蔡曉芷

虛擬仿真技術(shù)可以模擬真實世界，改善學習環(huán)境，幫助人們更好地獲取知識，它的價值和意義是重塑教學環(huán)境，讓學生進行沉浸式和交互式的學習，提高真實感，可以進行虛擬工作站的開發(fā)和共享，被廣泛用于工科類教學。

工業(yè)機器人是一門新興的多學科交叉的專業(yè)，因此，如何更好地提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，是很多職業(yè)院校一直在積極探索的問題。自動化裝置尤其是機械臂在操作和調(diào)試過程中具有一定的危險性，同時建設一個機器人實訓場室需要投入大量的資金，如果采用虛擬仿真技術(shù)搭建并設計一個與實訓設備高度一致的實訓環(huán)境，其一可以解決實訓設備昂貴、實訓危險和不可逆的痛點，另一方面可以讓學生在任何時間進行學習和操作，使其快速掌握知識和技能，大大提升教學質(zhì)量和技能水平。本文通過對工業(yè)機器人工作站及零件進行三位實體建模以及整體布局，運用RobotStudio虛擬仿真軟件中的smart組件和虛擬示教器等技術(shù)，創(chuàng)建工業(yè)機器人、夾爪、吸盤、涂膠工具的組件及屬性，結(jié)合IO控制和工作站邏輯設計，實現(xiàn)機器人工作站的離線編程仿真，激發(fā)學生自主能動性，提高學生專業(yè)技能。

一、工業(yè)機器人專業(yè)培養(yǎng)要求

1.崗位能力要求

通過開展職業(yè)能力分析會，對應該具備的職業(yè)能力進行分析，目前本區(qū)域不斷改進傳統(tǒng)制造業(yè)，越來越多的工業(yè)機器人應用在工業(yè)生產(chǎn)線上，需要一批具備工業(yè)機器人安裝、編程、維護、調(diào)試及售后服務等技術(shù)的專業(yè)技能型人才。

2.教學要求

根據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)方案，學生的目標是養(yǎng)成良好的服務意識、團隊合作精神、專業(yè)溝通能力以及自主學習能力，成長為在生產(chǎn)、建設、服務、管理第一線工作的高素質(zhì)勞動者和技術(shù)技能人才。工業(yè)機器人典型應用案例精析是工業(yè)機器人技術(shù)應用專業(yè)的核心課程，本課程的先導課程為工業(yè)機器人實操與應用技巧、工業(yè)機器人虛擬仿真技術(shù)，學生已掌握工業(yè)機器人的基本操作和簡單編程，能熟練運用RobotStudio仿真軟件。通過本課程的學習，進一步培養(yǎng)學生工業(yè)機器人的應用能力，掌握典型應用案例的安裝、編程、調(diào)試方法。

二、工業(yè)機器人工作站搭建

ABB公司開發(fā)了虛擬仿真軟件RobotStudio，用戶通過此軟件可以完成設備搭建、信號模擬、流程仿真等操作，完成仿真工作站的搭建，對實際工作流程進行模擬仿真，可用于實操前的軌跡檢查，防止因程序、點位或信號問題造成設備碰撞和損壞，進一步優(yōu)化工作流程，提高工作效率。

1.設計流程

首先，打開RobotStudio軟件，按照如下步驟完成工作站的設備搭建：①“基本”菜單欄——“ABB模型庫”——選擇IRB120型號機器人導入；②“基本”菜單欄——“機器人系統(tǒng)”——“從布局”，創(chuàng)建系統(tǒng)（包含709-1 DeviceNet Master/Slave）；③“建模”菜單欄——CAD操作功能——按照機器人工具及其周邊設備實際尺寸完成建模并完成相對位置擺放；④本次工作站模型包括皮帶、碼垛臺、安裝臺、涂膠臺、快換工具（涂膠筆、吸盤、夾爪）和機器人本體，如圖1所示，此工作站可以根據(jù)任務要求完成涂膠、搬運、安裝任務。

2.快換工具

為了使工作過程中工具的動作更加真實，需要設計快換工具，其中夾爪工具在工作過程中有夾爪張開和夾緊兩個動態(tài)動作，如圖2所示。因此需要使用建模工具中的“創(chuàng)建機械裝置”功能，具體流程如下：①創(chuàng)建機械裝置，名稱為“jiazhua”，裝置類型為“設備”；②“鏈接”中添加三個主要部分，并將“L1”設置為BaseLink；在“接點”中創(chuàng)建兩個關(guān)節(jié)J1與J2，用于夾爪的夾取動作，方向選擇與夾爪移動的方向水平；③創(chuàng)建完成后，通過手動關(guān)節(jié)，可以手動測試夾爪張開和夾緊兩個狀態(tài)的位置。

工具在使用的過程中，關(guān)鍵是工具數(shù)據(jù)的創(chuàng)建，即建立工具坐標。因此需要分別在夾爪、吸盤、涂膠筆的末端建立一個坐標系，便于用戶在使用過程中調(diào)整工具姿態(tài)，精準控制工具末端示教點位。當更換工具的時候，只需要更換工具坐標系，不需要重新示教機器人軌跡，從而方便地實現(xiàn)軌跡的糾正，如圖3所示。

三、I/O信號及Smart組件的配置

1.I/O信號配置

本次設計的工作站包含快換工具安裝、皮帶上料等設備，因此需要在RobotStudio軟件中設計各個Smart組件，包含動態(tài)夾爪、動態(tài)輸送鏈。同時需要配置的I/O如表1所示，分別控制工具的安裝及卸載、夾爪的張開和閉合、吸盤的吸取、兩皮帶的送料及其末端檢測信號。

2.快換工具Smart配置

快換工具可以實現(xiàn)不同工具的安裝和拆卸，其組件組成如圖4所示，具體包括：①線傳感器LineSensor：檢測工件是否到達指定位置；②安裝對象Attacher：安裝工具，使其隨著機器人運動；③拆除對象Detacher：拆裝工具，使其脫離機器人；④獲取父對象GetParent：由于夾爪為三個部件組成，因此需要添加此組件，否則無法成功安裝夾爪的夾手部分；⑤邏輯門LogicGate：設置為NOT取反，當控制安裝信號為0時，拆除組件可以獲得1信號，完成拆除工作。

3.皮帶輸送鏈Smart配置

皮帶輸送鏈控制設計圖如圖5所示，它可以實現(xiàn)的功能是能夠通過工作站進行控制，并且可以自動上料，當工件運行到皮帶末端被末端傳感器檢測到時，皮帶停止運行。當工件被取走后，皮帶繼續(xù)上料。其中需要利用的組件包括：①面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor：用于檢測工件是否到達指定位置；②隊列Queue：將復制后的工件進入組內(nèi)便于后續(xù)操作；③拷貝組件Source：拷貝工件；④線性移動LinearMover：使工件隊列在皮帶上移動；⑤邏輯門LogicGate：設置為NOT取反，當皮帶末端信號為0時，拷貝組件可以獲得1信號，完成工件拷貝工作。

4.夾爪工具Smart配置

當夾爪工具得到夾緊信號時，在完成夾緊動作的同時需要拾取工件，使工件隨著機器人工具運動，控制設計圖如圖7所示，具體組件包括：①線傳感器LineSensor：用于檢測夾爪中間是否存在工件；②安裝Attacher：拾取工件，使其跟著夾爪運動；③卸載Detacher：拆裝工件，使其脫離夾爪；④邏輯門LogicGate：設置為NOT取反，當控制安裝信號為0時，拆除組件可以獲得1信號，完成拆除工作；⑤姿態(tài)運動PoseMover：將運動裝置關(guān)聯(lián)到一個已定義的姿態(tài)，姿態(tài)1為夾爪閉合狀態(tài)，HomePose為夾爪張開狀態(tài)；⑥狀態(tài)鎖定LogicSRLatch：將信號狀態(tài)進行鎖定。

5.吸盤工具Smart配置

當吸盤工具得到吸取信號時，需要拾取工件，使工件隨著機器人工具運動，控制設計圖如圖6所示，具體組件包括：①線傳感器LineSensor：用于檢測吸盤下面是否存在工件；②安裝Attacher：拾取工件，使其跟著吸盤運動；③卸載Detacher：拆裝工件，使其脫離吸盤；④邏輯門LogicGate：設置為NOT取反，當吸取信號為0時，拆除組件可以獲得1信號，完成工件拆除工作。

四、系統(tǒng)編程與仿真

1.系統(tǒng)離線編程

通過設備搭建、系統(tǒng)創(chuàng)建、Smart組件設計、邏輯關(guān)聯(lián)等操作后，虛擬仿真工作站系統(tǒng)搭建完成。用戶可以通過虛擬示教器進行離線編程，其編程、調(diào)試操作過程與真機操作基本一致。本次工作站可以實現(xiàn)多個工業(yè)機器人典型應用案例教學項目，滿足機器人編程與操作課程的使用。圖8給出了其中一個任務的工作流程圖：工業(yè)機器人根據(jù)數(shù)值寄存器數(shù)值判斷，選擇不同的工具完成對應的任務?？筛鶕?jù)教學內(nèi)容調(diào)整，滿足機器人編程與操作課程的使用。

2.仿真過程

完成程序設計、點位示教等操作后，可以進行仿真運行。工作站中皮帶上的物料動起、夾爪實現(xiàn)夾緊和松開、物料在皮帶末端自動停止等功能是通過Attacher、Detacher、LinearMover、Planesensor、PoseMover等組件實現(xiàn)的。如圖9所示，通過仿真控制可以實現(xiàn)工作站流程的開啟和停止；采用監(jiān)控中的IO仿真器可以對工作站中的信號進行監(jiān)控；使用錄制短片功能中的“錄制應用程序”，可以錄制工作站運行過程和用戶操作過程，這項功能便于教學過程中項目作業(yè)的提交和檢查。

總之，基于RobotStudio建立的虛擬仿真系統(tǒng)使學生在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)機器控制、參數(shù)調(diào)整、程序調(diào)試等操作，方便學生在程序設計時驗證生產(chǎn)規(guī)劃方案的可行性，在仿真環(huán)境中進一步完成生產(chǎn)流程的規(guī)劃，并通過動態(tài)模擬運行過程預測機器人的運行狀態(tài)，驗證程序的合理性、評估生產(chǎn)效率，并為真機操作的具體實施、運行、優(yōu)化等提供依據(jù)。能夠讓學生不受時間、地點的限制進行教學實驗，有利于構(gòu)建以培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力為導向的高效課堂，更能培養(yǎng)高素質(zhì)勞動者和技術(shù)技能人才，同時具有較高的安全性，可以減少實驗室建設成本，提高學生自主學習能力，可以在專業(yè)課教學中進行推廣和使用。

責任編輯 陳春陽