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基础入门篇

项目一初识离线编程仿真软件

【项目引入】

小白：“大家好！我是从事工业机器人相关工作的小白，下面我给大家介绍一位新朋友。”

小罗：“大家好！我的名字叫ROBOGUIDE，来自FANUC公司，将是您使用FANUC工业机器人的得力助手，大家可以叫我小罗同学。我是专门为FANUC工业机器人开发的离线编程与仿真软件，只需把我安装在您的计算机上，我就能带您体验FANUC工业机器人的世界。我的功能十分强大。我的大脑中存储着大量的机器人库，可自由定制专属于您的机器人仿真案例。我可以帮助您在没有真实机器人和设备的情况下，完成自己的设想，这就是我的仿真功能。我不仅能仿真，还可以编程。我的程序照样可以控制真实的机器人，这就是我的离线编程功能。其实我会的不止这些哦！如果想了解我的更多功能，那就跟我一起来探索吧！”

【知识图谱】

随着科技的发展，人类文明正迈向智能时代。智能制造作为其中重要的一环，越来越受到国家的重视与扶持。近几年，《中国制造2025》的全面启动实施加快了传统制造业转型升级的步伐，工业机器人作为智能制造的重要实施基础，其行业应用的需求呈现爆发式增长。

工业机器人是一种可编程的操作机，其编程的方法通常可分为在线示教编程和离线编程2种。在线示教编程就是操作人员亲临生产现场，通过操作工业机器人示教器，依靠人眼观测，手动调整机器人的位置和姿态的同时，在示教器中添加各种程序指令，从而编写机器人的运动控制程序。目前，在线示教编程的方式仍然占据着主流地位，但是由于其本身操作的局限性，在实际的生产应用中主要存在以下问题。

① 在线示教编程过程烦琐，编程人员在记录关键点位置时需要反复点动机器人，工作量较大，编程周期长，效率低。

② 精度完全由示教者目测决定，对复杂的路径进行示教时，在线示教编程难以取得令人满意的效果。

例如，工业机器人的弧焊、切割、涂胶等作业属于连续轨迹的运动控制。工业机器人在运行的过程中，展现出的行云流水般的运动轨迹和复杂多变的姿态控制是在线示教编程难以实现的。另外，工业机器人要完成特殊图形轨迹的刻画，需要记录成百上千个关键点，这对于在线示教编程来说无疑工作量巨大。因此，传统的在线示教编程越来越难以满足现代加工工艺的复杂要求，其应用范围逐步被压缩至机器人轨迹相对简单的应用，如搬运、码垛、点焊作业等。

1.离线编程与仿真技术的认知

工业机器人离线编程的出现有效地弥补了在线示教编程的不足，并且随着计算机技术的发展，离线编程技术也愈发成熟，成为了未来机器人编程方式的主流趋势。工业机器人的离线编程软件通过结合三维仿真技术，利用计算机图形学的成果对工作单元进行三维建模；在仿真环境中建立与现实工作环境对应的场景，采用规划算法对图形进行控制和操作；在不使用真实工业机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。在离线程序生成的整个周期中，人们通过利用离线编程软件的模拟仿真技术，在软件提供的仿真环境中运行程序，并将程序的运行结果可视化。离线编程与仿真技术为工业机器人的应用建立了以下的优势。

① 减少机器人的停机时间，当对下一个任务进行编程时，机器人仍可在生产线上进行工作。

② 通过仿真功能预知要产生的问题，从而将问题消灭在萌芽阶段，保证了人员和财产的安全。

③ 适用范围广，可对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程。

④ 可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程。

⑤ 便于及时修改和优化机器人程序。

机器人离线编程的诸多优势已经引起了人们极大的兴趣，并成为当今机器人学中一个十分活跃的研究方向。应用离线编程技术是提高工业机器人作业水平的必然趋势。

目前市场中，离线编程与仿真软件的品牌有很多，但是其基本流程大致相同，如图1-1所示。首先，应在离线编程软件的三维界面中，用模型搭建一个与真实环境相对应的仿真场景；然后，软件通过对模型信息的计算来进行轨迹、工艺规划设计，并转化成仿真程序，让机器人进行实时的模拟仿真；最后，通过程序的后续处理和优化过程，向外输出机器人的运动控制程序。

微课

工业机器人离线编程技术

图1-1 工业机器人离线编程与仿真的基本流程

2.主流的离线编程软件

（1）RobotMaster

RobotMaster源自加拿大，几乎支持市场上绝大多数机器人品牌（KUKA、ABB、FANUC、MOTOMAN、史陶比尔、珂玛、三菱、DENSO、松下等），是目前国外顶尖的离线编程软件。RobotMaster界面如图1-2所示。

图1-2 RobotMaster界面

功能：RobotMaster在MasterCAM中无缝集成了机器人编程、仿真和代码生成功能，提高了机器人的编程速度。

优点：RobotMaster可以依靠产品数学模型生成程序，适用于切割、铣削、焊接、喷涂作业等；独特的优化功能使得运动学规划和碰撞检测十分精确；支持外部轴（直线导轨系统、旋转变位系统）和复合外部轴组合系统。

缺点：RobotMaster暂时不支持多台机器人同时模拟仿真。

（2）RobotWorks

RobotWorks是源自于以色列的机器人离线编程与仿真软件。RobotWorks是基于SolidWorks二次开发的，其界面如图1-3所示。

功能：RobotWorks拥有全面的数据接口、强大的编程能力与工业机器人数据库、较强的仿真模拟能力和开放的自定义工艺库。

优点：RobotWorks拥有多种生成轨迹的方式，支持多种机器人和外部轴应用。

缺点：由于SolidWorks本身不带CAM功能，所以RobotWorks的编程过程比较烦琐，机器人运动学规划策略的智能化程度低。

（3）ROBCAD

ROBCAD是西门子旗下的软件，其体积庞大，价格也是同类软件中比较高的。该软件的重点在生产线仿真，且支持离线点焊、多台机器人仿真、非机器人运动机构仿真及精确的节拍仿真，主要应用于产品生命周期中的概念设计和结构设计2个前期阶段。ROBCAD界面如图1-4所示。

图1-3 RobotWorks界面

图1-4 ROBCAD界面

ROBCAD的主要特点：可与主流的CAD软件（如NX、CATIA、IDEAS）进行无缝集成，达到工具、工装、机器人和操作者的三维可视化，从而实现制造单元、测试以及编程的仿真。

（4）DELMIA

DELMIA是法国达索公司旗下的CAM软件，它包含面向制造过程设计的DPE、面向物流过程分析的QUEST、面向装配过程分析的DPM、面向人机分析的HUMAN、面向机器人仿真的ROBOTICS、面向虚拟数控加工仿真的VNC 6大模块。其中，ROBOTICS解决方案涵盖汽车领域的发动机、总装和白车身（Body-in-White），航空领域的机身装配、维修、维护，以及一般制造业的制造工艺。DELMIA界面如图1-5所示。

图1-5 DELMIA界面

DELMIA中的ROBOTICS模块利用其强大的PPR集成中枢可快速地进行机器人工作单元的建立、仿真与验证，提供了一个完整的、可伸缩的、柔性的解决方案。

优点：用户能够轻松地从含400种以上的机器人资源目录中下载机器人和其他的工具资源；利用工厂的布置来规划工程师所要完成的工作，加入工作单元中工艺所需的资源，进一步细化布局。

缺点：DELMIA属于专家型软件，操作难度太高，适合于机器人学领域的研究生及以上人员使用，不适宜初学者学习。

（5）RobotStudio

RobotStudio是ABB工业机器人的配套软件，也是机器人制造商配套软件中做得较好的一款。RobotStudio支持机器人的整个生命周期，使用图形化编程、编辑和调试机器人系统来创建机器人的运行程序，并模拟优化现有的机器人程序。RobotStudio界面如图1-6所示。

RobotStudio优点如下。

① 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。

图1-6 RobotStudio界面

② Auto Path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的机器人位置（轨迹）信息。

③ 程序编辑器可生成机器人程序，使用户能够在Windows环境中离线开发或维护机器人程序，可显著缩短编程时间、改进程序结构。

④ 可以对TCP的速度、加速度、奇异点或轴线等进行优化，缩短编程周期时间。

⑤ 用户通过Autoreach可自动进行可达性分析，能任意移动机器人或工件，直到所有位置均可到达，然后在数分钟之内便可完成工作单元的平面布置验证和优化。

⑥ 虚拟示教台可作为一种非常出色的教学和培训工具。

⑦ 事件表是一种用于验证程序结构与逻辑的理想工具，将I/O连接到仿真事件，可实现工位内机器人及所有设备的仿真。

⑧ 碰撞检测功能可自动监测并显示程序执行时这些对象是否会发生碰撞，避免设备碰撞造成的严重损失。

⑨ 可采用VBA改进和扩充RobotStudio功能，并根据用户的具体需要开发功能强大的外接插件、宏或定制用户界面。

⑩ 整个机器人程序无需任何转换便可直接上传到实际机器人系统中。

缺点：对其他品牌的机器人兼容性差，只适用于ABB品牌的工业机器人。

任务一 ROBOGUIDE的认知

【任务描述】

小白：“小罗同学，快出来！”

小罗：“我在呢！有何吩咐？”

小白：“你都有哪些功能啊？我听说你包含几大仿真模块，每个都是非常厉害的，具体都是什么？”

小罗：“那当然了，我的本领可多着呢。”

【知识学习】

ROBOGUIDE是与FANUC工业机器人配套的一款软件，其界面如图1-7所示。该软件支持机器人系统布局设计和动作模拟仿真，可进行机器人干涉性、可达性的分析和系统的节拍估算，还能够自动生成机器人的离线程序，优化机器人的程序以及进行机器人故障的诊断等。

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ROBOGUIDE认知

图1-7 ROBOGUIDE界面

1.ROBOGUIDE仿真模块简介

ROBOGUIDE是一款核心应用软件，其常用的仿真模块有ChamferingPRO、HandlingPRO、WeldPRO、PalletPRO和PaintPRO等。其中，ChamferingPRO模块用于去毛刺、倒角等工件加工的仿真应用；HandlingPRO模块用于机床上下料、冲压、装配、注塑机等物料的搬运仿真；WeldPRO模块用于焊接、激光切割等工艺的仿真；PalletPRO模块用于各种码垛的仿真；PaintPRO模块用于喷涂的仿真。不同的模块决定了其实现的功能不同，相应加载的应用软件工具包也会不同，如图1-8所示。

除了常用的模块之外，ROBOGUIDE中其他功能模块可使用户方便快捷地创建并优化机器人程序，如图1-9所示。例如，4D Edit模块可以将3D机器人模型导入到真实的TP中，再将3D模型和1D内部信息结合形成4D图像显示；MotionPRO模块可以对TP程序进行优化，包括对节拍和路径的优化（节拍优化要求在电机可接受的负荷范围内进行，路径优化需要设定一个允许偏离的距离，从而使机器人的运动路径在设定的偏离范围内接近示教点）;iRPickPRO模块可以通过简单设置创建Workcell自动生成布局，并以3D视图的形式显示单台或多台机器人抓放工件的过程，自动生成高速视觉拾取程序，进而进行高速视觉跟踪仿真。

图1-8 ROBOGUIDE的仿真模块与应用软件工具包

图1-9 ROBOGUIDE的其他功能模块

另外，ROBOGUIDE还提供了一些功能插件来拓展软件的功能，如图1-10所示。例如，当在ROBOGUIDE中安装Line Tracking（直线跟踪）插件后，机器人可以自动补偿工件随导轨流动而产生的位移，将绝对运动的工件当作相对静止的物体，以便对时刻运动的流水线上的工件进行相应的操作；安装Coordinated Motion（协调运动）插件后，机器人本体轴与外部附加轴做协调运动，从而使机器人处于合适的焊接姿态来提高焊接质量；安装Spray Simulation（喷涂模拟）插件后，可以根据实际情况建立喷枪模型，然后在ROBOGUIDE中模拟喷涂效果，查看膜厚的分布情况；安装能源消耗评估插件后，可以在给定的节拍内优化程序，使能源消耗降到最低，也可在给定的能源消耗内优化程序，使节拍最短；安装寿命评估插件后，可以在给定的节拍内优化程序，使减速机寿命最长，也可在给定的寿命内优化程序，使节拍最短。

2.离线编程与仿真的实施

在ROBOGUIDE中进行工业机器人的离线编程与仿真，主要可分为以下几个步骤。

（1）创建工程文件

根据真实机器人创建相应的仿真机器人工程文件。创建过程中需要选择从事作业的仿真模块、控制柜及控制系统版本、软件工具包、机器人型号等。工程文件会以三维模型的形式显示在软件的视图窗口中，在初始状态下只提供三维空间内的机器人模型和机器人的控制系统。

图1-10 ROBOGUIDE拓展功能

（2）构建虚拟工作环境

根据现场设备的真实布局，在工程文件的三维世界中，通过绘制或导入模型来搭建虚拟的工作场景，从而模拟真实的工作环境。例如，要模拟焊接的工作场景，就需要搭建焊接机器人、焊接设备及其他焊接辅助设备组成的三维模型环境。

（3）模型的仿真设置

由三维绘图软件绘制的模型除了在形状上有所不同外，其他并无本质上的差别。而ROBOGUIDE建立的工程文件要求这些模型充当不同的角色，如工件、机械设备等。编程人员要对相应的模型进行设置，赋予它们不同的属性以达到仿真的目的。当机器人工程文件能够仿真某些任务时，也可称为机器人仿真工作站。

（4）控制系统的设置

仿真工作站的场景搭建完成以后，需要按照真实的机器人配置对虚拟机器人控制系统进行设置。控制系统的设置包括工具坐标系的设置、用户坐标系的设置、系统变量的设置等，以赋予仿真工作站与真实工作站同等的编程和运行条件。

（5）编写离线程序

在ROBOGUIDE的工程文件中利用虚拟示教器（Teach Pendant,TP）或者轨迹自动规划功能的方法创建并编写机器人程序，实现真实机器人所要求的功能，如焊接、搬运、码垛等。

（6）仿真运行程序

相对于真实机器人运行程序，在软件中进行程序的仿真运行实际上是让编程人员提前预知了运行结果。可视化的运行结果使得程序的预期性和可行性更为直观，如程序是否满足任务要求，机器人是否会发生轴的限位、是否发生碰撞等。针对仿真结果中出现的情况进行分析，可及时纠正程序错误并进一步优化程序。

（7）程序的导出和上传

由于ROBOGUIDE中机器人控制系统与真实机器人控制器的高度统一，所以离线程序只需小范围的转化和修改，甚至无须修改便可直接导出到存储设备并上传到真实的机器人中运行。

【思考与练习】

1.HandlingPRO模块主要从事的仿真应用是什么？

2.Coordinated Motion插件可以实现什么功能？