属性进行配置。在软件工作区点击“设计”，添加I/O对子组件间逻辑关系进行设计，即各个组件相互之间的信号传递。末端工具Smart组件设计图如图5所示。2.4"仿真平台的通信仿真平台的通信以PLC为主站，即机器人、外围设备之间的信号都与PLC进行交互。利用通信协议与工业机器人通信，操控工业机器人的运动、接收和发送外围设备信号。仿真平台系统结构控制架构如图6所示。启动PLC建立通信使用变量，设置通信参数（地址），编写PLC控制程序，启动PLCSIMAdvanced并进行相应设置，下载编写PLC程序到PLCSIMAdvanced。在RobotStudio软件中下载安装RSConnectDIOToSnap7.rslib、RSConnect-GIOToSnap7.rslib插件，创建连接信号和硬件关联信号，将需要组件的信号与系统创建的信号进行连接，建立仿真逻辑关系，然后切换到博图端进行监控。这些软件之间相互配合，可以完成仿真平台的联合仿真。3"平台的应用与效果采用“以虚补实、虚实结合”的方式，在教学中将仿真平台与实物平台相结合。将实践操作任务进行线上和线下分解与分配，学生根据教师发布的学习任务书进行课前线上预习。课堂上开展虚拟仿真操作讲解，教师对机器人的操控方法和关键步骤进行示范演练，让学生熟悉实验项目相关知识点和操作步骤。学生课余时间可以在仿真平台上多次重复练习，确保不会出现因操作失误损坏设备的情况。教师根据学生在仿真平台上的学习和操作情况，安排已操作熟练的学生去实验室进行实操训练，减少因设备不足而轮候的问题，提高设备的使用率。课后教师对项目作进一步延伸，根据学生的差异进行知识拓展，发布更具综合性、创新性的分层任务。使用仿真平台完成拓展任务，可以发掘学生潜能，引发学生更深层次的思考。永城职业学院建设有工业机器人虚拟仿真实训室，实训室电脑安装了RobotStudio、博图、PLCSIMAdvanced等软件创造仿真平台环境，基本可以仿真工业机器人工作站的工作情况。学生在仿真实训室直接打开桌面上创建好的工作站，就像在实物平台上操作一样，虚拟配置I/O信号端口、设置参数、编写程序等。学生通过反复练习，熟悉整个操作过程。完成学习后，把仿真程序下载到实体设备上，在实物平台上调试控制程序，进行实际操作，直至正确完成任务。仿真平台不仅让学生熟练掌握了操作过程，而且降低了设备的损坏风险。学校2022年以前的工业机器人实践课程采用直接上机操作方式，后采用仿真教学，2023年实现了虚实结合的混合式教学。对实施改革前后三个班级学生的相同项目进行考核，并对学习成效进行对比，具体数据如表1所示。从数据可以看出，仿真操作完成度由2022年的82.6%提高到2023年的90.6%，实际操作完成度由70.4%提高到84.3%，收到了很好的实训效果，改革成效显著。传统工业机器人实践教学中存在的一些问题均得到有效解决。学生进行仿真操作熟练度增加，可以胜任一些稍有难度的仿真任务。相较以往的直接上机操作，学生完成实验的时间明显缩短，实验效率大大提高。4"结束语仿真平台的开发解决了以往工业机器人1+X证书培训中设备不足、误操作引起