科技创新与应用
Technology Innovation and Application研究视界2021年13期
基于NX MCD的工业机器人应用编程“1+X”证书
实践训练的研究*
黄诚，黄灿军
（广东水利电力职业技术学院，广东广州510925）
1研究背景
在新一轮科技革命和产业变革的大背景下，数字化转型将是我国产业升级的重要方向或目标。数字化转型本身就是先易后难的推进过程，到目前为止，中国数字化转型已经形成的新模式、新业态，主要还是在消费或者服务领域。尤其是经过疫情后，中国数字化转型推进的重点必然由消费或服务领域转向制造业领域。
习近平总书记高度重视数字经济、新一代信息技术与职业教育的发展，多次做出重要指示。他在全国教
中国在线编程育大会上指出，“不断使教育同党和国家事业发展要求相适应、同人民众期待相契合、同我国综合国力和国际地位相匹配”。因此中国职业教育应该紧盯科技前沿，适应科学技术进步和生产方式变革，推动职业院校紧密对接新一代信息技术，加速向数字化、智能化转型，为生产服务一线培养高端技术技能人才。
在我国，随着制造产业的发展，工业机器人的增长速度非常迅速，到2019年我国机器人密度尽管高于全球平均水平，但与欧美等发达国家仍相距甚远，我国的工业机器人密度有着巨大增长空间，这对工业机器人技术专业发展是很好的机遇。到2020年，我国高职院校中开设工业机器人技术专业的院校达到704所，在2019年教育部启动的首批120个国家级职业教育教师教学创新团队中，涉及工业机器人编程、应用与维护领域的就有20个。如何使工业机器人技术相关专业培养出来的学生既能满足企业对各类人才的迫切需求，保证学生毕业时能精准定位到企业的各个岗位，又能提供给学生更多的选择权，满足学生个性化发展需求，形成宽口径、多元化、个性化发展体系，这将是我国高端装备制造业向自动化、信
摘要：随着数字化工业技术的发展及OPC UA广泛应用于工业场景之中，西门子NX MCD机电设备仿真软件可有效仿真工业机器人应用编程“1+X”职业技能等级证书考核设备，实现技能训练的虚拟化，有效解决现有工业机器人应用编程“1+X”职业技能等级证书推广面临的价格昂贵、安全事故频发、设备故障率高、使用效率低等诸多问题。利用NX MCD机电设备仿真可模拟大多数光机电液综合实训设备，
未来将成为智能制造相关专业实作训练的主要手段，学生通过该技术可以全面掌握机电、电气自动化、工业机器人等诸多学科知识和技能，有助于智造时代下新型多元化人才的培养。
关键词：工业机器人；1+X；NX MCD；虚拟仿真；虚拟调试
中图分类号:TP242.2文献标志码:A文章编号:2095-2945(2021)13-0045-03
Abstract:With the development of digital industrial technology and the wide application of OPC UA in industrial scenes, Siemens NX MCD electromechanical equipment simulation software can effectively simulate the industrial robot application programming"1+X"certification for vocational skill levels,and realize the virtualization of skill training;besides,this software can effectively solve many problems facing the existing industrial robot application programming"1+X"certification,such as high price,frequent safety accidents,high equipment failure rate,low use efficiency and so on.Using NX MCD electromechanical equipment simulation can simulate most opto-mechanical electro-hydraulic comprehensive training equipment, which will become the main means of practical training for related majors in intelligent manufacturing in the future.Through this technology,students can fully master the knowledge and skills of many disciplines,such as mechatronics,electrical automation,industrial robots and so on,which is helpful to the cultivation of new and diversified talents in the era of intelligence.
Keywords:industrial robot;1+X;NX MCD;virtual simulation;virtual debugging
*基金项目：广东省教育科学规划课题(编号:2020WQYB037)
作者简介：黄诚（1981-），男，硕士，讲师，研究方向：工业控制技术，数字孪生；黄灿军（1975-），男，博士，副教授，研究方向：机械设计及理论。
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息化、智能化方向转型升级的重要一步，而工业机器人应用编程“1+X ”职业技能等级证书试点是解决上述问题的核心关键。但该证书的试点推广和开展存在着以下诸多瓶颈，如：（1）实践教学成本高。工业机器人应用编程考证设备基本在40万以上，在该证书的管理文件中要求校方申报培训点的条件要
求是10台，考证点则需要20台，意味着仅仅开展培训工作，就需要筹集大量的资金，这对于多数院校都将是一个较大的压力；对于一些财力充足的院校，即使有足够的资金，也可能存在不足的设备放置空间，大量地购入各种硬件设备，即使有些设备被淘汰不能满足现代教学的要求，但未到设备报废年限，这类设备只能占用大量的场地空间，再无多余场地放置新设备。由于其资金成本和场地成本比较高，严重影响工业机器人应用编程“1+X ”职业技能等级证书试点的开展。（2）设备有效利用率低。工业机器人应用编程考证设备知识点综合全面，涉及工业机器人编程技术、传感器技术、气动液压技术、PLC 编程技术、人机界面技术、网络通信技术等等，对设备使用者的要求很高，在学生学员未能完全掌握上述技能的时候，使用设备进行训练，不可避免地将导致机器人和其它执行机构发生碰撞而造成损坏，而机器人和
设备的维修维护对技术人员的要求很高，供应厂商未必能及时响应维护，这就导致部分设备长期处于维保状态，无法有效投入急迫的教学训练任务中。（3）存在安全隐患。在开展工业机器人编程训练的过程中，由于学生学员的水平差异比较大，常常会出现将工业机器人的设置速度较快，而程序却不满足控制工艺或学生操作不规范的现象，难以避免地发生教学安全事故，对师生及设备造成伤害。2研究意义
数字孪生技术促进了物理层数据和信息层数据的相
互融合，是解决现代传统行业问题的有效方法，可为制造产业的升级转型提供新的工具。自概念提出以来，数字孪生技术在不断快速演化，无论是对产品的设计、制造还是服务，都产生了巨大的推动作用。无论是德国工业4.0还是中国制造2025，其发展路径都是数字化制造、网络化制造和智能化制造，其中数字化和网络化是实现和推进智能化的两个“轮子”，因此，数字化制造是智能制造的基础，没有数字化制造的基础，智能化就是空中楼阁。数字孪生核心应用技术，其关键在于建模、仿真和调试。时至今日，数字孪生仿真和调试技术已经成为迈向智能制造的新兴技术和主流技术，在我国制造业由自动化向智能化的转型中，具有极其重要的战略意义。
利用西门子NX MCD 机电概念设计数字化孪生技术，对工业机器人应用编程“1+X ”职业技能等级证书进
行实操考证设备数字孪生体建模，依据“1+X ”考核标准，开发基于虚拟仿真和调试的实训项目，达到快速培养工业机器人应用编程高级人才的目的。将数字孪生技术和工业机器人应用编程“1+X ”职业技能等级证书进行实操考证相结合，实现工业机器人应用编程“1+X ”考证的虚拟仿真和训练，既满足我国智能制造发展战略，助推广东省制造企业转型，促进珠三角集成产业升级，又将促进数字孪生应用技术人才的培养，高度融通多学科技术，有效推动实施课证融合，全面提升学生综合技术能力，符合企业数字化转型升级的人才需求，这将对职业院校智能制“1+X ”相关的其他职业技能等级证书实践训练的开展提供较大的借鉴经验，其模式的推广对制造装备大类的人才培养具有重要意义。3研究内容
针对“1+X ”工业机器人应用编程设备的应用现状，
开展数字孪生体设计开发，利用数字孪生技术带来的调试便利性、安全性、高效性的优势，采用虚拟调试、
仿真调试的技术原理特点，进行技术创新，优化控制方案，利用西门子DES 数字化仿真套件NX MCD （机电一体化概念设计软件）、SIMIT （自动化项目仿真与设计软件）、TIA
（PLC 编程软件）、PLCsim Advanced （PLC 高级仿真软件）完成“1+X ”工业机器人应用编程设备的数字孪生体机械模型的设计、电气原理图设计、气动回路图设计、
PLC 程序设计、ABB 机器人程序设计，研究和设计具有装配容易、柔性化优、精度高、安全可靠等优点的数字孪生体训练平台。并测试“1+X ”工业机器人应用编程设备孪生体并总结其特点，开展工业机器人应用编程虚拟仿真与调试项目开发，并编制实训教材，将此解决方案应用至其他各类技能证书训练平台的实践教学中，服务职业教育、促进国家职业教育改革。
在实际落实NX MCD 的工业机器人应用编程“1+X ”证书实训设备开发实践过程中，需要具体研究以下几个内容：（1）研究“1+X ”工业机器人应用编程设备的工艺。针对“1+X ”工业机器人应用编程训练设备的工艺流程和国家工业机器人应用编程证书考核要求进行深入研究，设计装配工艺机械模型、机器
人运行轨迹、工作范围，让设备的功能满足“1+X ”工业机器人应用编程训练的要求，将设备的价值最大化。（2）研究“1+X ”工业机器人应用编程设备孪生体数据链路的可行性和可靠性。将“1+X ”工业机器人应用编程设备进行设备零件设计的数字化、设备装配的数字化、设备物理属性的数字化、设备电气配置的数字化、设备的程序调试数字化，其目的是结合西门子智能制造先进的数字孪生技术，采用PLCsim Advanced 模拟西门子S7-1511PLC ，通过Share Memory 共享内存
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的方式，完成PLC程序和SIMIT的连接，NX MCD项目和SIMIT的连接，ABB机器人仿真软件RobotStudio通过
SIMIT与NX MCD的通信连接，打通PLC仿真、SIMIT驱动及IO仿真、ABB机器人编程仿真、NX MCD数字孪生体场景仿真调试的数据链路。（3）研究PLC程序和机器人程序虚拟调试的调试机制。数字孪生体在PLC控制伺服和变频器的应用中往往需要对其ProfitNet通信报文、103报文、105报文等做以解析报文的深入研究。以SIMIT为数据中转站，PLC与ABB机器人的数据交互、PLC与NX MCD的数据交
互、NX MCD与RobotStudio 的数据交互等做以通信的深入研究，完成PLCsim Ad-vanced、SIMIT、RobotStudio、NX MCD四者的数据连接后，测试程序扫描周期、通信延时对MCD数字孪生体行为的影响，优化程序结构，以及孪生体的物理特性设置，尽可能减少碰撞体、摩擦、阻尼的物件的刚体设定。（4）根据“1+X”工业机器人应用编程职业技能等级的学习进程，研究并开发符合职业教育规律的阶梯级“1+X”工业机器人应用编程设备孪生体的仿真实训项目及编制实训项目操作手册。
4研究的关键问题
基于NX MCD的工业机器人应用编程“1+X”证书实践训练项目的开发具有一定难度，应根据工业机器人应用编程职业技能等级考核标准，着重解决以下关键问题：（1）根据工业机器人应用编程职业技能等级考核标准总结核心技术点，并根据硬件设备设计制作一致的机械模型。（2）规划数据流向问题，搭建数据流路径，让现场层设备的数据能在以太网络上进行安全地传送，让现场设备与虚拟场景同步运行。（3）设计电气控制原理图，完成主电路、控制电路的绘制，并进行机电的联合调试。（4）着重研究PLCsim Advanced、SIMIT、RobotStudio、NX MCD四者的数据互通，以及软件编程及实现，完成“1+X”工业机器人应用编程的考核训练实训等，现场设备能与虚拟场景数据无缝对接，实现数字化虚拟仿真虚拟调试。
5研究的创新性
（1）针对“1+X”工业机器人应用编程证书，进行考核训练系统的深入研究，设计“1+X”工业机器人应用编程训练平台机械模型，进行系统安全测试评估，完善职业技能考证训练课程。（2）采用先进的西门子数字孪生技术。数字孪生体的执行元件是数字孪生体的灵魂，各个电机、气缸等执行元件必须与真实设备保持高度一致，包括气缸的运行速度、到位信号、电机转速、伺服运动位置等信号必须全部建立数字模型，提供与外界对接的接口。（3）打通软件与软件之间的通信，实现虚拟训练。通过对TIA 博途编程软件、SIMIT自动化项目仿真设计、RobotStudio
机器人编程软件对数字孪生体的变量链接，进行相关控制工艺程序的设计，实现对PLC和机器人的程序设计，该程序在消除安装误差后可直接用于实体设备的控制。（4）研究“1+X”工业机器人应用编程数字孪生体，将设备模型化虚拟化，人手一台可编程“虚拟设备”，提升技能技术的经验，减少耗材的产生及元器件的更换。在保证安全的基础上，学生可以大胆尝试不同的编程思路及探索更具综合性的“1+X”工业机器人应用编程应用课程。（5）受新冠疫情影响，在有条件前提下尽量降低实训人密集度，通过数字孪生技术，将设备模型化虚拟化，在虚拟场景中实现对设备的编程控制，而将“1+X”工业机器人应用编程设备放在虚拟场景中，解决了在线教学模式中学生不能训练技能技巧的问题，同时也验证了在线上教学模式中，采用数字孪生技术的设备的可行性和可靠性。“1+X”工业机器人应用编程证书要求的相关技术控制，在该项目中也将打通各个软硬件之间的通信壁垒，实现数据交互，同时也为工业云做铺垫。
6结束语
利用西门子NX MCD进行“1+X”工业机器人应用编程考核设备的导入，并进行物理特性的设置使其成为具有运动特征的数字孪生体，并通过TIA博途编辑软件进行PLC和HMI程序编制，通过RobotStudio进行工业机器人应用编程，完成PLCsim Advanced、SIMIT、Robot-Studio、NX MCD四者的数据链接，实现工业机器人和PLC程序验证在技术层面对接的可行性。通过NX MCD 虚拟仿真与调试技术，工业机器人应用编程“1+X”证书实践训练将更便于组织和开展，降低了在实训过程中操作的危险性，延长了设备的使用寿命，将教师从繁冗的设备维护工作中解脱出来，以便更好地对学生进行有效指导，这是非常有意义、值得广泛推广的方案。
参考文献院
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