Środowiska do programowania robotów przemysłowych w trybie offline/online

Trudno dziś wyobrazić sobie świat bez komputerów, telefonów komórkowych i Internetu. Wszechobecne w naszym życiu technologie wywierają na nas coraz większy wpływ, a ich lawinowy rozwój wymusza zmianę postrzegania przez nas rzeczywistości.
W ostatnim czasie we wszystkich dziedzinach naszego życia można zauważyć ekspansję i rozwój oprogramowania umożliwiającego komunikowanie się człowieka z maszyną. Dotyczy on nie tylko aplikacji dedykowanych użytkownikom urządzeń, dla których tworzy się wygodne interfejsy, ale również przeznaczonych dla inżynierów, którzy dzięki nowoczesnym środowiskom programistycznym mogą wydajniej realizować swoje zadania i prace projektowe czy implementacyjne. Niewątpliwie środowiska do programowania robotów przemysłowych i symulowania pracy zrobotyzowanych stanowisk produkcyjnych można zaliczyć właśnie do tego typu narzędzi.
Środowiska wirtualne – odpowiedź na potrzeby rozwijającego się rynku
Konkurencja – chyba najczęściej powtarzane słowo w świecie szybko rozwijającej się gospodarki – jest kołem zamachowym poszukiwania nowych rozwiązań i większej wydajności. Również (a może zwłaszcza) w przypadku robotyki wymusza ona ciągły postęp, który łatwo można zauważyć zarówno w zakresie ewolucji sprzętowej, jak i oprogramowania.
Projektowanie nowych fabryk, zmiana parametrów produkcji czy automatyzowanie tradycyjnych procesów technologicznych było przede wszystkim bardzo długotrwałe i wiązało się z nakładem znacznych sił i środków. Uruchomienie linii produkcyjnej w nowej konfiguracji zajmowało dużo czasu, co z kolei wpływało na przestoje w produkcji i ogromne straty finansowe. Poszukiwano więc rozwiązań, które nie tylko rozwiązałyby problem przeprogramowywania dużej liczby kontrolerów robotów (np. z powodu zmiany produkowanego asortymentu), ale również pozwoliłyby na wirtualne projektowanie nowych linii produkcyjnych, a nawet całych fabryk. Obecnie niemal wszyscy producenci robotów (m.in.: ABB, Fanuc, Mitsubishi, Kawasaki, KUKA, Comau – tabela) oferują środowiska wirtualne, w których istnieje możliwość nie tylko programowania robotów, ale również przeprowadzania pełnych symulacji 3D, z uwzględnieniem cyklów pracy rzeczywistych kontrolerów. W dobie rosnącej konkurencji jest to bez wątpienia atutem przy podejmowaniu decyzji o zakupie nowych stanowisk przez odbiorców końcowych.
Śmiało można więc powiedzieć, że środowiska do programowana w trybie offline znajdują dzisiaj powszechne zastosowanie w pracach projektowych. Głównym mankamentem, z punktu widzenia firm integratorskich oraz placówek kształcenia, jest możliwość wykorzystania większości środowisk do programowania robotów tylko jednego producenta, co, biorąc pod uwagę ich wysoką cenę, może stanowić istotną barierę przy zakupie. W związku z różnorodnością zamówień nie opłaca się również kupować jednego wybranego środowiska konkretnego producenta, ponieważ może się zdarzyć, że zakup zwróci się dopiero po długim czasie. Wydawać by się mogło, że rozwiązaniem są środowiska uniwersalne, takie jak RobCAD, Delmia, Robot 3D czy Proces Simulate, jednak ich cena jest tak wysoka, że stać na nie tylko duże firmy, np. z rynku motoryzacyjnego. Jednym z głównych założeń twórców tego typu środowisk jest umożliwienie pracy zespołowej, gdzie wszyscy członkowie zespołu mają bieżący dostęp do zarządzanych dynamicznie wszystkich danych projektowych. W efekcie przyczynia się to do redukcji błędów inżynierskich popełnianych na etapie planowania i praktycznej realizacji. Przykładem może być tutaj środowisko Process Simulate (rys. 1), które dostarcza narzędzi optymalizacyjnych, diagnostycznych i specjalnych technologii, umożliwiających wirtualną akceptację na poziomie systemowym.
Dla placówek dydaktycznych pozyskanie środowisk wielu producentów jest często niemożliwe z powodu wysokich kosztów. Ponadto takie placówki poszukują rozwiązań, w których byłaby możliwość pracy wielostanowiskowej oraz licencji sieciowych, co jak do tej pory jest rzadkością.
Z uwagi na obszerność tematu artykuł zostanie poświęcony głównie środowiskom oferowanym przez producentów robotów.
Środowiska do programowania robotów przemysłowych
Wirtualne środowiska do programowania robotów przemysłowych są systemami umożliwiającymi programowanie robotów oraz przeprowadzanie symulacji ich pracy w trybie offline (bez użycia robota), z wykorzystaniem standardowego komputera PC. Często pozwalają one również na współpracę komputera z rzeczywistym robotem (w pełnym lub częściowym zakresie) w trybie online. Producenci środowisk podążają za rozwojem systemów operacyjnych (najczęściej Windows), oferując wersje 32- i 64-bitowe, co przy rosnących objętościach plików CAD wydaje się podejściem rozsądnym.
Ogólnie można powiedzieć, że środowiska tego typu mogą być wykorzystane m.in. do planowania trajektorii ruchu robota w komórce roboczej, analizy przestrzennej poszczególnych komponentów robota, kontroli przemieszczeń i orientacji chwytaków, tworzenia programów sterujących, optymalizacji rozmieszczenia gniazd roboczych na liniach montażowych fabryk, symulacji i monitorowania wejść/wyjść oraz współpracy robotów w poszczególnych gniazdach. Zaplanowane zadania mogą być symulowane z uwzględnieniem detekcji kolizji oraz pomiarów cyklów pracy. Ponadto środowiska programistyczno-symulacyjne umożliwiają wgranie utworzonego oprogramowania do rzeczywistych urządzeń. Dzięki rozbudowanym bibliotekom zawierającym m.in. wybrane typy robotów, pozycjonery, tory jezdne, mechanizmy, przenośniki i czujniki istnieje możliwość łatwego tworzenia rozbudowanych aplikacji. Omawiane platformy programowe pozwalają również na import modeli z systemów komputerowego wspomagania projektowania CAD w wybranych formatach, a nawet w niektórych przypadkach są z nimi w dużym stopniu zintegrowane (np.: Melfa-Works firmy Mitsubishi jest instalowane jako moduł programu SolidWorks).
Wykorzystanie środowisk do programowania robotów oraz symulacji ich pracy pozwala na:

  • szybkie przygotowanie oferty dla odbiorcy końcowego, włączając w to m.in.: organizację stanowiska produkcyjnego, wizualizację 3D, dobór robotów oraz przedstawienie ich zasięgów pracy, utworzenie filmów symulacji oraz zapisanie widoków stacji,
  • wstępne opracowanie aplikacji sterujących robotami i określenie cyklów pracy,
  • import komponentów z bibliotek lub systemów CAD w wybranych formatach, w celu wizualizacji i weryfikacji zajętości przestrzeni roboczej,
  • szybkie dostosowanie zaproponowanego rozwiązaniado potrzeb odbiorcy na etapie projektowania,
  • redukcję ryzyka dzięki wizualizacji i potwierdzeniu zastosowanych rozwiązań
  • konfigurację zintegrowanych systemów bezpieczeństwa (np. SafeMove firmy ABB, DCS firmy Fanuc),
  • wprowadzanie do systemu nowych komponentów bez przerywania produkcji,
  • optymalizację programów robotów w celu zwiększenia produktywności,
  • prowadzenie szkoleń dotyczących m.in. obsługi i programowania robotów, poznawania funkcjonalności programatorów i kontrolerów, zasad tworzenia zrobotyzowanych komór produkcyjnych, wykonywania testów uruchomieniowych oraz pomiarów kluczowych parametrów procesów technologicznych.

Wraz z wprowadzaniem kolejnych, bardziej rozbudowanych wersji narzędzi programistycznych rosną również wymagania systemowe. Każdy z producentów podaje takie wymagania, jednak należy przyjąć (biorąc pod uwagę rozwój współczesnych komputerów), że nie są one bardzo wygórowane i oscylują dzisiaj na poziomie:

  • system Windows 7 32/64 bitów,
  • CPU Dual-Core,
  • min. 4 GB RAM,
  • karta graficzna min. 1 GB RAM,
  • wymagane ok. 15 GB pamięci na dysku.

Oczywiście zależą one od rozmiarów i złożoności tworzonych aplikacji oraz rozmiarów importowanych komponentów. Rozmiary plików CAD złożonych maszyn mogą osiągać kilkaset MB, co sprawia, że po ich zaimportowaniu płynna praca będzie możliwa jedynie z większą ilością RAM, a więc również z użyciem systemu 64-bitowego.
Wybrani producenci robotów przemysłowych oraz ich środowiska do programowania robotów w trybie offline

Producent robotów Środowisko
ABB RobotStudio Pełna prezentacja
Fanuc Robotics RoboGuide Pełna prezentacja
Kawasaki Robotics K-Roset Pełna prezentacja
Kuka Roboter Kuka Sim Pro Pełna prezentacja
Mitsubishi Robotics Melfa-Works Pełna prezentacja
Epson Epson RC + 7.0 Pełna prezentacja
Comau RoboSim PRO Pełna prezentacja
Denso Robotics   WINCAPS III
Staubli Robotics Staubli Robotics Suite
Motoman Robotics-Yaskawa MotoSim EG-VRC
Reis Robotics ProSim
Panasonic-Matsushita Welding Systems DTPS 3D, G2 PC Tools 3D

Podsumowanie
Choć szacuje się dzisiaj, że jedynie ok. 3% zrobotyzowanych stanowisk produkcyjnych jest w pełni tworzone z użyciem środowisk do programowania robotów w trybie offline, to biorąc pod uwagę szybki rozwój komputerowych metod wspomagania projektowania, wytwarzania i eksploatacji, łatwo można przewidzieć, że w niedalekiej przyszłości udział ten będzie znacznie większy. Takiepodejście pozwoli nie tylko na znaczne skrócenie czasu uruchamiania produkcji, lecz także na analizę i wprowadzanie modyfikacji stanowisk już istniejących. Ponadto, dzięki możliwości cyfrowego archiwizowania opracowywanych stanowisk, możliwe będzie ich szybkie przeprogramowywanie. Zmieni to zasadniczo sposób funkcjonowania serwisu tego typu urządzeń.
Ze względu na wysoką cenę robotów, stosunkowo szybki ich rozwój i wprowadzanie kolejnych generacji na rynek oraz biorąc pod uwagę konieczność zapewnienia w procesie kształcenia odpowiednich warunków (m.in. bezpieczeństwa pomieszczeń), celowe wydaje się pozyskiwanie tego typu środowisk przez placówki dydaktyczne. Zaimplementowane w środowiskach mechanizmy stymulują edukację przyszłych inżynierów. Pozwalają nie tylko na zapoznanie się z metodami programowania robotów, lecz także rozwiązywania złożonych problemów inżynierskich. Uczą przede wszystkim zasad posługiwania się robotami i logicznego myślenia przy ich programowaniu, zwłaszcza w rozbudowanych aplikacjach.
Jak już wspominano, wybór środowiska jest zdeterminowany typem robota, jednak z uwagi na przybliżone koszty zakupu robotów poszczególnych firm można się spodziewać, że w przyszłości to oferta oprogramowania oraz jego znajomość będą głównymi wytycznymi dla inżynierów przy zakupie sprzętu do nowo wdrażanych aplikacji. Należy się spodziewać również rozwoju i coraz większego udziału w rynku wspomnianych środowisk systemowych (tj. RobCAD, Proces Simulate). Potwierdzenia tych tez można doszukać się w ewolucji metod programowania obrabiarek numerycznych, które są dzisiaj wyznacznikiem poziomu automatyzacji. Szacuje się, że obecnie ok. 70% zadań dla obrabiarek numerycznych jest przygotowywanych z użyciem specjalistycznego oprogramowania CAM.

Za pomoc w opracowaniu artykułu autorzy dziękują firmom: ABB, ASTOR, Comau Robotics, Fanuc Robotics, KUKA, Mitsubishi.
Autorzy: Wojciech Kaczmarek jest kierownikiem Zespołu Mechatroniki na Wydziale Mechatroniki i Lotnictwa Wojskowej Akademii Technicznej. Zajmuje się m.in. modelowaniem układów robotyki, programowaniem robotów przemysłowych oraz satelitarnymi systemami nawigacji.
Jarosław Panasiuk jest adiunktem w Katedrze Mechatroniki na Wydziale Mechatroniki i Lotnictwa Wojskowej Akademii Technicznej. Zajmuje się m.in. modelowaniem układów robotyki, programowaniem robotów przemysłowych, sieciami neuronowymi, analizą obrazu oraz modelowaniem matematycznym.