1、模具专业教学与实践模具制造 2023年第11期仿真技术在工业机器人教学中的应用研究柯林嘉，潘明来（浙江交通技师学院，浙江金华 321015）【摘要】2022年人社部发布了工业机器人一体化课程标准与课程设置方案，其中，工业机器人工作站仿真设计 作为高级技能层次七门一体化课程之一，课时占比达13%。仿真技术在工业机器人教学中有着举足轻重的作用。分析了仿真教学的必要性与仿真技术在工业机器人实际教学中的应用，充分体现了仿真教学在新课标背景下培养工业机器人技能人才的优势。关键词：工业机器人；虚拟仿真；教学中图分类号：G712 文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.1
2、1.031Research on the Application of Simulation Technology in Industrial Robot TeachingKe Linjia，Pan Minglai（Zhejiang Transportation Technician College,Jinhua,Zhejiang 321015,CHN）【Abstract】In 2022,the Ministry of Human Resources and Social Security released the curriculum standards and curriculum pla
3、n for the integration of industrial robots.Among them,Simulation Design of Industrial Robot Workstations is one of the seven integrated courses at the advanced skill level,accounting for 13%of the class hours.Simulation technology plays a crucial role in the teaching of industrial robots.This articl
4、e focuses on the necessity of simulation teaching and the application of simulation technology in the practical teaching of industrial robots,fully reflecting the advantages of simulation teaching in cultivating industrial robot skilled talents under the background of the new curriculum standards.Ke
5、y words:industrial robots；virtual simulation；teaching1 仿真技术教学必要性1.1 新时代课标改革引领2019 年4月，人社部发布了 13 个新职业信息，其中，工业机器人相关新职业受到越来越多人的关注。紧随新职业公布，2022年8月，人社部发布了工业机器人一体化课程标准与课程设置方案，新课标的发布明确了仿真技术教学的必要性与重要性，也对工业机器人一体化课程做了系统全面的规划。在新的一体化课程标准中，在高级技能培养层次设置了“工业机器人工作站仿真设计”典型工作任务，对学生的职业能力提出了7个方面的要求：查阅分析项目仿真设计任务单；完成对工作站的
6、仿真分析以及工业机器人动作和运行路径的规划；3D 模型搭建；对工作站进行干涉检查，对机器人可达范围、生产节拍和生产布局等进行验证，生成仿真动画视频；完成仿真工作站的生产节拍和工艺流程检查，形成仿真总结；完成对工业机器人仿真工作总结分析，提出改进方法，形成总结报告；具备独立分析与解决专业问题的能力。其内容涵盖了工业机器人基本的搬运，装配、焊接、打磨、与喷涂工作站仿真实操的内容。引入虚拟仿真技术，利用仿真软件，学生可脱离现场条件的束缚模拟搭建实际岗位情境，通过仿真操作可了解 103模具专业教学与实践模具制造 2023年第11期实际岗位要求，培养自身提前适应岗位的能力，实现实训教学内容与实际工作岗位
7、能力的无缝对接1。因此，为积极响应新课标要求，推动工学一体化课程改革，进一步提高学生综合职业素养，技工院校势必要加快推行工业机器人仿真技术教学工作。1.2 破局硬件与时空限制工业机器人应用与维护专业硬件支持需求费用高，类型多，数量大。有限的硬件数量，时间、空间的练习限制，频繁的设备损坏，使工业机器人教学效果大打折扣。因此，工业机器人仿真技术的提出对教学效果提升就显得尤为重要。目前工业机器人几大仿真软件，如RobotStudio、Robotguide、PQArt等已较为成熟，仿真还原度高。其中PQArt更能仿真多种类型机器人，通过仿真软件与虚拟示教器的结合，能够突破工业机器人工作站练习的硬件限制
8、，让学生只需一台计算机即可接触到不同类型的工业机器人，熟悉示教器操作与指令编程，有效打破了训练的时间和空间限制。另外，在计算机仿真软件上进行机器人示教操作，能有效降低试错成本，学生能方便地进行示教尝试，不断试错，掌握正确的操作技巧和方法，为机器人工作站的实际练习与操作奠定了坚实的基础。1.3 技能大赛仿真技术大势所趋工业机器人技术数字化、智能化已逐渐成为技能大赛考量的重要元素。通过虚拟仿真技术，选手可以根据自己的需求，进行多次的练习和比赛。虚拟仿真技术不仅可以提供不同难度级别的任务和挑战，还能帮助选手逐步提高技能水平，更可以随时记录与跟踪分析选手的表现，为选手提供针对性的指导与反馈。目前，在各
9、级各类职业技能大赛中也越来越多地加入了工业机器人应用赛项，当下涉及到技工院校工业机器人专业的技能竞赛有三项，分别是机器人技术应用、柔性制造与信息集成技术应用以及数字孪生仿真与调试技术2。近年来，在各技能大赛中仿真技术崭露头角，仿真技术在工业机器人技能大赛中的应用越来越受到关注。在全国职业院校职业技能大赛与浙江省第二届技能大赛中,工业机器人赛项仿真模块占比达到20%，另外也有专项的仿真比赛，如金砖国家职业技能大赛就有单独的“工业机器人数字孪生技术应用赛项”。在技能评价方面，虚拟仿真技术还能直接贯通人工智能和大数据等先进科学，提供更精确的评估和评价体系，进一步提高比赛的公正性和客观性。2 工业机器
10、人仿真技术教学应用焊接是当前工业机器人应用最广的领域之一，主要面向汽车制造、设备生产等方向，焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。下面就以工业机器人焊接工作站仿真为例，简要说明PQArt仿真软件实际教学应用的基础知识与操作流程。2.1 搭建3D场景（1）定义机构的功能。“定义机构”主要用来定义10 轴以内串联型运动机构和外部轴两大类。其中，串联型运动机构指的是组成机构的各部分零部件。外部轴指的是除去机器人本体上的轴，为了工作需要再加上的轴。本案例中为了实现外部轴与工业机器人的协同运动，需要先完成外部轴的定义，外部轴的定义需通过机构自定义的方式完成。仿真软件中可自行定义设
11、置机构的关节数、运动行程和方向。（2）机构的定义流程。在完成模型预处理的前提下，可以进行机构的自定义。首先进入定义界面后，将会弹出对应的弹窗，一般运动机构在DH参数建模时以世界坐标系为参考零点，然后进行关节检查。在模型预处理时，已经对自定义的机构进行了关节轴的命名及划分，软件会自动识别出机构的关节数。如果之前未对模型进行预处理，则会弹出警告提示。只有在模型预处理成功后才能进行下一步的操作。最后进行模型DH参数、软件零点、机械零点、各个轴的运动范围及运动方向等参数设置。（3）创建外部轴链接。外部轴指的是与机器人法兰相连的外部串联型运动机构。创建外部轴链接的方法：第一步在机器人加工管理面板下的机器
12、人列表中选中需要创建外部链接的机器人/机构，第二步调出图示右键菜单，点击“创建外部轴链接”。第三步在弹出的链接外部轴界面，选择外部轴并点击“确定”。第四步点击确定关闭链接成功弹窗后，选中机器人后查看调试面板，面板中显示外部轴（如直线导轨）的控制轴。第五步在调试面板中输入机器人及外部轴的关节值并插入POS点，机器人与外部轴会同步运动到对应位置姿态。最后再创建外部轴链接。（4）场景搭建步骤。首先导入工业机器人本体后，记录工业机器人各关节轴的限位参数，接着安装工业机器人末端工具，导入零件及机构，完成工作站各工作单元搭建。最后记录并配置工业机器人参数，微调工作站布局。2.2 工业机器人的编程（1）边的
13、轨迹规划。边的轨迹规划对应的主要是四种轨迹类型：沿着一个面的一条边，面的外环，一个面的一个环，边。它们都是通过一条边，加上其轨迹方向（箭头），再加上轨迹Z轴指向的平面来确定轨迹。104模具专业教学与实践模具制造 2023年第11期（2）轨迹操作。第一，轴移动轨迹点功能位于机器人加工管理面板上单条或多条轨迹的右键菜单内；首先在机器人加工管理面板上选中Move-AbsJoint点后调出右键菜单，点击“按轴移动轨”；然后设置轨迹点按照什么轴移动多少度；第二，按轴复制轨迹（单选轨迹）功能位于机器人加工管理面板上单条或多条轨迹的右键菜单内；调试面板上单个/多个轨迹点的右键菜单内。要注意的是按轴复制轨迹功
14、能只针对Move-AbsJoint点。按轴复制轨迹，即按指定距离或弧度旋转或平移运动机构的一个轴到达目标位置，同时复制选中的轨迹点。平移轴按距离复制，旋转轴按照弧度复制。选择轴：复制轨迹时移动的轴（平移轴/旋转轴）；输入差值：每份复制的轨迹点之间相隔的距离/相差的角度。比如，旋转轴设置的差值为30，则复制点1与点2之间相差30，点2与点3相差30；输入复制份数：复制所选轨迹点的份数；第三，插入POS点功能位于调试面板上轨迹点的右键菜单内，可在一条轨迹中插入 POS 点，便于在轴限位前使机器人重新调整姿态。当点的指令为“Move-Circle”时，不能进行插入POS点操作。“在此点前插入POS点
15、”：会在工具TCP的当前位置插入一个 POS 点，取代该选中的轨迹点序号，后面的序号依次后移；“在此点后插入POS点”：会在工具TCP的当前位置插入一个POS点，接在该选中的轨迹点序号后，后面的序号依次后移；第四，修改轨迹点指令。指令位于机器人加工管理面板上，单条/多条轨迹的右键菜单内。该功能用于修改单条/多条轨迹的轨迹点指令，线速度和圆弧过渡。点指令包括Move-Line和Move-Joint。用户可选择性地修改轨迹的首点、中间点和末点3。（3）路径编程步骤。首先根据工作站工艺流程，规划工业机器人工作点位及动作路径。然后根据工业机器人点位及动作路径，插入轨迹点/轨迹。接着详细记录每条轨迹的仿
16、真编辑结果，验证轨迹点位的可达性。最后再详细记录实现工业机器人焊接工作站中完成作业流程所用的仿真事件类型及作用。2.3 工作站动作及路径仿真仿真功能可以形象逼真地模拟机器人在真实环境中的运动路径和状态，查看设备是否以正确的姿态工作。可以通过仿真选项进入仿真，或选择需要仿真的轨迹组后，通过右键菜单选项“仿真轨迹组”进行轨迹组下所有轨迹的仿真。除了上述两种轨迹仿真方式，轨迹仿真还包括仿真此轨迹、从此轨迹开始仿真、单机构运动到首点、多机构运动到首点和从此点开始仿真等。仿真管理面板。仿真管理面板中，可进行仿真的开始和暂停以及仿真情况的查看，如图1所示；路径仿真步骤。首先设置仿真环境开启碰撞检测，启动仿
17、真。接着记录仿真轨迹名称及仿真现象（如动作状态变化，运行路径）。然后进入仿真界面，设置仿真管理面板。记录碰撞检测的地方和处理措施。图1 仿真管理面板3 结束语职业教育是目前国家教育建设的重点领域，职业教育发展前景广阔，新修订的职业教育法首次以法律形式明确了职业教育的类型定位。工业机器人仿真技术教学是新时代深化职业教育工学一体化教学改革的要求与实践，是响应国家新政策，紧随新课标的重要体现。仿真技术教学有助于帮助学生了解数字孪生技能竞赛新动态，掌握仿真技术新方向和新技能，快速掌握教学重点，突破教学难点，有效提高了教学效率，改善了教学效果，对工业机器人专业教学具有举足轻重的意义。参 考 文 献1夏中坚.工业机器人的虚拟仿真技术在信息化课程教学中的有效应用J.南方农机,2021,52(10):1481492李晶,尹云鹏,杨立娟.工业机器人仿真软件开发与实验教学应用J.实验室科学,2021,(06):57613陈廷艳,彭一航,许二娟等.仿真软件在工业机器人示教及再现教学中的应用研究J.轻工科技,2018,34(06):7475第一作者简介：柯林嘉，男，1994年11月生，汉族，广东汕头人，本科，助理讲师，研究方向：工业机器人/服务机器人。（收稿日期：2023-08-01）DMM 105
