工业机器人虚拟仿真教学应用研究

工业机器人虚拟仿真教学应用研究

李媛

重庆市机械高级技工学校          400055

（重庆机械技师学院）       

【摘要】工业机器人越来越广泛地应用在生产和生活领域，国内市场对工业机器人的需求逐年提高。为满足国家对工业机器人职业技能人才的需要，许多高校（特别是高职院校）开设了工业机器人专业和课程。但是工业机器人系统昂贵，实训设备维护成本高，且数量难以满足实训教学的需要。因此，将虚拟仿真技术应用在工业机器人实训课程教学中尤为必要。

【关键词】工业机器人 模拟仿真 实训教学

一、前言

当前我国制造业正处于“智造”转变的关键时期，工业机器人在其中扮演着重要角色。所以，中职学校的教学目标，应以培养学生的职业能力和职业素养为本位，对专业课程进行整合，开展一体化教学或项目式教学。中职院校工业机器人相关专业主要培养从事工业机器人的操作、编程、维修、维护等任务的高端技能型人才。而对于很多中小型的职业学校来说，政府投入有限，本身的经济已是捉襟见肘，难以配置充足的实训设备，用于改善学生的实习条件。为有效解决这一困难，我校将模拟仿真技术引入数控教学，提高教学质量。

二、软件分类

机器人本体生产厂家的软件主要有ABB的RobotStudio、Fanuc的RoboGuide、KUKA的KUKASim等。通用类的模拟仿真软件有RobotMaster、Robosim、RobCAD、Delmia等。
    RobotStudio是ABB制作的一款面向ABB机器人变成的仿真模拟软件，其软件的优点是虚拟示教器和真实示教器具有相同的功能，便于学习操作ABB机器人：RobotStudio软件集成了建模、编程、仿真等功能，功能比较全面。但是RobotStudio最大的缺点是只支持ABB机器人，机器人间的兼容性差。机器人本体厂商的仿真软件都有相似的特点。

许多学校机器人教学中可能存在以下问题：机器人资源有限，却没有充足的资金购买大量的机器人，但是教学人又必须有大量的机器人满足学生同时使用的需求；机器人教学过程中存在误操作容易损坏设备，也存在安全隐患：同时学生在学习过程中机器人工作区域可达性、夹具设计可靠性等无法验证，机器人编程、调试周期长、程序优化烦琐。
    而机器人仿真技术恰好能有效地解决这些问题，因为模拟仿真技术可以弥补学校机器人教学资源不足的缺点，机器人初学者可以通过模拟仿真系统快速掌握机器人（操作、编程、调试）,为项目的前期方案规划提供技术支持，验证机器人工作区域的可达性、工作夹具的可靠性、运用到工业中也可以缩短了机器人编程调试周期、缩短了项目周期，提高生产效率，产品质量。

三、实训课程教学规划

职业技术学院对机器人实训项目进行了详细规划。
    1.1工业机器人涂胶仿真实训项目
    工业机器人涂胶仿真实训选取的工业机器人型号为IRB2600.该工作站的突出特点是工业机器人对工件的4个直线边缘进行涂胶作业。学生通过此仿真项目的训练，将掌握工业机器人沿规则路径工作的编程技巧，并学习采用示教指令的方法设计涂胶路径。 
    1.2工业机器人激光切割仿真实训项目
    工业机器人激光切割仿真实训项目安排在机器人涂胶仿真实训项目训练之后进行,选取的工业机器人型号为IRB2600。在该项目中，要让工业机器人对不规则曲线进行激光切割操作。本工作站的教学重点是对不规则曲线采用自动生成路径的方法设定激光切割仿真路径。通过此项目的训练，要求学生掌握工业机器人沿不规则路径运行的仿真方法。
     通过以上两个实训项目，对学生进行工业机器人不同运动路径的仿真训练。
    1.3工业机器人搬运动作仿真实训项目
    工业机器人搬运动作仿真实训项目，选取的工业机器人型号为IRB460。工业机器人要完成的工作是用吸盘工具把输送链上的产品搬移到旁边的垛板上。此工作站的仿真，既要实现机器人按路径行走，又要利用工具吸附产品和释放产品。定义动作信号、应用动作指令和逻辑指令对机器人的吸附和释放动作进行仿真，是该项目训练的重点。

通过前3个项目的训练，要求学生掌握工业机器人的运动路径仿真和动作仿真的处理方法，即掌握基本的工业机器人应用仿真的编程方法。
    1.4工业机器人弧焊作业仿真实训项目
    工业机器人弧焊作业仿真实训项目选取的工业机器人型号为IRB2600,变位机的型号为IRBP A。工业机器人在变位机的配合下，对装在变位机上的零件进行弧焊作业，具体工作步骤是：变位机一轴转动90°,把零件上的圆孔放平，机器人弧焊大孔的一面，变位机二轴旋转180°,弧焊小孔的另一面。可根据实训的进度，继续完成大、小孔剩下一面的弧焊。
    本仿真项目的训练，除了工业机器人本体的仿真外，增加了外围设备的仿真处理方法。以上4个实训项目的安排由易到难，所用的方法和训练的知识点各有侧重，选取的是工业机器人应用的典型案例，训练点均包含Robotstudio的基础应用。当学生顺序完成4个仿真实训项目后，还可进行项目的横向扩展和纵向扩展，将自己的仿真项目拿到实际设备中进行验证。

四、实训条件与效果

实施工业机器人课程的虚拟仿真实训教学方案的前提是建立一个装有Robotstudio软件的网络实训室，计算机的数量和实训学生的数量相匹配。如果教师机装有多媒体网络软件，教师可以方便地利用网络教学平台完成各种基于多媒体技术的教学活动，例如教师在教师机讲述虚拟工作站的开发过程并广播到每一台学生机上，也可在教师机上查看每位学生开发仿真项目的过程和结果等。
    实践表明，虚拟仿真编程、调试工作站的虚拟仿真实训能给予学生充足的纠错空间，学生能够就关键技术要点在软件中进行反复练习，从而大大减少初学者因对工业机器人的不熟练操作而对设备造成损坏，也较好地解决了实训设备和经费不足的问题，降低了实训成本，提高了实操训练的效率。
    五、结语
    基于虚拟仿真技术的工业机器人实训项目既可横向拓展项目的内容，也可以纵向增加具有新知识点的新项目，实训项目的开发弹性比较大。即使是在没有任何硬件实训条件的学校也可以实施；有硬件设备但数量远远和学生数不匹配的学校，实训的效果更是理想。由于在软件中建立的虚拟工作站和实际工作站完全对应，每位学生都能充分体验到每个项目的开发流程，解决了真实实训系统不足的困境。在软件中仿真、在硬件设备上验证的实训教学方法大大减少了现场编程的时间。

参考文献

[1]袁正,马国清,张磊等."互联网+"时代工业机器人虚拟仿真实验教学研究[J].课程教育研究,2020(11):1.

[2]宋杰.基于CDIO理念的工业机器人虚拟仿真课程教学探索——以"马鞍型"焊缝焊接仿真为例[J].软件导刊·教育技术,2019,018(007):65-66.

[3]郝翠霞,叶晖.工业机器人实训课程的虚拟仿真教学研究[J].实验技术与管理,2018,35(6):3.