观点

机器人离线编程软件CAM和生产系统仿真软件CAE的区别

目前机器人行业发展迅猛,机器人软件涉及三维离线编程CAM软件和生产系统仿真CAE软件,离线编程和生产系统仿真技术上到底有何区别?这一点恐怕很多资深从业者也未必能搞清楚。昌晖仪表聊聊机器人应用中离线编程CAM软件和生产系统仿真CAE软件有何区别。
工业机器人
按照CIMDATA的定义,两个软件都属于CAX(计算机辅助产品创新的工具类软件总称)的范畴。CAX包含CAD\CAM\CAE等,CAD(Computer Aided Design,即计算机辅助设计)是CAX的基础和平台,离线编程属于CAM(Computer Aided Manufacturing,即计算机辅助制造),而生产系统仿真属于CAE(Computer Aided Engineering,即计算机辅助工程)。

|CAD软件通常用来做三维造型和机械设计,如机器人本体模型和生产系统上的三维模型都是工程师用CAD软件造型的。美国的Solidworks软件(被法国达索收购)属于中端CAD软件,在机械参数化设计上很有特色,易学易用,所以在机器人行业目前是一枝独秀,基本垄断了中国的机器人本体和集成商三维设计市场。

机器人做加工需要进行轨迹规划。一般来讲,比较简单的轨迹规划利用机器人本体自带的示教器即可完成,而对于复杂的三维轨迹,靠手工是无法完成的,这时就需要CAM离线编程软件的介入。CAM软件要调用零件的三维CAD模型进行轨迹规划,然后用仿真模组对产生的轨迹点进行虚拟验证,判断是否有碰撞、关节柔顺等合理性问题;有问题的通过软件工具进行调整,再次验证完成后通过指定品牌的机器人后置处理器,把轨迹点和工艺点同时输出给指定的机器人进行加工。针对不同的加工方式,如铣削/打磨/抛光/切割/平板焊接/相贯线焊接/3D打印等,其工艺和轨迹产生方式完全不同,因此CAM软件按行业分得很细。这就是为什么市场上的CAM软件多如牛毛,没有哪一个软件能通吃的原因。在国外,很多CAM软件公司就几个人到十几个人,找准一个细分领域和一个好的CAD/CAM平台,做一款针对细分行业的CAM软件,然后慢慢积累经验,从而形成技术壁垒。

机器人离线编程这块用到的技术主要是图形学、机器人运动学、路径规划和运动控制等,总体技术难度其实不大。国内做类似产品的企业,昌晖仪表查询了一下有十几家,但为什么在企业应用市场还是国外软件占主流,国产软件始终无法突破呢?主要的问题是工业应用对软件要求稳定性高且易学易用,需要适用各种复杂环境。如同CNC控制系统市场一样,技术门槛已经不高,国产也很多,但市场仍旧还是FANUC、西门子的天下。

针对这种情况,国内比如中科川思特软件科技有限公司从2009年做CAM的自主研发时就避开主流工业机器人应用市场,针对更细分的5轴激光切割市场来开发相应的离线编程软件Peps Pentacut。10年慢慢积累下来,该软件目前基本垄断了国内5轴激光切割加工市场并出口韩国、日本和台湾等地。在此基础上,2014年中科川思特软件科技有限公司开始研发针对工业机器人应用的HedraCAM离线编程软件,还是围绕切割、板材焊接、相贯线焊接、激光融覆和增材制造等激光和钣金领域。目前该软件已经在企业开始推广,而且客户反馈良好。

除了HedraCAM外,其它几个主流的机器人三维离线编程软件还有:
1、Robotmaster
加拿大的Robotmaster早期是基于老牌的主要用于三维铣削的离线编程软件Mastercam二次开发,所以Robotmaster在机器人铣削上一直很强大。Mastercam平台的局限性非常明显,所以前两年该公司放弃了该平台改用达索的Catia CAD平台,想在其它加工领域也有所突破,但付出的代价巨大。新的版本价格提升,稳定性下降,客户评价不高,目前在国外推广阻力很大。
2、SprutCAM
这款软件前两年才引进中国,代理商推广的势头比较猛,采用低价策略,现在已经部署了一些客户。从整体评测来看,该软件在算法上有些特色,但在整体架构设计、稳定性、工艺应用和技术先进性上差强人意。究其原因,与俄罗斯现在的工业比较落后,没有太多的机器人测试环境场景有关。
3、RobotDK
RobotDK是来自加拿大的非商业软件,算法和工艺都没有经历大量验证,企业应用比较少,主要是做教育市场。
4、RobotArt
RobotArt这款软件是基于北航CAXA平台开发的,早期模仿以色列的robotworks(基于Solidworks平台开发,公司已经倒闭)。跟RobotDK一样,这款软件一直在教育市场推广,始终无法突破企业市场。
5. DELCAM 
DELCAM在铣削基础上增加了机器人模块,已经被AUTODESK收购,和德国的FASTCURVE(基于Delmia二次开发)等软件,因价格比较昂贵,在国内没有大规模推广。

从用户角度看,目前使用三维离线编程软件的大多是工业机器人一线操作技工,来自中职、高职等培养一线技术人才的学校。用户端的要求就是尽量提高编程速度和增加机器人的有效工时来提高整体效率,对软件的要求就是算法准确、运动轨迹的效率高,同时尽量傻瓜化,以易用为原则。未来离线编程CAM将逐步转变成基于智能感知的任务自动编程,即机器人通过三维视觉技术采集现场数据,对3D CAD模型产生的轨迹进行自动调整和优化。

在离线编程过程中,需要仿真模块来验证其合理性,这种仿真环境一般就是建立一个跟实际一样的虚拟机器人单元,对单元里面的机器人加工轨迹进行分析。国内机器人生产系统仿真HedraSMF就是从HedraCAM离线编程研发过程中的仿真模块发展而来。

早期工业机器人多数都是独立单元应用,所以仿真主要是对离线编程的轨迹进行合理性分析,随着PLC等自动化技术的发展,大量工厂把机器人单元联合在一起,用物流系统进行连接,相应对软件的需求也有所改变。在自动化生产系统规划过程中,通常用3D CAD软件进行三维设计,然后把模型转到CAE规划分析软件中,在虚拟环境中对生产系统上的机器人和机床、传送带、人员等进行位置、节拍、机器人可达性、碰撞和信号控制等方面的合理性分析,进一步利用产生的节拍数据分析产能并形成规划方案供工厂规划设计人员参考。

机器人用CAE仿真软件主要有几个应用领域,一个是机械设计环节对机械结构的动力学分析;二是生产系统的规划仿真分析,基本属于离散制造,HedraSMF属于这个子领域;三是动态复杂系统的分析,如地形场景这些,应用在服务机器人、智能交通等方面。

除了HedraSMF外,其它6个主流的机器人生产系统仿真软件还有:
1、Delmia/Quest
Delmia/Quest是法国达索提供的软件,Delmia/Quest交互式面向对象建模环境,提供了智能化的物流处理系统模板,直接模仿实际系统的行为,预置了实际系统的控制逻辑,内置 SCL仿真控制语言,可通过Quest Express 与MES、ERP等生产管理系统连接,3D动画显示,并以直方图、饼状图等方式显示统计结果。Delmia/Quest主要应用于制造、物流领域。
2、Plant Simulation
Plant Simulation是德国Siemens提供的软件,Plant Simulation交互式建模仿真界面,模型层次化的结构,具有面向对象的继承性,丰富的分布函数,多种形式的接口。Plant Simulation主要应用于项目规划、物流仿真,优化生产系统和工艺过程领域。
3、Flexsim
Flexsim是美国FlexSim推出的软件,Flexsim基于面向对象技术建模,快捷简便,仿真速度快,突出的3D图形显示,扩展性好,开放的接口。Flexsim主要应用于制造、物流领域。
4、ShowFlow
ShowFlow是英国Simaron Pardaz推出的软件,ShowFlow
提供建模、仿真、动画和统计分析工具。确定瓶颈位置,估测提前期和报告资源利用率,还可以被用来支持投资决定,校验制造系统设计的合理性,通过对不同的制造策略进行仿真实验来找出最优解。ShowFlow主要应用于制造、物流领域
5、Stream
Stream是日本三井造船推出的软件,Stream不仅可以当作物流生产线的仿真器使用,而且在单一机械设备的仿真方面也可以用来变通使用,机器人仿真器很齐备;其开发基础是Sil-Tools ,在扩展性和技术支持方面令人担忧。Stream主要应用于生产线、物流、机器人领域。
6、VisualComponents
VisualComponents是芬兰Visual Components推出的软件,VisualComponents软件集三大功能于一个平台:离散物流仿真模拟,机器人离线编程,PLC 虚拟调试。可实时采集仿真数据生成数据图表。VisualComponents主要应用于离散事件模拟仿真、虚拟调试、人机协作仿真。

使用生产系统规划仿真软件的大多是CAD机械设计类工程师背景,在大学里面有工业工程、自动化这些专业进行培养,就业方向大多是机器人本体企业和集成商的方案设计规划、大型制造企业的设计部门。对软件的要求通常是提供大量组件数据库以便能快速搭建出生产系统,对各种机器人的运动控制算法要比较精确,能有各种传感器与PLC的模拟器,可以进行场景渲染,输出准确的节拍数据和仿真场景动画。未来生产系统仿真系统会集成数字孪生和实时数据驱动等技术,数字孪生即实际世界有什么物理特征,虚拟世界就有同样特征,虚拟和实际系统实时通讯,实际系统的任何变化也会引起虚拟系统动态改变。

总之,在机器人应用中,三维离线编程CAM软件与生产系统仿真CAE软件在技术层面是你中有我、我中有你,在应用层面和侧重点上则有很大不同。 

最后谈一下机器人本体厂商捆绑的软件,如ABB的RobotStudio、安川的motosim、KUKA的simpro、发那科的robguide。这些软件大多是第三方软件公司为机器人本体厂商贴牌开发,如simpro就来自芬兰的Visual Components。严格来讲这些软件都不属于三维离线编程软件,而属于生产系统仿真软件的简化版,提供一些简单的离线编程和生产系统仿真功能,主要供下游的集成商做方案用于支持销售。最终客户如果需要针对复杂的三维零件做离线编程或者车间的生产仿真规划分析,昌晖仪表建议还是购买专业软件为宜。
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