【机器人】工业机器人仿真和离线编程

2020 年 7 月 8 日 产业智能官

作者：Tanya M. Anandan 来源：控制工程中文版

软件供应商正在反驳有关机器人离线编程过于复杂或不具经济性的成见。

尽管离线编程（OLP）已经走过了漫长的道路，但对它的误解仍然存在。在焊接行业中，许多机器人编程仍然需要在教学挂件上手动逐点完成，无比繁琐。许多人还记得机器人技术的发展历史，这些机器人承诺的太多，但实际上却无法实现。梦想家和实干家一直在努力超越期望。

仿真和离线编程软件也在逐步发展并变得更智能、更快速、更灵活、更可靠。这是一个崇尚易用性的新时代，离线编程软件供应商正逐步揭开机器人技术的神秘面纱。

大多数仿真和离线编程解决方案提供商会告诉你，这不是一个非此即彼的选择，仿真和离线编程可以齐头并进。不过这并不代表二者可以互换使用，你可以在没有离线编程的情况下进行仿真，但是如果没有仿真，则无法使用离线编程。

机器人仿真是机器人单元或生产线的三维表示。它直观地演示了机器人如何沿着设定的路径或轨迹从一个XYZ 坐标移动到另一个XYZ 坐标。它可以包括多个安装在外轴上的机器人，可以与多轴工件定位器配合使用，也可以在装配线上进行协调。然而，所有这些运动和计划都会变得更复杂。

图1 ：离线编程软件利用机器人运动学、外轴和工件定位器的校准数据来精确仿真机器人焊接过程。图片来源：Cenit 公司

“许多购买机器人的客户认为，它的行为就像计算机数控（CNC）。事实并非如此。”RoboDK 公司首席执行官Albert Nubiola说道。“CNC 编程很容易。工作空间已正确定义。它就像一个立方体。”然而，机器人有一个球形工作空间，并且由于关节的限制和机器人奇点（机器人运动在数学上无法预测的点），有些类型的运动是你无法做到的。离线编程有助于避免在为机器人编程时出错。

在机器人加工中，可能有成百上千个点，Nubiola 继续说道，“没有人能使用教学挂件逐点编程。你肯定需要软件才能进行离线编程。”仿真可用于概念验证，例如机器人集成商的销售工具，以演示机器人系统如何运行。通过仿真，用户可以检测机器人、工具、固定装置和任何安全栅栏之间可能发生的冲突。

仿真可以分析关节限制、奇点和范围问题。此外，它可以揭示一系列令人瞩目的问题，从长远来看可以节省时间和金钱。离线编程使用仿真来输出特定的机器人代码，该代码可以加载到实际机器人的控制器上并运行该程序。后置处理器将编程代码转换为机器人可以理解的语言。机器人制造商拥有自己的专有编程语言，这意味着第三方软件必须是多语言的。

离线编程的好处

离线编程的主要推动力是减少机器人的停机时间，也就是用教学挂件逐点手动编程机器人所需的时间，还有与机器停机时间和程序员劳动力相关的成本。

“如果最终用户在教学挂件（在线）上手动编程机器人，它们必须停止生产以对零件进行编程。”Octopuz 公司的销售总监RobHouse 说道，“使用离线编程的好处是可以在生产时编程，可以在软件中离线为你的第二个、三个或第五个零件进行编程，然后一旦准备开始新的工序，就可以切换程序，然后再重新开始你的生产。”

离线编程最适合需要大量点的复杂路径规划应用，如焊接、修边、激光切割、去毛刺、热喷涂、喷涂、激光熔覆和增材制造。离线编程对于简单的取放应用、装配、包装和码垛并不是特别有用。虽然这些应用程序仍然可以使用离线软件进行编程，但用户可能无法实现投资回报。如果过程只有四到五个点，那么手动编程会更具经济性。

“对于每个新部件来讲，如果在离线编程软件上花费的时间和教学挂件一样多，那么就不会有任何好处，”Hypertherm 机器人软件公司高级主管Garen Cakmak 说，“对于高混合、低容量环境中的机器人，软件需要简单易用。”提高易用性是这些软件开发人员的首要任务。但如果仿真和离线编程不能准确反映现实，那么仿真和离线编程将毫无意义。

图2 ：在铁路维护中，需要成百上千次重复动作的过程，如果使用协同机器人离线编程，则可以节省数月的手动编程时间。图片来源：Hypertherm 机器人软件公司

校准并且不要偏离

离线编程要起作用，虚拟世界必须与现实世界相匹配。这意味着仿真必须准确地表示物理机器人单元。

“在离线编程软件中的虚拟环境必须完全复制车间的实际工作单元，但在大多数情况下并非如此。”Cenit 公司的数字工厂解决方案副总裁Helmut Ziewers 说道，“计算机辅助设计（CAD）模型与和该模型对应的物理部件之间的偏差可能很小或很大，尤其是使用的工具不是特别完美的时候更是如此。我们仍然看到了主要问题，由于这些偏差，人们认为这些工作无法离线完成。”但是，这些偏差并非不可克服，因此校准至关重要。

图3 ：在弧焊工作单元中，如果使用离线编程，可以将编程时间缩短一半，减少机器人的停机时间，从而帮助满足生产需求。图片来源：Octopuz 公司

“即使只有几毫米或几厘米的偏差，就可以创建任意数量的离线程序，”Ziewers 说，“它们永远不会完全一样。我们必须确切地知道车间里的机器人是如何设置的，并且一定不能有任何偏差，否则离线编程将无法工作。刀具路径、轨迹将始终关闭。”

生产动力叉车的Crown 设备公司就遇到了这类问题。其位于德国Roding 的工厂拥有多个复杂的机器人焊接系统，带有外轴和多轴工件定位器。面对由耗时的手动机器人编程引起的生产瓶颈，Crown 公司决定探索离线编程是否可行。他们的旅程并非一帆风顺。Crown团队的一些人对此持怀疑态度，而其他人则渴望尝试离线编程。

图4 ：NASA 正在开发新型的检测系统，离线编程软件为其仿真机器人路径规划。该系统使用配备了红外摄像机的协作机器人，来测试复合飞机结构中的缺陷。图片来源：RoboDK 公司

Cenit 公司是参与基准研究的两家供应商之一。Ziewers 表示他们采用了Crown 自动化集成商提供的CAD 图纸，并在他们的软件中创建了虚拟机器人工作单元。基于这些图纸，他们创建了机器人程序并在物理工作单元上运行。

Cenit 工程师亲自去现场，对Crown 工厂的工作单元进行物理校准。“我们发现尺寸有差异，”Ziewers 说，“我们在软件中利用这些差异，然后根据虚拟世界中的新设置调整离线程序。”这与车间的物理设置完全匹配，机器人程序运行良好。

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