基于KUKA機器人仿真的自動切割技術

張玉修

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

0 引言

吸塑零件廣泛應用在汽車、醫療器械和家電等行業，以往成型后都是手工進行劃線切割，存在位置不準確、效率低的問題，目前有一種新型技術，可以實現機器人自動切割[1]，主要有下幾個步驟：（1）PLC和變頻器等原件進行通訊和控制；（2）KUKA機器人和電動主軸作為執行裝置；（3）使用計算機仿真軟件進行離線編程生成運動軌跡[2]。

1 用PLC梯形圖語言（LAD）編輯控制流程

梯形圖流程包括：（1）機器人啟動；（2）機器人程序運行結束；（3）電機主軸啟動；（4）換刀程序；（5）主軸運行停止；（6）刀具反饋；（7）工件型號選擇；（8）機器人延遲上電、啟動；（9）機器人程序調用。

2 KUKA機器人與西門子PLC的Profibus通信

要實現KUKA機器人與西門子PLC的Profibus通信，需要分別建立KUKA機器人和西門子PLC Profibus通信配置。KUKA機器人對應電腦安裝WorkVisual軟件進行配置，西門子1200 PLC對應的是博圖TIA Portal[3]。

2.1 KUKA機器人Profibus通信配置

KUKA機器人通過BECKHOFF EL6731-0010從站模塊、總線耦合器EK1100與PLC進行通信時，要求事先從網站下載EL6731-0010的配置文件。使用網線一端接到KUKA機器人控制柜的KLI接口，另一端接到電腦的網口。KLI默認IP地址172.31.1.147，子網掩碼255.255.0.0。電腦應設為同一網段，IP地址172.31.1.X，X是147以外的值，子網掩碼255.255.0.0。

（1）添加EL31095F.GSE、EL31095F.GSG文件。在Work Visual軟件中選擇“file”，選擇“Import/Export”，選擇“導入設備說明文件”，選擇 “GSD.EL6731”的配置文件，添加EL31095F.GSE、EL31095F.GSG文件。

（2）添加總線耦合器EK1100。“KUKA Extension Bus(SYS-44)”擴展總線選擇“ADD”，選擇“EK1100 EtherCAT Coupler(2A E-Bus)”，選擇“確定”，添加總線耦合器EK1100。

（3）添加從站模塊通信總線。在總線耦合器“EK1100 EtherCAT Coupler(2A E-Bus)”上添加從站模塊通信總線“EL6731-0010 PROFIBUS DP Slave”。右擊“EK1100 EtherCAT Coupler(2A E-Bus)”，選擇“ADD”，選擇“EL6731-0010 PROFIBUS DP Slave”。

（4）從站模塊通信總線上添加從站模塊。“EL6731-0010 PROFIBUS DP Slave”右鍵選擇“ADD”。選擇從站模塊“PI EL6731-0010”。

（5）給從站模塊EL6731-0010配置輸入輸出信號。雙擊“ PI EL6731-0010”，選擇“Module configuration”。選擇“16 Byte Slave-In/Master-Out”，給從站模塊EL6731-0010配置16個字節的輸入信號。然后添加到Slot［2］中。選擇“16 Byte Slave-Out/Master-In”，配置16個字節的輸出信號。然后添加到Slot［3］中。

（6）修改KUKA 機器人Profibus地址。選擇“Gateway setings”，選擇“Profibus address”將值修改為3。KUKA機器人Profibus地址的值為3。

（7）關聯輸入輸出地址。選擇“現場總線”下的“ PI EL6731-0010”。“數字輸入信號”，給從站模塊EL6731-0010關聯輸入信號“$IN［］”。本例中，給從站模塊EL6731-0010的16個字節輸入信號配置$IN［100］～$IN［227］，一共128個輸入信號。

（8）將輸入信號八個一組，組成一個字節。選擇$IN［100］～$IN［107］右擊，選擇“group”，選擇“BYTE”，“$IN［100］～$IN［107］”組成一個信號組“$IN［100］G”。與右邊“ PI EL6731-0010”字節信號相對應。一共需要建立16組字節信號“$IN［100］G～$IN［220］G”，與從站模塊“16 Byte Slave-In/Master-Out”16個字節輸入信號對應。

（9）數字輸入信號與現場總線信號關聯。“$IN［100］G～$IN［220］G”與“02:0001 input BYTE～02:00016 input BYTE”相對應。這樣給從站模塊“PI EL6731-0010”分配了$IN［100］～$IN［227］一共128個輸入信號。

（10）配置輸出信號，一共建立16組字節信號。“$OUT［100］G～$OUT［220］G”與“03:0001Output BYTE～03:00016 Output BYTE”相對應。這樣給從站模塊“PI EL6731-0010”分配了$OUT［100］～$OUT［227］一共128個輸出信號。

（11）對配置進行編譯，傳輸到機器人中

生成代碼安裝，將WorkVisual軟件所做的配置傳輸到KUKA控制柜。

2.2 西門子PLC的Profibus配置

（1）安裝GSD文件。博途軟件需要配置第三方設備進行Profibus通信時（例如和KUKA機器人通信），需要安裝第三方設備的GSD文件，本例中需要安裝從站模塊BECKHOFF EL6731-0010的GSD文件。從站模塊“EL6731-0010”安裝到博途軟件中[4]。

（2）添加PLC。在“添加新設備”中選擇“控制器”，本例選擇SIMATIC S7-1200中的CPU1212C，選擇訂貨號6ES7 212-1AE40-0XB0，版本V4.0，注意訂貨號和版本號要與實際的PLC一致。

（3）添加KUKA工業機器人通信的從站模塊EL6731-0010。在網絡視圖中選擇其它現場設備→PROFIBUS DP→PLC→BECKHOFF→EL6731-0010，將圖標“EL6731-0010”拖入“網絡視圖”中。“屬性”設置“PROFIBUS地址”設為“3”，注意與Work Visual設置的地址相同。

（4）建立PLC與KUKA機器人Profibus通信。將PLC的粉色Profibus DP通信口拖至“EL6731-0010” 粉色Profibus DP通信口上，即建立起PLC和KUKA機器人之間的Profibus通信連接。

（5）設置與 KUKA工業機器人通信的PLC輸入信號。選擇“設備視圖”，選擇“目錄”下的“16 BYTE Slave-Out/Master-In”，I地址為“0…15”，即分配了16個字節信號IB0～IB15，包含128個輸入信號I0.0～I15.7。與KUKA機器人輸出信號$OUT［100］～$OUT［227］一一對應，信號數量相同，例如I0.0和$OUT［100］等效的。

（6）設置與KUKA工業機器人通信的PLC輸出信號。選擇設備視圖目錄下的“16 BYTE Slave-In/Master-Out”，Q地址為“0…15”，即分配了16個字節信號QB0～QB15，包含128個輸出信號Q0.0～Q15.7。與KUKA機器人輸入信號$IN［100］～$IN［227］一一對應，信號數量相同，例如Q0.0和$IN［100］等效的。

3 用仿真軟件進行離線編程生成運動軌跡

本文主要講述仿真的離線編程程序部分的編寫，離線編程是實現自動化切割準確度的關鍵所在，正確的程序坐標點才能使機器人按照規劃的路徑運行如下圖所示[5]，具體步驟包括：

圖1 機器人運行軌跡圖

3.1 末端工具建立坐標

在電機主軸模型與機器人第六軸法蘭裝配面上建立base坐標，在鉆頭末端建立tool坐標，建完后導入device task definition中，通過set命令裝配到機器人末端法蘭。

3.2 創建零件輪廓坐標點

在零件外形輪廓線創建工件坐標點，并按機器人軌跡和方向調整合適的角度。點坐標要與機器人建的坐標方向保持一致。

3.3 機器人軌跡示教

按工件坐標示教機器人軌跡，一般選擇運動方式motion為line的運行方式。添加GLOBAL函數確保機器人在非tool0坐標的情況下運行[6]。

3.4 生成離線編程文件

兩個文件分別是.SCR和.DAT格式。以下是.SCR格式文件的基本內容：

3.5 在庫卡cell文件中添加程序調用機器人程序

以case3為例,調用機器人程序的內容為：

其中test（）是離線編程生成的文件名。

4 結語

通過PLC編程和變頻器等原件進行通訊和控制，機器人和電動主軸作為執行裝置與西門子PLC的Profibus通信設置，最后利用計算機仿真軟件進行離線編程，將程序文件輸入機器人控制柜運行，就生成了機器人運動軌跡，實現了針對吸塑零件的切割自動化。