目前機(jī)器人行業(yè)發(fā)展迅猛，機(jī)器人軟件涉及三維離線編程CAM軟件和生產(chǎn)系統(tǒng)仿真CAE軟件，離線編程和生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)上到底有何區(qū)別？這一點(diǎn)恐怕很多資深從業(yè)者也未必能搞清楚。昌暉儀表聊聊機(jī)器人應(yīng)用中離線編程CAM軟件和生產(chǎn)系統(tǒng)仿真CAE軟件有何區(qū)別。
按照CIMDATA的定義，兩個軟件都屬于CAX(計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品創(chuàng)新的工具類軟件總稱)的范疇。CAX包含CAD\CAM\CAE等，CAD(Computer Aided Design，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))是CAX的基礎(chǔ)和平臺，離線編程屬于CAM(Computer Aided Manufacturing，即計(jì)算機(jī)輔助制造)，而生產(chǎn)系統(tǒng)仿真屬于CAE(Computer Aided Engineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程)。
|CAD軟件通常用來做三維造型和機(jī)械設(shè)計(jì)，如機(jī)器人本體模型和生產(chǎn)系統(tǒng)上的三維模型都是工程師用CAD軟件造型的。美國的Solidworks軟件(被法國達(dá)索收購)屬于中端CAD軟件，在機(jī)械參數(shù)化設(shè)計(jì)上很有特色，易學(xué)易用，所以在機(jī)器人行業(yè)目前是一枝獨(dú)秀，基本壟斷了中國的機(jī)器人本體和集成商三維設(shè)計(jì)市場。
機(jī)器人做加工需要進(jìn)行軌跡規(guī)劃。一般來講，比較簡單的軌跡規(guī)劃利用機(jī)器人本體自帶的示教器即可完成，而對于復(fù)雜的三維軌跡，靠手工是無法完成的，這時就需要CAM離線編程軟件的介入。CAM軟件要調(diào)用零件的三維CAD模型進(jìn)行軌跡規(guī)劃，然后用仿真模組對產(chǎn)生的軌跡點(diǎn)進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，判斷是否有碰撞、關(guān)節(jié)柔順等合理性問題；有問題的通過軟件工具進(jìn)行調(diào)整，再次驗(yàn)證完成后通過指定品牌的機(jī)器人后置處理器，把軌跡點(diǎn)和工藝點(diǎn)同時輸出給指定的機(jī)器人進(jìn)行加工。針對不同的加工方式，如銑削/打磨/拋光/切割/平板焊接/相貫線焊接/3D打印等，其工藝和軌跡產(chǎn)生方式完全不同，因此CAM軟件按行業(yè)分得很細(xì)。這就是為什么市場上的CAM軟件多如牛毛，沒有哪一個軟件能通吃的原因。在國外，很多CAM軟件公司就幾個人到十幾個人，找準(zhǔn)一個細(xì)分領(lǐng)域和一個好的CAD/CAM平臺，做一款針對細(xì)分行業(yè)的CAM軟件，然后慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，從而形成技術(shù)壁壘。
機(jī)器人離線編程這塊用到的技術(shù)主要是圖形學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制等，總體技術(shù)難度其實(shí)不大。國內(nèi)做類似產(chǎn)品的企業(yè)，昌暉儀表查詢了一下有十幾家，但為什么在企業(yè)應(yīng)用市場還是國外軟件占主流，國產(chǎn)軟件始終無法突破呢？主要的問題是工業(yè)應(yīng)用對軟件要求穩(wěn)定性高且易學(xué)易用，需要適用各種復(fù)雜環(huán)境。如同CNC控制系統(tǒng)市場一樣，技術(shù)門檻已經(jīng)不高，國產(chǎn)也很多，但市場仍舊還是FANUC、西門子的天下。
針對這種情況，國內(nèi)比如中科川思特軟件科技有限公司從2009年做CAM的自主研發(fā)時就避開主流工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場，針對更細(xì)分的5軸激光切割市場來開發(fā)相應(yīng)的離線編程軟件Peps Pentacut。10年慢慢積累下來，該軟件目前基本壟斷了國內(nèi)5軸激光切割加工市場并出口韓國、日本和臺灣等地。在此基礎(chǔ)上，2014年中科川思特軟件科技有限公司開始研發(fā)針對工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的HedraCAM離線編程軟件，還是圍繞切割、板材焊接、相貫線焊接、激光融覆和增材制造等激光和鈑金領(lǐng)域。目前該軟件已經(jīng)在企業(yè)開始推廣，而且客戶反饋良好。
除了HedraCAM外，其它幾個主流的機(jī)器人三維離線編程軟件還有：
1、Robotmaster
加拿大的Robotmaster早期是基于老牌的主要用于三維銑削的離線編程軟件Mastercam二次開發(fā)，所以Robotmaster在機(jī)器人銑削上一直很強(qiáng)大。Mastercam平臺的局限性非常明顯，所以前兩年該公司放棄了該平臺改用達(dá)索的Catia CAD平臺，想在其它加工領(lǐng)域也有所突破，但付出的代價巨大。新的版本價格提升，穩(wěn)定性下降，客戶評價不高，目前在國外推廣阻力很大。
2、SprutCAM
這款軟件前兩年才引進(jìn)中國，代理商推廣的勢頭比較猛，采用低價策略，現(xiàn)在已經(jīng)部署了一些客戶。從整體評測來看，該軟件在算法上有些特色，但在整體架構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性、工藝應(yīng)用和技術(shù)先進(jìn)性上差強(qiáng)人意。究其原因，與俄羅斯現(xiàn)在的工業(yè)比較落后，沒有太多的機(jī)器人測試環(huán)境場景有關(guān)。
3、RobotDK
RobotDK是來自加拿大的非商業(yè)軟件，算法和工藝都沒有經(jīng)歷大量驗(yàn)證，企業(yè)應(yīng)用比較少，主要是做教育市場。
4、RobotArt
RobotArt這款軟件是基于北航CAXA平臺開發(fā)的，早期模仿以色列的robotworks(基于Solidworks平臺開發(fā)，公司已經(jīng)倒閉)。跟RobotDK一樣，這款軟件一直在教育市場推廣，始終無法突破企業(yè)市場。
5. DELCAM
DELCAM在銑削基礎(chǔ)上增加了機(jī)器人模塊，已經(jīng)被AUTODESK收購，和德國的FASTCURVE(基于Delmia二次開發(fā))等軟件，因價格比較昂貴，在國內(nèi)沒有大規(guī)模推廣。
從用戶角度看，目前使用三維離線編程軟件的大多是工業(yè)機(jī)器人一線操作技工，來自中職、高職等培養(yǎng)一線技術(shù)人才的學(xué)校。用戶端的要求就是盡量提高編程速度和增加機(jī)器人的有效工時來提高整體效率，對軟件的要求就是算法準(zhǔn)確、運(yùn)動軌跡的效率高，同時盡量傻瓜化，以易用為原則。未來離線編程CAM將逐步轉(zhuǎn)變成基于智能感知的任務(wù)自動編程，即機(jī)器人通過三維視覺技術(shù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對3D CAD模型產(chǎn)生的軌跡進(jìn)行自動調(diào)整和優(yōu)化。
在離線編程過程中，需要仿真模塊來驗(yàn)證其合理性，這種仿真環(huán)境一般就是建立一個跟實(shí)際一樣的虛擬機(jī)器人單元，對單元里面的機(jī)器人加工軌跡進(jìn)行分析。國內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)仿真HedraSMF就是從HedraCAM離線編程研發(fā)過程中的仿真模塊發(fā)展而來。
早期工業(yè)機(jī)器人多數(shù)都是獨(dú)立單元應(yīng)用，所以仿真主要是對離線編程的軌跡進(jìn)行合理性分析，隨著PLC等自動化技術(shù)的發(fā)展，大量工廠把機(jī)器人單元聯(lián)合在一起，用物流系統(tǒng)進(jìn)行連接，相應(yīng)對軟件的需求也有所改變。在自動化生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃過程中，通常用3D CAD軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，然后把模型轉(zhuǎn)到CAE規(guī)劃分析軟件中，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)系統(tǒng)上的機(jī)器人和機(jī)床、傳送帶、人員等進(jìn)行位置、節(jié)拍、機(jī)器人可達(dá)性、碰撞和信號控制等方面的合理性分析，進(jìn)一步利用產(chǎn)生的節(jié)拍數(shù)據(jù)分析產(chǎn)能并形成規(guī)劃方案供工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)人員參考。
機(jī)器人用CAE仿真軟件主要有幾個應(yīng)用領(lǐng)域，一個是機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析；二是生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃仿真分析，基本屬于離散制造，HedraSMF屬于這個子領(lǐng)域；三是動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的分析，如地形場景這些，應(yīng)用在服務(wù)機(jī)器人、智能交通等方面。
除了HedraSMF外，其它6個主流的機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件還有：
1、Delmia/Quest
Delmia/Quest是法國達(dá)索提供的軟件，Delmia/Quest交互式面向?qū)ο蠼－h(huán)境，提供了智能化的物流處理系統(tǒng)模板，直接模仿實(shí)際系統(tǒng)的行為，預(yù)置了實(shí)際系統(tǒng)的控制邏輯，內(nèi)置 SCL仿真控制語言，可通過Quest Express 與MES、ERP等生產(chǎn)管理系統(tǒng)連接，3D動畫顯示，并以直方圖、餅狀圖等方式顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。Delmia/Quest主要應(yīng)用于制造、物流領(lǐng)域。
2、Plant Simulation
Plant Simulation是德國Siemens提供的軟件，Plant Simulation交互式建模仿真界面，模型層次化的結(jié)構(gòu)，具有面向?qū)ο蟮睦^承性，豐富的分布函數(shù)，多種形式的接口。Plant Simulation主要應(yīng)用于項(xiàng)目規(guī)劃、物流仿真，優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過程領(lǐng)域。
3、Flexsim
Flexsim是美國FlexSim推出的軟件，F(xiàn)lexsim基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)建模，快捷簡便，仿真速度快，突出的3D圖形顯示,擴(kuò)展性好，開放的接口。Flexsim主要應(yīng)用于制造、物流領(lǐng)域。
4、ShowFlow
ShowFlow是英國Simaron Pardaz推出的軟件，ShowFlow
提供建模、仿真、動畫和統(tǒng)計(jì)分析工具。確定瓶頸位置，估測提前期和報(bào)告資源利用率，還可以被用來支持投資決定，校驗(yàn)制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，通過對不同的制造策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)來找出最優(yōu)解。ShowFlow主要應(yīng)用于制造、物流領(lǐng)域
5、Stream
Stream是日本三井造船推出的軟件，Stream不僅可以當(dāng)作物流生產(chǎn)線的仿真器使用，而且在單一機(jī)械設(shè)備的仿真方面也可以用來變通使用，機(jī)器人仿真器很齊備;其開發(fā)基礎(chǔ)是Sil-Tools ，在擴(kuò)展性和技術(shù)支持方面令人擔(dān)憂。Stream主要應(yīng)用于生產(chǎn)線、物流、機(jī)器人領(lǐng)域。
6、VisualComponents
VisualComponents是芬蘭Visual Components推出的軟件，VisualComponents軟件集三大功能于一個平臺：離散物流仿真模擬，機(jī)器人離線編程，PLC 虛擬調(diào)試。可實(shí)時采集仿真數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)圖表。VisualComponents主要應(yīng)用于離散事件模擬仿真、虛擬調(diào)試、人機(jī)協(xié)作仿真。
使用生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃仿真軟件的大多是CAD機(jī)械設(shè)計(jì)類工程師背景，在大學(xué)里面有工業(yè)工程、自動化這些專業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)，就業(yè)方向大多是機(jī)器人本體企業(yè)和集成商的方案設(shè)計(jì)規(guī)劃、大型制造企業(yè)的設(shè)計(jì)部門。對軟件的要求通常是提供大量組件數(shù)據(jù)庫以便能快速搭建出生產(chǎn)系統(tǒng)，對各種機(jī)器人的運(yùn)動控制算法要比較精確，能有各種傳感器與PLC的模擬器，可以進(jìn)行場景渲染，輸出準(zhǔn)確的節(jié)拍數(shù)據(jù)和仿真場景動畫。未來生產(chǎn)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)會集成數(shù)字孿生和實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動等技術(shù)，數(shù)字孿生即實(shí)際世界有什么物理特征，虛擬世界就有同樣特征，虛擬和實(shí)際系統(tǒng)實(shí)時通訊，實(shí)際系統(tǒng)的任何變化也會引起虛擬系統(tǒng)動態(tài)改變。
總之，在機(jī)器人應(yīng)用中，三維離線編程CAM軟件與生產(chǎn)系統(tǒng)仿真CAE軟件在技術(shù)層面是你中有我、我中有你，在應(yīng)用層面和側(cè)重點(diǎn)上則有很大不同。
最后談一下機(jī)器人本體廠商捆綁的軟件，如ABB的RobotStudio、安川的motosim、KUKA的simpro、發(fā)那科的robguide。這些軟件大多是第三方軟件公司為機(jī)器人本體廠商貼牌開發(fā)，如simpro就來自芬蘭的Visual Components。嚴(yán)格來講這些軟件都不屬于三維離線編程軟件，而屬于生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件的簡化版，提供一些簡單的離線編程和生產(chǎn)系統(tǒng)仿真功能，主要供下游的集成商做方案用于支持銷售。最終客戶如果需要針對復(fù)雜的三維零件做離線編程或者車間的生產(chǎn)仿真規(guī)劃分析，昌暉儀表建議還是購買專業(yè)軟件為宜。
