機器人焊接實訓教學的應用研究

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隨著科學技術的高速發展，工業機器人已廣泛應用于制造業中，已成為先進制造業中不可或缺的重要裝備和技術，承擔著搬運、焊接、噴涂、碼垛等多種工作，焊接機器人作為應用最多的工業機器人，占據著近四分之一的份額，對制造業有著非常重要的作用。我國在機器人焊接教育方面師資薄弱，起步晚，雖然許多職業院校為了適應企業對焊接技術技能型人才的需求開設了機器人焊接相關課程，但因焊接機器人設備價格昂貴等原因，在實踐教學過程中難以做到一人一機的實操練習，很多學校甚至僅有一兩臺焊接機器人或沒有焊接機器人。因此，針對高職院校焊接專業實訓條件的局限性、實訓設備缺乏等現狀，引入ROBOGUIDE仿虛擬仿真教學軟件可以省去了部分硬件的購買。一方面實現教學資源的合理分配，降低了教學成本；另一方面保證了學生的編程練習時間，同時有效提高了教學過程中的安全系數，實現了高效率低成本的教學效果，可以明顯改善和提高焊接機器人應用人才培養的實訓條件和培養質量[1]。

1機器人焊接實訓教學現狀

1.1欠缺課程需要的先學知識機器人焊接實訓課程授課對象通常為高職二年級學生，雖然學生前期學習了焊接相關理論知識并有很高的學習積極性，但欠缺焊接機器人的組成、編程及運動原理等相關知識，獲取知識和運用知識解決實際問題的能力較差。

1.2缺乏實訓條件實訓教學一方面是讓學生理論聯系實際，強化理解和記憶，另一方面是提高學生解決實際問題的能力和動手操作能力。由于設備少，學生多，實訓教學無法實現一對一精準教學，只能通過分組進行操作練習，但練習時間有限，很多學生都沒有達成學習目標。

1.3難實現理實一體化教學當前，大部分學院教學采用的是傳統的演示性教學，重理論、輕實訓。雖然學生能夠獲取焊接機器人應用的感性認識，但無法將相關知識應用到實踐中。由于實訓設備少，實訓條件有限，理論與實踐分開教學，無法有效地進行理實一體化教學，教學效果和質量大打折扣。

2虛擬仿真教學的必要性

2.1實現低碳化教學從低碳經濟的角度來看，虛擬仿真教學是一種低碳的教學。低碳課堂是在有限的課堂時間里，降低成本和效率，降低無效或低效的教學活動，在教學環境中節約師生時間和精力，使教學效率最大化，避免資源浪費，實現師生可持續發展。焊接機器人廣泛應用于汽車、航空航天等很多工業領域且品牌種類較多，除了庫卡、發那科、安川、ABB四大家族的機器人之外，還有埃斯頓機器人、熊貓機器人和錢江機器人等國產機器人，工業機器人系價格昂貴，由于在操作與使用上不同品牌的機器人有著一定差異，將所有不同品牌的機器人和應用環境都配齊存在很大的困難，同時也不符合低碳化教學模式的要求[2]。

2.2滿足課程實訓教學的需求機器人焊接的教學過程主要是示教、編程和焊接，按每臺機器人最大允許3人操作編程來計算，這就要求需要較多的焊接機器人。因此，引入ROBOGUIDE仿真教學軟件替代焊接機器人實際工作，學生可以在虛擬仿真實訓室進行線上編程練習，然后導出離線編程文件，并導入到焊接機器人工作站進行校正調試。使用仿真教學軟件，學生可以隨時模擬練習機器人編程，幫助學生快速認識機器人，學會機器人示教器在虛擬環境中的基本操作，降低學習成本，明顯縮短學習周期，同時提高課堂學習效率，也節省了實訓成本[3]。

3ROBOGUIDE軟件虛擬仿真教學

3.1虛擬仿真教學軟件的選擇ROBOGUIDE軟件是日本FANUC公司在機器人基礎上研究開發的機器人離線編程系統軟件。該軟件能夠滿足不同型號的FANUC機器人的離線仿真和通信等基本功能。該軟件運行于Windows環境，通過使用虛擬機器人控制技術來模擬仿真實際機器人作業?？蓪崿F分析機器人干涉性和可達性、設計系統方案布局和估算系統的節拍、機器人離線程序的自動生成、診斷機器人故障和優化程序等功能[4]。

3.2ROBOGUIDE軟件的使用流程

3.2.1工作空間搭建工作空間搭建環節需要以下幾個步驟：（1）選擇機器人。ROBOGUIDE機器人庫里有各種型號的機器人模型，選擇與現場機器人工作站型號一樣的機器人FANUCM-10iD。（2）選擇工具。在工具項里選擇與現場焊槍型號一樣的焊槍作為工具。（3）搭建平臺。從數據庫里導入與現實工作站中尺寸大小一樣的工作平臺和需要加工的工件。（4）TCP校準。將工具中心點（ToolCenterPoint,TCP）從機器人原始的第六軸法蘭中心通過六點法（XZ）移至焊絲頂尖位置。（5）工件校準。在實際機器人工作站中的機器人與工件的相對位置固定的前提下需要進行工件校準，這樣設計的軌跡才有意義。

3.2.2離線編程離線編程是指在建立了機器人工作站的三維模擬場景后，經由軟件仿真計算，生成控制機器人的運動軌跡，進而生成機器人的控制指令[5]。主要有以下三方面的內容：（1）在虛擬環境中創建工作站，將現實中的工作內容還原到軟件中；（2）規劃并編寫機器人運動路徑，生成相應的控制指令；（3）設置焊接工藝，完成機器人離線編程。

3.2.3仿真運行編寫完成的離線程序，為便于檢查機器人工作過程中是否有奇異點，是否會發生干涉等報警，啟動碰撞檢查功能，如有異常報警可以進行軌跡調整。

3.2.4導出在確認仿真沒有問題的前提下，將離線仿真程序導出到FANUC機器人示教器中進行操作調試，最后完成焊接。

3.3ROBOGUIDE軟件在教學中的應用

3.3.1認識焊接機器人認識焊接機器人是機器人焊接實訓課程的基礎內容，主要包含焊接機器人運動規律、技術特點、技術參數、原理、控制系統解析及結構等專業知識。

3.3.2實踐工業機器人手動操縱在機器人編程與焊接課程教學中，機器人的手動操縱對于機器人的基礎理論知識和機器人編程兩大部分知識模塊起到承上啟下的作用，熟練的操作能力便于學生后續學習焊接機器人。因為學生在動手接觸機器人前，對機器人存在陌生感，因此用ROBOGUIDE仿真軟件建立虛擬控制系統，并通過虛擬示教器控制實現機器人的手動操作等功能，可以幫助學生熟悉機器人。由于仿真軟件上的虛擬示教器和真實示教器功能完全一樣，非常有助于教學的實施。（1）支持學習焊接機器人各種功能。例如，建立焊接機器人操作環境、手動操縱、數據處理等基礎功能；I/O通信；建立坐標系、有效載荷等數據[6]。（2）通過仿真軟件對學生的實際編程操作情況進行檢驗，有效強化學生安全操作規范和提高操作技能水平，并通過對可能出現的誤操作提前進行針對性的分析改進，方便后續在機器人焊接工作站的操作，從而大大降低在工作站內的失誤率。此外，學生會根據自己的實際情況課后進行自主訓練。（3）通過設置對不同操作要點的針對性訓練，增強學生的分析判斷及解決實際問題的能力，充實教學內容，豐富教學案例。

3.3.3機器人工作站離線編程應用機器人編程與焊接是焊接實訓課程核心內容。目前，焊接機器人編程技術主要分為示教在線編程和離線編程。示教在線編程主要是在現場進行，示教效果取決于操作人員，對于較為復雜軌跡的示教準確性有限，并且占用機器人作業時間，影響效率。與示教在線編程相比，離線編程能減少對機器人資源的占用時間，機器人在工作時操作人員仍可在仿真教學軟件上對后續任務進行編程，能夠遠離部分危險的工作環境，有效改善編程環境，降低工作強度。在實際教學過程當中，如果采用示教在線編程方式，編輯較大程序時，操作煩瑣、難度大，因此依托仿真教學軟件進行離線編程能夠方便快捷地完成編程工作，并且優化和修改程序非常方便，調試正常后的程序可以上傳至機器人示教器中運行，有效提高了編程效率[7]。

3.3.4培育專業技能素養在焊接機器人的工程應用中，操作員的專業素養尤為關鍵。首先，要加強專業技能，理解工藝流程，掌握技術要點，幫助學生熟練掌握操作規范；其次，要塑造職業精神，嚴謹、勤奮的工作態度對學生成才及后續發展有很大保障作用，從業人員的職業態度和觀念是現代企業重點考察內容，因此，將專業素質培養相關內容融入專業課程教學中。ROBOGUIDE仿真軟件在教學中的應用有助于學生培育創新精神和提高專業素質。利用ROBOGUIDE仿真軟件建立符合實際系統的工作站，結合工業機器人在生活、生產等方面的創新應用進行設計工業機器人方案，這有利于培養學生創新思維和職業規范意識[8]。

4ROBOGUIDE軟件在教學中的應用價值

（1）充當課程內容銜接的紐帶。在機器人焊接實訓課程教學中，焊接機器人基礎內容、手動操縱與示教編程等內容都會用到焊接機器人的虛擬仿真。虛擬仿真教學軟件起到串聯各知識點的作用。（2）提高學生對接崗位需求的能力。離線編程廣泛應用于焊接機器人生產、調試、維修等工作崗位中，在高職教育中主要是培養學生提前適應崗位工作的能力，焊接機器人專業教學中加入離線編程相關內容，在校期間培訓離線編程技術便于實現教學內容與崗位工作能力無縫對接[9]。（3）提高教學安全性。操作焊接機器人必須嚴格遵守機器人安全操作規程，違規操作容易對學生或設備造成傷害。因此，要求學生先利用仿真軟件進行虛擬仿真訓練再進行實機操作練習。學生在仿真練習過程中可能遇到機器人伺服報警、奇異點報警、極限位置以及其他誤操作帶來的意外情況，這些都能夠在軟件上解決。由于虛擬示教器與真實工作站內示教器一致，因此，學生在進入真實工作站內操作機器人之前大大提高了機器人操作能力，避免了軟件中出現過的故障報警再次出現，減少了危險的發生，提高了實踐教學的安全性。（4）緩解實訓條件無法滿足教學需求的現狀。針對學院機器人設備少、學生多、無法完全滿足全部學生同時參與機器人焊接實訓教學需求的現狀，可以通過ROBOGUIDE仿真軟件進行任務式、模塊化實訓教學，一定程度上緩解實訓條件壓力。同時，學生隨時可以在仿真實訓室或用自己的電腦對所學知識進行鞏固訓練，提高了學生學習的自主性和積極性，解決了機器人實訓場地的限制問題。

5結束語

虛擬仿真作為現代教學的重要組成和手段，對專業教學起到很大的輔助作用。其不僅滿足了低碳教學的理念，而且解決了實踐教學環節學生多設備少的難題，大大降低了教學成本，同時減少了實踐教學環節的安全隱患，提高了教學質量。通過虛擬仿真技術與實訓基地工作站實操相結合的這種線上與線下、虛擬與現實結合的新教學模式，一方面有效提升了學生對FANUC機器人仿真技術的應用能力；另一方面較好地支撐和豐富了課程教學的內容，不僅能夠輔助編程練習，提高了教學效率，而且能夠進一步提高學生的學習熱情，對于提高學生學習工業機器人積極性、培養學生耐心細致的學習習慣和良好的職業素養起到了很好的推動作用。

參考文獻

[1]凌雙明,黃有全.RobotArt在工業機器人編程仿真教學中的應用研究[J].湖南工業職業技術學院學報,2016,16(4):9-11.

[2]王功亮,王好臣,李振雨,等.基于RobotStudio的工業機器人輸送鏈跟蹤仿真[J].機械設計與制造,2019(11):231-234.

[3]樊澤明,余孝軍,王鵬博,等.面向工業機器人專業的混合式教學系統[J].高等工程教育研究,2021(6):183-189.

[4]朱文華,史秋雨,蔡寶,等.基于RobotStudio的工業機器人工藝仿真平臺設計[J].制造業自動化,2020,42(12):28-31,89.

[5]蘇宇,劉海燕.自主學習導向下的虛實結合實驗教學探索與實踐:以“工業機器人技術”實驗課程為例[J].工業和信息化教育,2021(04):79-83.

作者:冶維財 單位:甘肅鋼鐵職業技術學院