《智能生產(chǎn)線數(shù)字化集成與仿真》課件 任務(wù)1.1 工業(yè)機(jī)器人的離線編程技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人的離線仿真技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的離線編程技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀1離線編程技術(shù)的發(fā)展2離線編程軟件種類目錄3通用型離線編程軟件4專用型離線編程軟件5工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)器人早期主要應(yīng)用于大批量生產(chǎn),示教編程可以滿足這些工業(yè)機(jī)器人作業(yè)的要求。隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和所完成任務(wù)復(fù)雜程度的增加,在中小批量生產(chǎn)中,用示教方式編程就很難滿足要求。在CAD/CAM/robotics一體化系統(tǒng)中,由于工業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜性,對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其工作環(huán)境乃至生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)仿真是必不可少的。工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人編程語言的拓展。它利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果,建立起工業(yè)機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型;再利用一些規(guī)劃算法,通過對(duì)圖形的控制和操作,在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃。工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)已被證明是一個(gè)有力的工具,可以增加安全性,減少工業(yè)機(jī)器人不工作時(shí)間和降低成本等。任務(wù)引入離線編程技術(shù)的發(fā)展從20世紀(jì)70年代以來，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家的一些大學(xué)、科研所、機(jī)器人制造商都對(duì)離線編程做了大量的系統(tǒng)化研究，部分軟件已經(jīng)商品化、實(shí)用化。早期的離線編程是基于文本的編程，用符號(hào)來表述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；但由于其缺乏對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡三維空間坐標(biāo)的直觀描述,難以實(shí)現(xiàn)完全意義上的離線編程。如今均采用基于圖形的編程,其優(yōu)勢(shì)在于人機(jī)界面交互編程和圖形仿真。國(guó)外許多實(shí)驗(yàn)室、研究所、制造公司對(duì)離線編程與仿真系統(tǒng)做了大量研究,其技術(shù)也基本成熟,并已達(dá)到實(shí)用化階段。1離線編程技術(shù)的發(fā)展相比于國(guó)外，雖然國(guó)內(nèi)在離線編程方面起步較晚，但因投入量比較大、重視程度比較高所以發(fā)展比較迅速。本書所述的離線編程軟件PQArt是擁有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一款軟件，軟件最大特點(diǎn)是根據(jù)虛擬場(chǎng)景中的零件形狀，自動(dòng)生成加工軌跡，并且可以控制大部分主流機(jī)器人。軟件根據(jù)幾何數(shù)模的拓?fù)湫畔⑸蓹C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，之后軌跡仿真、路徑優(yōu)化、后置代碼一氣呵成，同時(shí)集碰撞檢測(cè)、場(chǎng)景渲染、動(dòng)畫輸出于一體，可快速生成效果逼真的模擬動(dòng)畫。廣泛應(yīng)用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等領(lǐng)域。1離線編程軟件種類我們常說的機(jī)器人離線編程軟件，大概可以分為兩類：第一類是通用型離線編程軟件，這類軟件一般都由第三方軟件公司負(fù)責(zé)開發(fā)和維護(hù)，不單獨(dú)依托某一品牌機(jī)器人。換句話說，通用型離線編程軟件，可以支持多品牌機(jī)器人的軌跡編程、仿真和程序后置輸出。這類軟件優(yōu)缺點(diǎn)很明顯，優(yōu)點(diǎn)是支持的機(jī)器人品牌較多，通用性好，缺點(diǎn)就是對(duì)某一品牌的機(jī)器人的支持力度不如專用型離線編程軟件的支持力度高。2離線編程軟件種類第二類是專用型離線編程軟件，這類軟件一般由機(jī)器人本體廠家自行或者委托第三方軟件公司開發(fā)維護(hù)。這類軟件有一個(gè)特點(diǎn)，就是只支持本品牌的機(jī)器人仿真，編程和程序后置輸出。由于開發(fā)人員可以拿到機(jī)器人底層數(shù)據(jù)通訊接口，所以這類離線編程軟件具有更強(qiáng)大和實(shí)用的功能，與機(jī)器人本體兼容性也更好。2通用型離線編程軟件(1)RobotMasterRobotMaster軟件（下圖）無縫隙架構(gòu)于Mastercam系統(tǒng)（一種CAD/CAM軟件）內(nèi)，可以進(jìn)行機(jī)器人編程，模擬和直接產(chǎn)生加工程序碼，它支持市場(chǎng)上絕大多數(shù)機(jī)器人品牌，包括發(fā)那科（FANUC），ABB，莫托曼（MOTOMAN），庫卡（KUKA），史陶比爾（STAUBLI），三菱（MITSUBISHI）、珂瑪、松下等。RobotMaster可以應(yīng)用于激光切割，打磨，焊接，噴涂，研磨等領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)是可以按照產(chǎn)品的模型生成程序。軟件帶有優(yōu)化功能，運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃和碰撞檢測(cè)非常精確，且支持外部軸和復(fù)合外部軸組合系統(tǒng)。3通用型離線編程軟件3圖1RobotMaster離線編程軟件的界面通用型離線編程軟件(2)RobotWorksRobotWorks為集成在三維CAD軟件SolidWorks中的機(jī)器人離線編程軟件，它能夠讀取各種數(shù)據(jù)格式的三維模型，由于與SolidWorks進(jìn)行了集成，RobotWorks是作為SolidWorks界面中的附加選項(xiàng)存在，如下圖所示。其制作機(jī)器人控制程序的步驟非常簡(jiǎn)單，讀入機(jī)器人模型和工作形態(tài)后，基本上只需4個(gè)步驟即可完成。3通用型離線編程軟件3圖2RobotWorks離線編程軟件的界面RobotWorks可以生成FANUC、安川、川崎、ABB、KUKA及STAUBLI等品牌機(jī)器人的程序，同時(shí)在RobotWorks中內(nèi)置了上述公司主要產(chǎn)品的機(jī)器人模型。通用型離線編程軟件(3)RoboMoveRoboMove（下圖）是Qdesign公司開發(fā)的機(jī)器人離線編程仿真軟件，支持市面上大多數(shù)品牌的機(jī)器人，它能夠利用傳統(tǒng)CAM軟件生成的運(yùn)動(dòng)路徑生成機(jī)器人程序并進(jìn)行機(jī)器人仿真。RoboMove同時(shí)帶有工作空間檢查、奇異性檢查、碰撞檢查、工作時(shí)間計(jì)算、離線示教等功能。它最多能夠支持六個(gè)外部軸，既可以將機(jī)器人安裝在導(dǎo)軌或轉(zhuǎn)臺(tái)上，也可以將工件安裝在變位機(jī)上，RoboMove已經(jīng)在諸多工業(yè)領(lǐng)域得到過許多成功的應(yīng)用。3通用型離線編程軟件3圖3RoboMove離線編程軟件的界面通用型離線編程軟件(4)PQArtPQArt工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件是北京華航唯實(shí)機(jī)器人科技股份有限公司研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件，它兼容了目前市面上所有主流的工業(yè)機(jī)器人品牌，如下圖所示為軟件的操作界面。其利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，開發(fā)規(guī)劃算法，通過對(duì)模型的控制和操作，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃，生成機(jī)器人控制程序。3通用型離線編程軟件3圖4PQArt離線編程軟件的界面通用型離線編程軟件PQArt可以根據(jù)幾何數(shù)模的拓?fù)湫畔⑸蓹C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡或使用通用CAD/CAM系統(tǒng)（如CATIA、MasterCAM等）生成的G代碼或APT代碼作為加工軌跡。獲取軌跡之后，PQArt進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真、碰撞檢查、代碼優(yōu)化等操作，以校驗(yàn)出機(jī)器人加工的正確性和可達(dá)性。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以自由定義末端執(zhí)行器、工裝、導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)臺(tái)等其他外圍設(shè)備。仿真優(yōu)化完成后，可將優(yōu)化后的機(jī)器人控制代碼后置輸出，進(jìn)而導(dǎo)入機(jī)器人控制柜進(jìn)行實(shí)際加工，廣泛應(yīng)用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等領(lǐng)域。3專用型離線編程軟件(1)RobotStudio如下圖所示為ABB機(jī)器人公司開發(fā)的RobotStudio軟件，它使用圖形化編程、編輯和調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)來創(chuàng)建機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，并模擬優(yōu)化現(xiàn)有的機(jī)器人程序。軟件支持各種主流CAD格式的三維數(shù)據(jù)，且具有路徑自動(dòng)跟蹤、離線程序編輯、路徑優(yōu)化、可達(dá)性分析、碰撞檢測(cè)等功能。機(jī)器人程序無需任何轉(zhuǎn)換便可直接下載到實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行使用，大大提升了編程效率。該離線編程軟件，只適用于ABB機(jī)器人。4圖5RobotStudio離線編程軟件的界面專用型離線編程軟件4專用型離線編程軟件(2)KUKASimProKUKASimPro（下圖）是一款專為使用庫卡機(jī)器人設(shè)備所設(shè)計(jì)的離線編程仿真軟件，用于建立三維布局，可進(jìn)行離線編程、模擬仿真和檢查各種布局設(shè)計(jì)和方案。KUKASimPro軟件支持多種CAD格式模型導(dǎo)入、借助庫卡虛擬機(jī)器人控制系統(tǒng)KUKA.OfficeLite直接編寫機(jī)器人程序，可以省去離線編程軟件程序后置處理的步驟。在現(xiàn)場(chǎng)生成的機(jī)器人程序可導(dǎo)入KUKA.OfficeLite，這樣就可以在KUKA.SimPro中驗(yàn)看程序。KUKA.SimPro實(shí)時(shí)與庫卡虛擬控制系統(tǒng)KUKA.OfficeLite連接。該軟件與真正在庫卡機(jī)器人控制系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件幾乎完全相同。4圖6KUKASimPro離線編程軟件的界面專用型離線編程軟件4專用型離線編程軟件(3)RoboGuideRoboGuide（下圖）是一款支持FANUC機(jī)器人系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)和動(dòng)作模擬仿真的軟件，它可以進(jìn)行系統(tǒng)方案的布局設(shè)計(jì)、機(jī)器人行程可達(dá)性分析和碰撞檢測(cè)，還能夠自動(dòng)生成機(jī)器人的離線程序、進(jìn)行機(jī)器人故障的診斷和程序的優(yōu)化等。RoboGuide提供了便捷的功能支持程序和布局的設(shè)計(jì)，在不使用真實(shí)機(jī)器人的情況下，可以高效地設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)，減少系統(tǒng)搭建的時(shí)間。4圖7RoboGuide離線編程軟件的界面專用型離線編程軟件4專用型離線編程軟件(4)MOTOSIMEGMOTOSIMEG軟件（下圖）是MOTOMAN安川機(jī)器人離線編程計(jì)算機(jī)軟件，其可在計(jì)算機(jī)上方便的進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)程序編制及模擬仿真演示。MOTOSIMEG包含有絕大部分安川機(jī)器人現(xiàn)有機(jī)型的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，因此可對(duì)多種機(jī)器人進(jìn)行操作編程。它還提供了CAD功能，使用者可以在軟件中自行構(gòu)造出各種工件和工作站周邊設(shè)備，與機(jī)器人一起構(gòu)成機(jī)器人系統(tǒng)，模擬真實(shí)系統(tǒng)。4圖8MOTOSIMEG離線編程軟件的界面專用型離線編程軟件4工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀正確有效地使用離線編程軟件，可以幫助制造商實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)目標(biāo)，包含復(fù)雜軌跡的生產(chǎn)與編輯、可達(dá)空間的計(jì)算、碰撞檢測(cè)、軌跡優(yōu)化處理等，PQArt離線編程軟件支持的核心功能如圖所示。5軌跡生成與編輯可達(dá)空間計(jì)算外部工具的使用驗(yàn)證碰撞檢測(cè)軌跡優(yōu)化處理外部軸聯(lián)動(dòng)圖9PQArt軟件支持的核心功能工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀離線編程技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、焊接、噴涂工藝應(yīng)用場(chǎng)景中以及涉及多個(gè)設(shè)備的配合使用場(chǎng)景中，下面舉例對(duì)離線編程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行講解。(1)機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用目前，工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工方面主要用于汽車工業(yè)及汽車零部件工業(yè)，當(dāng)加工面不規(guī)則時(shí)，采用離線編程的方式生成加工軌跡是更為方便快捷的，可以有效減少編程時(shí)間、提高加工精度，如圖10、圖11所示的應(yīng)用。5工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀5圖10PQArt軟件汽車零部件切割應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀5圖11PQArt軟件去毛刺應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀(2)焊接工藝領(lǐng)域應(yīng)用利用離線編程技術(shù)，機(jī)器人工程師可以在軟件環(huán)境中完成焊接生產(chǎn)線中機(jī)器人焊接路線的規(guī)劃、離線編程、干涉區(qū)設(shè)置，將部分現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作轉(zhuǎn)移至軟件中，從而縮短項(xiàng)目調(diào)試周期，如下圖所示離線編程技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用。5工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀5圖12PQArt軟件鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀(3)噴涂工藝應(yīng)用噴涂機(jī)器人是大批量自動(dòng)化生產(chǎn)中的重要設(shè)備，噴涂程序的編寫效率決定了噴涂