任务3.9 工业机器人离线编程技术
1.任务引入
目前，工业机器人已成为现代工业不可缺少的工具，它标志着工业的现代化程度。随着计算机技术、微电子技术以及网络技术的快速发展，工业机器人技术也得到了迅猛的发展。工业机器人是一个可编程的机械装置，其功能的灵活性和智能性在很大程度上取决于工业机器人的编程能力。
工业机器人的应用范围不断扩大，所完成任务的复杂程度不断增加，工业机器人工作任务的编制已成为一个重要的问题，而传统示教方式存在一些弊端，离线编程便成为新时代的宠儿。
20世纪70年代末，国外就开始了工业机器人离线编程规划和系统的研究。在众多工业机器人仿真与离线编程系统中，以色列Tecnomatic公司在1986年推出的Robcad工业机器人计算机辅助设计及仿真系统最具代表性，其集通用化、完整化、智能化和商品化于一体。
近年来，国内外许多大中型企业都装备了自动化加工设备和计算机辅助设备与系统。这些设备与系统为计算机编程技术的推广提供了基本的条件，使工业机器人离线编程技术的应用越来越广泛。
目前，工业机器人仿真软件可分为两类：一类是通用型离线编程软件；另一类是专用型离线编程软件。
通用型离线编程软件是第三方公司开发的，适用于多个品牌的工业机器人，能够实现仿真、轨迹编程和程序输出，但兼容性不够。常用的通用型离线编程软件有RobotMaster、Robot Works、Robotmove、RobotCAD、DELMIA、RobotArt、SprutCAM、RobotSim、中科川思特、亚龙、旭上、汇博等。
专用型离线编程软件是由工业机器人本厂开发或委托第三方公司开发的，其特点是只适用于其对应型号的工业机器人，也就是说，其只支持同品牌的工业机器人，其优点是功能强大、实用性更强、与工业机器人的兼容性更好。这类软件有RobotStudio（ABB原厂的离线编程软件）、RoboGuide（FANUC原厂的离线编程软件）、KUKA Sim（KUKA原厂的离线编程软件）。
国内在离线编程方面起步较晚，但因投入较大、重视程度较高，所以发展比较迅速。最值得一提的是北京华航唯实推出的RobotArt离线编程软件，这款软件是目前国内离线编程软件中的顶尖软件，其最大的特点是能根据虚拟场景中的零件形状自动生成加工轨迹，并且可以控制大部分主流工业机器人，为国内工业机器人提供了有力的支持。该软件可根据几何模型的拓扑信息生成工业机器人运动轨迹，其后的轨迹仿真、路径优化、后置代码一气呵成，同时集碰撞检测、场景渲染、动画输出于一体，可快速生成效果逼真的模拟动画。该软件广泛应用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、数控加工等领域。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解工业机器人示教编程方式。
（2）理解工业机器人离线编程技术。
2）技能目标
能够使用离线编程软件进行编程。
3）素养目标
培养学生对专业及以后从事职业、岗位的认同感，树立职业自信。
3.任务分析
工业机器人示教编程方式如下。
1）工业机器人在线示教编程
所谓在线示教编程，即操作人员通过示教器，手动控制工业机器人的关节运动，使工业机器人运动到预定的位置，同时对该位置进行记录，并传递到工业机器人控制器中，之后工业机器人可根据指令自动重复该任务，操作人员也可以选择不同的坐标系对工业机器人进行示教。
在线示教编程在实际应用中主要存在以下问题。
（1）编程过程烦琐、效率低。
（2）精度完全靠示教者目测决定，而且对于复杂的路径，在线示教编程难以取得令人满意的效果。
2）工业机器人离线编程
所谓离线编程，是通过软件，在计算机中重建整个工作场景的三维虚拟环境，软件可以根据要加工零件的大小、形状、材料，同时配合软件操作者的一些操作，自动生成工业机器人的运动轨迹，即控制指令，然后在软件中仿真与调整轨迹，最后生成工业机器人程序传输给工业机器人。
离线编程克服了在线示教编程的很多缺点，充分利用了计算机的功能，降低了编写工业机器人程序所需要的时间成本，同时也减少了在线示教编程的不便。其具体优点如下。
（1）缩短了工业机器人的停机时间，当对下一个任务进行编程时，工业机器人仍可在生产线上进行工作。
（2）使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境。
（3）离线编程系统使用范围广，可以对各种工业机器人编程，并能方便地实现优化编程。
（4）可对复杂任务进行编程。
（5）便于修改工业机器人程序。
目前，工业机器人离线编程广泛应用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、数控加工等工作中。
4.相关知识
1）主流工业机器人离线编程软件介绍
目前的主流工业机器人离线编程软件主要有如下几种。
(1)RobotArt。
RobotArt教育版针对教学实际情况，增加了模拟示教器、自由装配等功能，帮助初学者在虚拟环境中快速认识工业机器人，快速学会工业机器人示教器的基本操作，可大大缩短学习周期，降低学习成本。
RobotArt软件的特点如下。
①支持多种格式的三维CAD模型，可导入扩展名为step、igs、stl、x_t、prt（UG）、prt（ProE）、CATPart、sldpart等格式的文件。
②支持多种品牌的工业机器人离线编程操作，如ABB、KUKA、FANUC、YASKA WA、STAUBLI、KEBA系列、新时达、广数等。
③拥有大量航空航天高端应用经验。
④能自动识别与搜索CAD模型的点、线、面信息，生成轨迹。
⑤轨迹与CAD模型特征关联，模型若移动或变形，轨迹会自动变化。
⑥能一键优化轨迹与进行几何级别的碰撞检测。
⑦支持多种工艺包，如切割、焊接、喷涂、去毛刺、数控加工。
⑧支持将整个工作站仿真动画发布到网页、手机端。
⑨不支持整个生产线仿真，对国外小品牌工业机器人也不支持。
(2)RobotMaster。
RobotMaster来自加拿大，是目前离线编程软件国外品牌中顶尖的软件，几乎支持市场上绝大多数工业机器人品牌[如KUKA、ABB、FANUC、Motoman、史陶比尔（STAUBLI）、柯马（COMAU）、三菱、DENSO、松下等]。
RobotMaster软件的特点如下。
①主要功能。
RobotMaster在MasterCAM中无缝集成了工业机器人编程、仿真和代码生成功能，提高了工业机器人编程速度。
②优点。
RobotMaster可以按照产品数模生成程序，适用于切割、铣削、焊接、喷涂等作业。其具有独特的优化功能，运动学规划和碰撞检测非常精确，支持外部轴（直线导轨系统、旋转系统），并支持复合外部轴组合系统。(https://www.daowen.com)
③缺点。
RobotMaster暂时不支持多台工业机器人同时模拟仿真。它是在MasterCAM的基础上进行二次开发而成的，价格高，企业版的价格为20万元左右。
(3)RobotWorks。
RobotWorks是以色列的工业机器人离线编程仿真软件，与RobotMaster类似，它是在SolidWorks的基础上进行二次开发而成的，使用时需要先购买Solid Works。
RobotWorks软件的特点如下。
①具有全面的数据接口。
RobotWorks基于SolidWorks平台开发，可以通过IGES、DXF、DWG、PrarSolid、Step、VDA、SAT等标准接口进行数据转换。
②具有强大的编程能力。
从Solid Works直接创建或直接导入其他三维CAD数据，选取定义好的工业机器人工具与要加工的工件组合成装配体。所有装配夹具和工具均可以用Solid Works自行创建调用；Robot Works选取工具，然后直接选取曲面的边缘或者样条曲线进行加工，产生数据点；调用所需的工业机器人数据库，进行碰撞检测和仿真，在每个数据点均可以自动修正，包含工具角度控制、引线设置、增加/减少加工点、调整切割次序以及增加工艺参数；RobotWorks自动产生各种工业机器人代码，包含笛卡儿坐标数据、关节坐标数据、工具与坐标系数据、加工工艺等，按照工艺要求保存不同的代码。
③具有强大的工业机器人数据库。
RobotWorks支持市场上大多数主流工业机器人，提供各大工业机器人品牌各个型号的三维数据模型。
④完美的仿真模拟。
RobotWorks具有独特的工业机器人加工仿真系统，可对工业机器人手臂和工具与工件之间的运动进行自动碰撞检测和轴超限检测，自动删除不合格路径并调整，还可以自动优化路径，减少空跑时间。
⑤具有开放的加工工艺指令文件库。
RobotWorks提供了完全开放的加工工艺指令文件库，用户可以按照自己的实际需求自行定义添加、设置自己的独特工艺，添加的任何指令都能输出到工业机器人加工数据中。
(4)ROBCAD。
ROBCAD是西门子旗下的软件。2004年，Tecnomatix公司被美国UGS并购。2007年，西门子公司收购UGS，ROBCAD成为西门子完整的产品生命周期管理软件SiemensPLM Software中的一个重要组成部分。该软件较庞大，重点在于生产线仿真，价格也是同类软件中较高的。该软件支持离线点焊、多台工业机器人仿真、非工业机器人运动机构仿真以及精确的节拍仿真。其主要应用于产品生命周期中的概念设计和结构设计两个前期阶段。
①主要特点。
a.可与主流的CAD软件（如NX、CATIA、IDEAS）无缝集成。
b.可实现工具工装、工业机器人和操作者的三维可视化。
c.可实现制造单元、测试和编程的仿真。
②主要功能。
a.Workcell and Modeling：对白车身（Body-in-White）生产线进行设计、管理和信息控制。
b.Spot and OLP：完成点焊工艺设计和离线编程。
c.Human：实现人因工程分析。
d.Application中的Paint、Arc、Laser等模块：实现生产制造中的喷涂、弧焊、激光加工、混边等工艺的仿真验证及离线程序输出。
e.Paint模块：可实现喷漆的设计、优化和离线编程。其功能包括喷漆路线的自动生成、多种颜色喷漆厚度的仿真及喷漆过程的优化。
(5)DELMIA。
DELMIA是达索旗下的CAM软件，它有六大模块，其中Robotics模块解决方案涵盖汽车领域的发动机、总装和白车身，航空领域的机身装配和维修、维护，以及一般制造业的制造工艺。
DELMIA的工业机器人模块Robotics是一个可伸缩的解决方案，利用强大的PPR（Process Product Resource）集成中枢快速进行工业机器人工作单元的建立、仿真与验证，是一个完整的、可伸缩的、柔性的解决方案。使用DELMIA机器人模块，用户可体验到如下功能。
①从可搜索的含有超过400种以上的工业机器人资源目录中下载工业机器人和其他工具资源。
②利用工厂布置规划工程师所完成的工作。
③加入工作单元中工艺所需的资源，进一步细化布局。
(6)RobotStudio。
RobotStudio是瑞士ABB公司配套的软件，是工业机器人本体商中做得最好的一款软件。RobotStudio支持工业机器人的整个生命周期，使用图形化编程、编辑和调试工业机器人系统来创建工业机器人的运行程序，并模拟优化现有的工业机器人程序。
RobotStudio的主要功能如下。
①CAD导入。
RobotStudio可方便地导入各种主流CAD格式的数据，包括IGES、STEP、VRML、VDAFS、ACIS及CATIA等。工业机器人程序员可依据这些精确的数据编制精度更高的工业机器人程序，从而提高产品质量。
②AutoPath。
该功能通过使用待加工零件的CAD模型，在数分钟之内便可自动生成跟踪加工曲线所需要的工业机器人位置（路径），而这项任务以往通常需要数小时甚至数天才能完成。
③程序编辑器。
RobotStudio可生成工业机器人程序，使用户能够在Windows环境中离线开发或维护工业机器人程序，可显著缩短编程时间，改进程序结构。
④路径优化。
如果程序包含接近奇异点的工业机器人动作，RobotStudio可自动将其检测出来并发出警报，从而防止实际运行中发生这种现象。仿真监视器是一种用于工业机器人运动优化的可视工具，红色线条显示可改进之处，使工业机器人按照最有效的方式运行。RobotStudio可以对TCP速度、加速度、奇异点或轴线等进行优化，缩短周期。
⑤可达性分析。
RobotStudio通过Autoreach可自动进行可达性分析，使用十分方便，用户可通过该功能任意移动工业机器人或工件，直到所有位置均可到达，在数分钟之内便可完成工作单元平面布置验证和优化。
⑥虚拟示教台。
虚拟示教台（QuickTeach）是实际示教台的图形显示，其核心技术是VirtualRobot。从本质上讲，所有可以在实际示教台上进行的工作都可以在虚拟示教台上完成，因此它是一种非常出色的教学和培训工具。
⑦事件表。
这是一种用于验证程序的结构与逻辑的理想工具。在程序执行期间，用户可通过该工具直接观察工作单元的I/O状态；还可将I/O连接到仿真事件，实现工位内工业机器人及所有设备的仿真。这是一种十分理想的调试工具。
⑧碰撞检测。
碰撞检测功能可避免设备碰撞造成的严重损失。选定检测对象后，RobotStudio可自动监测并显示程序执行时这些对象是否发生了碰撞。
⑨VBA功能。
用户可采用VBA（Visual Basic for Applications）改进和扩充RobotStudio的功能，根据具体需要开发功能强大的外接插件、宏，或者定制用户界面。
⑩直接上传和下载。
整个工业机器人程序无须任何转换，便可直接下载到实际工业机器人系统中，该功能得益于ABB独有的VirtualRobot技术。
(7)Robomove。
Robomove来自意大利，同样支持市面上大多数品牌的工业机器人，工业机器人加工轨迹由外部CAM导入。与其他软件不同的是，Robomove可根据实际项目进行定制。
①优点。
Robomove操作自由，功能完善，支持多台工业机器人仿真。
②缺点。
Robomove需要操作人员对工业机器人有较为深入的理解，其策略智能化程度与RobotMaster有较大差距。
以上7款软件既有国产软件，也有国外软件。国外离线编程软件数量较多，而国内离线编程软件起步较晚，但发展非常快。
2）离线编程的发展趋势
与数控机床和CAM软件的发展规律类似，工业机器人应用的早期（20世纪80年代）即出现了离线编程的概念。
近年来，伴随着工业机器人的大规模应用，各大工业机器人厂商（ABB、FANUC、YASKAWA、KUKA等）均提供了适配自家品牌的工业机器人离线编程软件，这些软件可以和自家品牌设备直连，实现准确的节拍仿真，ABB公司的RobotStudio更是可以进行生产线仿真。但对于轨迹的计算，大多数以离线示教为主，根据三维模型计算轨迹（CAM）的能力较弱。
数控加工领域中各大CAM软件厂商（NX/UG、达索、Delcam、MasterCAM等）利用自身在CAM功能上多年的积累，通过收购等方式，也提供了通用工业机器人CAM（离线编程）软件，如MasterCAM下发展出的RobotMaster；西门子收购ROBCAD后，在自身PLM体系中提供了工业机器人离线编程功能。
国内的科研团队及公司也推出了离线编程软件，如由北京华航唯实公司开发的在教育市场中表现较突出的RobotArt，在切割、抛光等实际工业应用场景中快速发展的HiperMOs，华中数控旗下佛山机器人研究院推出的InteRobot，等等。
无论在国外还是国内，工业机器人离线编程软件除了需要在计算轨迹和仿真方面越来越完善外，具体到工业生产中，还需要针对各种工艺应用逐步完善相应的工艺包，这样才能真正满足大多数情况下的实际生产需要。有些特殊的工艺还需要定制开发软件，在这方面，国内工业机器人离线编程软件在现场、技术沟通、性价比等方面占据了相当大的优势。
未来，工业生产对工业机器人智能化的要求越来越高，离线编程也会向着智能化和全自动化的方向发展。离线、在线的界限会模糊，人工智能、云计算也会结合各种传感器，将离线编程与工业机器人控制器共同融入车间级的智能处理系统。
5.任务评价
任务评价见表3-10。
表3-10 任务评价
续表
