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通讯专栏
离线编程软件在工业机器人应用中的发展趋势
文/华航唯实机器人科技股份有限公司宋智广
导读：年9月25日，北京华航唯实机器人科技股份有限公司研发总监宋智广出席国家机器人发展论坛并作题为“离线编程在工业机器人应用中的发展趋势”的报告。随着我国制造业不断发展，工业机器人的智能化发展这离不开现代工业机器人技术的快速发展，工业机器人的智能化发展是大势所趋，编程方式及技术革新是重中之重。宋总通过离线编程技术介绍、当前工业机器人应用几大挑战、离线编程技术的应用等三个方面结合本公司落地应用产品进行了详细的阐述。
报告人简介：
宋智广，北京华航唯实机器人科技股份有限公司研发总监。毕业于北京航空航天大学CAD/CAM教研室，多年来一直从事CAD/CAM算法研究和软件开发，发表了多篇论文和发明专利。参与/主导开发多个工业软件开发工作。
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华航唯实基本情况介绍
北京华航唯实机器人科技股份有限公司（以下简称“华航唯实”）是一家以工业机器人离线编程软件及系统集成技术为核心，致力于面向智能制造领域提供技术服务和人才培养服务的高新技术企业。公司主要产品为工业软件和智能制造系统集成产品。
工业软件方面，以工业机器人离线编程技术的研发和应用为主要突破口，自主设计、研发了工业机器人离线编程软件PQArt，并较早在国内实现了商业化应用。智能制造系统集成产品方面，公司以职业教育为主要切入点，提供系统集成装备及技术服务、课程资源开发、培训和就业服务等，打造了涵盖“软件、设备、培训、课程、就业”一体化的人才培养服务。
华航唯实是中国机电装备维修与改造技术协会人工智能分会理事长单位、《工业机器人离线编程规范》团体标准起草单位之一。华航唯实凭借多年的经验积累，已逐步在行业内建立了良好的品牌声誉公司，入选工信部建议支持的国家级专精特新“小巨人”企业、北京市首批产教融合型企业建设培育试点名单、北京市企业技术中心、北京市知识产权示范单位；荣获年全国职业院校技能大赛“突出贡献奖”、国家机器人发展论坛技术突破示范单位、国家机器人发展论坛职业教育杰出贡献示范单位、中国自动化学会企业创新奖等多项殊荣。
拥有核心优势，服务产业升级，自主研发核心技术，填补技术空白。华航唯实掌握多项核心技术，拥有数十项发明专利与著作权。自主研发的工业机器人离线编程软件PQArt系列产品，较早在国内实现了广泛的商业化应用。获得了国内工业市场的高度认可，已成为中汽工程、成飞、沈飞等知名大型制造企业优质应用软件。致力高效解决方案，服务产业转型升级，积极拓展数字孪生、人工智能、工业互联网、虚拟调试、数字化工厂等新技术、新工艺，契合当前机器人集成应用发展方向，是富士康、格力电器、康佳、TCL和蓝思科技等知名工业客户的优质制造过程技术提供商。
拥有核心优势，赋能中国制造，完全自主可控，全面赋能中国制造。华航唯实自主研发的工业机器人离线编程软件PQArt，具备轨迹的生成与编辑、可达空间的测算、外部工具集编程、碰撞检测、轨迹优化处理、外部轴联动等功能。华航唯实经过多年的技术沉淀与创新突破，能够覆盖机器人集成应用完整的生命周期，兼容国际、国内主流工业机器人本体品牌，可以以多样方式进行合作，有助于培育用户习惯，从而形成一定的壁垒，帮助其在工业机器人离线编程相关领域的市场竞争中占领先机（如图1所示），解决工业软件重点领域“卡脖子”问题。
技术来源于产业，服务于教育。华航唯实是教育部工业机器人领域职业教育合作项目实施支持单位、国家职业教育工业机器人技术专业教学资源库项目核心合作企业、全国职业院校技能大赛支持单位、世界技能大赛移动机器人赛项中国队技术支持单位。华航唯实从自身对于智能制造行业的深刻理解出发，结合职业教育的现状、智能制造业教育的行业特点，通过充分整合产业技术及应用资源并有效转化为教学资源，为各职业教育院校提供智能制造专业群建设解决方案，使人才培养方案始终贴近产业实际并得以不断升级。华航唯实产品族-智能制造行业全生命周期服务。如图2所示，华航唯实的全生命周期服务阶段分为：接单、规划、设计、调试、交付和运维。
图1工具软件
图2生命周期服务阶段
图3涂胶案例
图4熔覆工艺
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工业机器人离线编程软件（PQArt）
华航唯实的工业机器人离线编程软件PQArt是一款工业机器人离线编程软件，其价值是仿真与编程，编程是其核心价值点。编程具备精准、效率、安全、优化、沉淀等优点，其可替示教编程，减少机器人的停机时间，编程效率高、利用三维图纸特征曲线生成的轨迹精准，使编程者远离危险的工作环境安全，离线软件可通过算法快速优化生产轨迹，生成工艺沉淀在软件工艺包中。工业机器人离线编程软件PQArt编程的特点：具备一站式解决方案；可支持所有品牌机器人；直接通过几何拓扑模型生成工业机器人轨迹；支持自由绘制工业机器人轨迹路径；包含丰富的应用附加工具工艺包；独家误差容错算法，提高工业机器人应用精度；全中文操作环境，专业的技术支持团队。
应用场景例如涂胶（如图3所示）和熔覆工艺（如图4所示）项目，涂胶项目难点是示教难以确定方向、量小种类多；熔覆工艺使用参数化修改熔覆轨迹，如图5所示；水龙头抛光场景如图6所示，水龙头抛光项目难点：工件曲面复杂，示教编程难以精确定位表面信息，水龙头抛光工件曲面如图7所示。工业机器人离线编程软件PQArt通过强大的自研几何引擎、根据模型计算轨迹及选用机器人抓取工件模式克服难点。
图5参数化修改轨迹
图6水龙头抛光场景
图7水龙头抛光工件曲面
图8高铁车厢结构
图9软件示例
高铁车厢喷涂项目，高铁车厢结构如图8所示，其难点是2*（3+6）轴机构，容易碰撞、主从复合控制，编程复杂。工业机器人离线编程软件PQArt通过强大的外部轴协同算法和自定义后置能力，支持任意代码格式处理，如图9所示。
高端笔记本外壳打磨项目，工业机器人离线编程软件PQArt参数化轨迹编辑如图11所示，其难点是打磨工艺要求高、示教的轨迹需要反复迭代、每次迭代几乎都要重新编程，高端笔记本外壳打磨场景如图10所示，工业机器人离线编程软件PQArt通过独有的参数化轨迹编辑方式处理、大大提高轨迹迭代速度。
图10高端笔记本外壳打磨场景
图11Robotar参数化轨迹编辑
国产某大飞机起落架3D激光熔覆项目，飞机起落架工件如图12所示，其难点是工况复杂，需要机器人但是机器人示教点特别多，很多点需要添加相应的工艺处理代码、工作量极大。工业机器人离线编程软件PQArt通过丰富的轨迹编辑和工艺命令、可以快速的生成大量代码进行处理，轨迹编辑示例如图13所示。
图12飞机起落架工件
图13RobotArt轨迹编辑示例
图14海底隧道钢构件模型图
图15输出外部轴关节角示例
海底隧道钢构件喷涂，海底隧道钢构件模型图如图14所示。存在的客户挑战：非标机构多，控制器和PLC混合控制，逻辑复杂。取得以下技术突破：利用外部轴智能关联技术，统一调配机构协同工作；利用自定义机构的结构化后置处理技术，智能生成控制代码，同时修改快捷方便，兼容所有的控制器语言。其关键技术是自定义输出外部轴关节角，其功能位置如图15所示，功能面板“//”，后置内增加了“外部轴关节角”，通过该节点可以将设计环境下导轨、变位机的旋转的关节角度值后置出来。
国外某品牌手表外壳打磨，打磨场景如图16所示。客户应用存在的挑战是手表零件尺寸小，模型复杂，工艺要求高，现场机器人品牌繁杂，难以统一编程。取得的技术突破：工业机器人离线编程软件PQArt独有的参数化轨迹生成方式，基于历史特征的轨迹编辑方式，客户打磨轨迹可以快速迭代优化；使用了轨迹批量阵列复制的关键技术，丰富的机器人和工具库，极大的缩短了选型和兼容编程的难度。手表外壳轨迹模型如图17所示，选中轨迹后的右键菜单内，将对应的轨迹复制到对侧，从而节省了重复的编程工作。
图16手表外壳打磨场景
图17手表外壳轨迹模型
乐器抛光（如图18所示），客户存在的挑战是小品种多批次，示教编程工作量大。取得的技术突破是工业机器人离线编程软件PQArt轨迹模板功能，能够将大量的操作保存为模板，大大提高形似工件编程的效率。乐器轨迹模型如图19所示，选中特征后的右键菜单内，将对应的轨迹特征保存为一个模板文件后在生成轨迹的时候使用。
图18乐器抛光场景
图19乐器轨迹模型
图20中厚板焊接
中厚板焊接，如图20所示，客户存在的挑战是工件误差大，焊缝多，结构复杂，船焊工艺要求难度大。获得技术突破是工业机器人离线编程软件PQArt焊接工艺模板，大大提高焊接程序编程的效率。
工业机器人离线编程软件PQArt软件经过多年的发展和积累，已经在航空、航天、汽车、家电卫浴等行业得到了成功应用，尤其在三维切割、打磨、喷涂、去毛刺、制孔、焊接等领域，已经成为机器人集成系统不可或缺的重要组成部分，软件应用图21所示。工业机器人离线编程软件PQArt软件希望以先进的技术和专业的服务，为客户创造更大价值。
图21工业机器人离线编程软件PQArt软件的应用
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智能产线设计与虚拟调试软（PQFacotry）
智能产线设计与虚拟调试软件PQFactory，即不需要任何硬件实物进行设备调试的产线设计与调试软件，软件如图22所示。
图22智能产线设计与虚拟调试软件PQFactory
图23错误与成本的关系
图24虚拟调试工作流程
传统的方式不足以应对新的挑战，因此需要虚拟调式。传统方式存在客户还在生产时，需要等客户下班后才能调试；供应商交期长，一个小改动要等很长时间；只有一个机器人，用于编程后，PLC的无法使用、购买的设备参数不对，供应商拒绝退货、差旅费用太高；机械与电气反复出差另外发现错误越晚，错误带来的成本就越成几何倍数增长等问题，如图23所示。更早的发现错误可以节省大量排错成本，虚拟调试可以做到更早的发现错误，其工作流程如图24所示。
智能产线设计与虚拟调试软件PQFactory不需要任何硬件设备的支持就可以实现导入模型、设计产线、定义机器与调试，例如实现机器人与产线联调，和PLC等设备通信。不需要实际生产线，在设计阶段设计好实际生产环节所需的机器人轨迹，可与PLC、传感器和变位机等设备进行通信，即可对产线中机器人相关流程进行调试验证，调试过程如图25所示。
智能产线设计与虚拟调试软件PQFactory有7个特点：与真实的PLC相连；支持西门子、三菱、台达、欧姆龙和基恩士等多品牌PLC；原生语言编程，带来真实但快捷的机器人编程环境；支持ABB,KUKA,新时达等国内外多品牌机器人；强大的自定义功能，可以自定义运动机构和传感器；强大的仿真功能，工艺效果与运行参数一目了然；全中文操作环境，专业的技术支持团队。智能产线设计与虚拟调试软件PQFactory存在以下优势：根植于本地供应商的PQCloud；拥有海量资源库；PLC品牌众多。
图25调试验证过程
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行业趋势
（一）统一的机器人语言
与g代码统一编程语言不同，工业机器人的编程语言群雄并立，没有一家的语言是相同的，但是各种语言大同小异。工业机器人离线编程软件PQArt目前支持种控制器，如图26所示，大部分为脚本式语言，还有部分机器人采用结构化数据和二进制指令的编程方式。为了适配不同的机器人控制器，离线编程软件需要耗费大量的开发资源。不仅仅是离线编程，工业机器人应用的各个方面都因为编程语言的不同而付出巨大的成本，而这种情况正是机器人本体厂商希望看到的：巨大的迁移成本会带来较高的用户忠诚度。
从整个行业来说，统一机器人语言带来的行业好处：降低学习门槛、降低迁移成本及降低研发成本。
（二）安全问题日益突出
重视安全问题。勒索病毒直指工业控制系统，其已经成为头号安全威胁，年工业信息安全态势报告如图27所示。目前工业机器人存在的安全威胁有网络病毒、U盘病毒、误操作等。为了预防安全威胁，安全建议为加强USB口管理、在没有做好准备的情况下，不要联网。
图26统一的机器人编程语言规范
图27《年工业信息安全态势报告》
（三）模块化
工具软件存在需求碎片化、软件模块化的发展趋势。各行业对于机器人编程软件需求略有不同，为了应对碎片化的需求，华航唯实基于自己10年的工业软件开发经验，推出PQComponent软件组件产品，让客户可以在华航唯实现有组件上开发属于自己的工业软件。华航唯实自己的工业软件就是基于PQComponent组件开发的。例如PQ3D，分为三维渲染模块、几何计算模块、碰撞检测模块和几何建模模块等；PQRobot分为机构逆运动学模块、轨迹模块、运动特征模块、仿真模块、事件管理模块、外部轴模块和效果模块等。
*本文根据作者在国家机器人发展论坛上所作报告速记整理而成
END
内容来源《中国自动化学会通讯》2月第2期编辑
王馨爽责任编辑
叩颖
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