工业机器人柔性制造系统实训中心建设及成效研究.pdf

轻工人才 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料208工业机器人柔性制造系统实训中心建设及成效研究*陈 盛成都工贸职业技术学院，四川 成都 611731摘要：工业机器人柔性制造系统实训中心是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制等相关专业，为职业院校提供教学、培训、竞赛和社会服务支持。文章以成都工贸职业技术学院（成都市技师学院）为例，从建设思路、建设内容、建设路径等方面研究工业机器人柔性制造系统实训中心的建设思路，提出了该实训中心的建设方案，并对建设成效进行预估，为其他职业院校提供借鉴和参考。关键词：工业机器人；柔性制造系统；实训中心；智能制造分类号：TH165工业机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种自动执行的机器装置。现代的工业机器人可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，在工业生产中能代替人类做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业。其应用主要集中在汽车、汽车零部件、机械、电子、电器、石油化工等诸多行业，从事焊接、喷涂、装配、机加工、分拣、搬运、码垛及包装等工作1。随着工业机器人的技术优势越来越明显，在工业生产和社会生活中的应用也越来越广泛，相应地就需要培养更多的工业机器人从业人员。工业机器人柔性制造系统实训中心建设为职业院校培养、培训工业机器人从业人员提供场地、设备和技术支撑。成都工贸职业技术学院（以下简称“学院”）常年开设有工业机器人应用与维护专业。现有实训条件可以满足该专业基础课程的要求，但针对工业机器人的实训设备仅有 FESTO 工业机器人综合实训系统设备和三菱工业机器人各一套，完全无法满足专业实训要求。特别是当高年级学生进入专业方向课程学习阶段时，急需解决专业实训设备紧缺的问题。而且，与工业机器人应用最为广泛的汽车及机械行业相关的机械工程与汽车工程学习，均无工业机器人实训设备，势必导致学生操作使用工业机器人方面的技能缺失，不利于学生的发展。因此，建设工业机器人柔性制造系统实训中心势在必行2。1 工业机器人柔性制造系统实训中心的建设思路1.1 建设目标学院为以工业机器人实训中心、西门子先进自动化联合示范实训中心及生产实训基地为依托，以工业机器人学院及智能制造专业群建设为抓手，以服务地方经济建设为目的，将工业机器人虚拟仿真实训机房独立并建设完善，成为工业机器人虚拟仿真实训中心。在“专业基础专业综合科研创新”的实训体系下，构建软件仿真、半实物仿真和虚拟实训三大虚拟仿真实训平台和远程共享系统，从硬件和软件两个方面加强信息化建设，最终建成工业机器人虚拟仿真实训中心，并逐步实现教学资源的网络共享3。1.2 建设路径学院根据教学实际需求，与工业机器人领域知名企业开展校企合作，联合共建实习实训场地，力求将实训中心建设成为区域一流的工业机器人技术实训中心，为中西部地区乃至全国职业院校的师资培训、国际交流合作及职业技能鉴定工作提供技术支持。柔性制造系统将工业机器人、数控机床、焊接设备等集成在一起，利用原有场地、设备进行改造升级，采用SIEMENS 系统进行总成控制，满足教学、培训、鉴定、文章编号：2096-3092（2023）08-0208-03*基金项目：成都工贸职业技术学院建党 100 周年专项课题“工匠精神、红色文化与大师工作室集群建设的耦合机制研究”（2021130106）；成都市哲学社会科学重点研究基地-成都市工匠文化研究中心 2023 年立项课题“工匠文化主题研学旅行基地建设路径研究”（2023ZC18）作者简介：陈盛，男，硕士，讲师，研究方向为电子信息技术、职业教育教学。造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 轻工人才209科研等的功能需求。柔性制造系统实训功能区建成后，可用于工业机器人高级操作与编程实训、工业机器人复杂系统控制实训、工业机器人复杂系统维护保养实训以及自动化控制系统实训。1.3 建设内容（1）软件仿真平台。仿真实训平台主要包含基础包、数字化制造高级包、系统工程高级包，涵盖三维设计、有限元分析、数控加工、工艺规划、人机工程、机器人仿真、机器人离线编程、多学科半实物仿真、自动化生产线布局规划、自动化生产线生产过程仿真等功能。以工业机器人工装夹具设计仿真为例，充分考虑工业机器人应用领域与产业结构设计课题，开展教学实践和教学设计。该平台可针对工业机器人技术专业与电气自动化技术专业，开展工业机器人工装夹具设计仿真、工业机器人工作站设计仿真及自动化产线设计仿真等实践项目的软件仿真教学，并辐射相关二产类专业。（2）半实物仿真平台。半实物仿真平台配置自动化控制综合试验箱，包含 ARM9 处理器、色彩传感器、遥控器、红外线传感器、触摸式传感器、伺服电机、USB 端口、Wi-Fi 模块，配合前述软件中的系统工程高级包开展多学科的半实物仿真实验。综合考虑课程要求与实际设备情况，合理制定课程教学资源包。该平台可针对工业机器人技术专业与电气自动化技术专业，开展工业自动化控制技术、工业机器人技术仿真、自动化生产线仿真实训等实践项目的半实物仿真教学。（3）虚拟实训平台。虚拟实训平台主要包含工业机器人装调修实训与虚拟智能制造生产车间实训。工业机器人装调修实训系统由硬件与软件两部分组成，充分做到虚实结合。硬件部分由国产工业机器人为核心的机器人装调修学习工作站构成，可实现虚拟仿真学习后的实际操作练习。软件部分由达索系统软件构成，在其自带的三维爆炸图演示功能基础上，经后期开发实现互动操作演练等功能，完成针对工业机器人装调修的虚拟仿真学习。配合生产实训基地已有真实机床等设备，统一配置制造执行系统（MES）、数控机床联网与通信系统（DNC）、设备监控与数据采集系统（MDC）构成虚实结合的智能制造生产线4。（4）远程共享系统。远程共享系统，利用信息化设备和科学的组网构建合理的信息化结构体系，建立基于 ID 认证机制的远程登录系统。远程共享系统可针对工业机器人技术专业与电气自动化技术专业，开展工业机器人拆装与维护实训、智能制造生产线虚拟仿真实训等实践项目的虚拟实训教学，在虚实结合、能实不虚的大原则下，提供先进高效的教学手段，节约建设成本，避免设备损坏。2 工业机器人柔性制造系统实训中心建设方案参考企业技术培训的设备与场地模式，结合学院教学实际情况，配置基础实训功能区、工业机器人仿真机房、典型应用实训功能区与柔性制造系统实训功能区等四个实训区域。2.1 实训中心功能分区设备配置在实训中心具体配置上力求在工业机器人本体、控制系统等多方面具有先进性，实训中心功能分区设备配置一览如表 1 所示。表 1 实训中心功能分区设备配置一览表序号功能分区设备配置情况介绍1基础实训功能区按不同工业机器人品牌配置相互独立的实训区域；每区域配置故障安全型控制器、工业机器人；每台工业机器人配置独立工作隔间、工装夹具与实训设施；现场级总线采用 Profibus，控制级总线采用 Profinet，并根据实际需要配置分布式 I/O2工业机器人仿真机房配置工业机器人仿真的计算机、教师机以及相应多媒体教学设施。每台计算机配置双显示屏，并安装相应的工业机器人仿真软件3典型应用实训功能区按专业实训要求划分数个不同典型应用区域，并按实际需求配置故障安全型控制器、工业机器人、数控机床、焊机等4柔性制造系统实训功能区由数台不同品牌工业机器人组成一套柔性制造系统，工业机器人按实际应用选型；控制系统配置故障安全型控制器等；现场级总线采用 Profibus，控制级总线采用 Profinet2.2 实训中心主要功能情况工业机器人柔性制造系统实训中心建成后，可同时满足学生实习、实训教学、技术创新、社会服务等，主要功能情况如表 2 所示。2.3 实训中心主要教学项目情况工业机器人柔性制造系统实训中心的所有设备及场地参照企业标准建设，学院将根据实训设备研发教学项目，主要教学项目如表 3 所示。3 工业机器人柔性制造系统实训中心的建设成效预估3.1 满足实训教学需要虚拟智能制造生产线实训系统，在虚拟环境中搭 轻工人才 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料210建包含机器人、机床、检测设备、传送装置、工装夹具、辅助设施、生产对象等在内的自动化生产线，构成可操作的交互式虚拟实训平台，可以解决电气工程与自动化、机械工程与汽车工程等多个专业相关实训条件不足的问题，为学生更为全面的技能培养提供设备保障。3.2 提供技术创新服务虚拟仿真实验中心确定了开放共享的理念和机制，鼓励教师、学生进行虚拟仿真模型、系统和项目的研究及开发。虚拟仿真实训中心软硬件平台的开放性、课程资源在校内专业之间良好的共享机制成为工业机器人虚拟仿真实训中心的重要特色。学院利用实训中心建设的先进设备，提升技术水平，促进科教融汇。同时，与相关企业开展校企合作，提供技术服务，力求实现产学研相结合，实现工业机器人助力技术服务和科研创新的功能5。3.3 满足技能竞赛要求工业机器人柔性制造系统实训中心的建设，具备满足集训任务要求的训练场地、设施设备、工具耗材等，也有提供集训技术支持的工作团队（技术专家、教练、翻译等）、应急处理能力和健全的后勤服务保障制度。既能满足学生参加相关技能竞赛日常训练的需求，同时也为承接相关技能竞赛提供优秀的设备和场地。3.4 提升社会服务能力随着工业机器人应用的普及，企业员工及相关从业人员的技能培训需求也会随之增大。而工业机器人柔性制造系统实训中心的建设，充分考虑本地区乃至成都市产业结构的现状，不仅可以满足学生的实习、实训要求，满足教师的实践能力提高培训要求，同时也可满足企业员工及社会人员的培训要求，提升学院社会服务能力，支持地方经济发展。4 结束语工业机器人柔性制造系统实训中心遵循“互联网+工程实践教学”的建设思路，以智慧工厂和智能制造为主题，以信息化手段与模块化内容为核心思想，围绕“工业 4.0”及“中国制造 2025”进行功能拓展设计，打造成一个既立足于实训教学又贴近于工业化生产，既能充分地调动学生学习积极性，又能使教学与工业实际无缝对接的智能化综合教学场景，为学校的实训教学、技术创新、技能竞赛、社会服务提供了平台。参考文献1 蒋庆斌,陈小艳,周斌.工业机器人应用领域1+X证书体系构建研究J.中国职业技术教育,2020(23):41-44,50.2 樊泽明,余孝军,王鹏博,等.面向工业机器人专业的混合式教学系统J.高等工程教育研究,2021(6):183-189.3 潘海生,胡缓.社会多元主体参与下公共实训基地的建设机制研究J.中国电化教育,2022(3):54-61.4 陈萍.基于产教融合的中职工业机器人专业实践教学研究J.造纸装备及材料,2023,52(2):228-230.5 陈虎.中国（重庆）职业技能公共实训中心运营管理战略研究D.重庆:重庆师范大学,2021.表 2 工业机器人柔性制造系统实训中心功能情况序号功能分区主要功能情况介绍1基础实训功能区（1）工业机器人技术基本理论学习；（2）工业机器人初级操作与编程实训；（3）工业机器人维护保养实训；（4）简单自动化控制系统实训2工业机器人仿真机房（1）工业机器人技术基本理论学习；（2）工业机器人仿真技术学习；（3）工业机器人相关软件学习3典型应用实训功能区（1）工业机器人中级操作与编程实训；（2）工业机器人典型应用实训；（3）工业机器人简单系统控制实训；（4）工业机器人典型系统维护保养实训；（5）自动化控制系统实训4柔性制造系统实训功能区（1）工业机器人高级操作与编程实训；（2）工业机器人复杂系统控制实训；（3）工业机器人复杂系统维护保养实训；（4）复杂自动化控制系统实训表 3 实训中心主要教学项目一览表实践项目任务课题（部分）学时服务专业工业机器人工装夹具设计仿真机器人焊枪支架设计与仿真 6工业机器人技术、电气自动化技术、机械设备装配与自动控制机器人气动抓手设计与仿真12机器人真空吸盘设计与仿真 6机器人复合吸盘设计与仿真12自动化生产线仿真实训自动化生产线规划 6供料站设计与仿真12分拣站设计与仿真12加工站设计与仿真12控制系统规划设计12工业机器人拆装与维护实训工业机器人机械结构 6工业机器人电气系统 6工业机器人日常维护12工业机器人拆装12减速机虚拟拆装12