基于KUKA机器人仿真的自动切割技术

张玉修

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110179）

0 引言

吸塑零件广泛应用在汽车、医疗器械和家电等行业，以往成型后都是手工进行划线切割，存在位置不准确、效率低的问题，目前有一种新型技术，可以实现机器人自动切割[1]，主要有下几个步骤：（1）PLC和变频器等原件进行通讯和控制；（2）KUKA机器人和电动主轴作为执行装置；（3）使用计算机仿真软件进行离线编程生成运动轨迹[2]。

1 用PLC梯形图语言（LAD）编辑控制流程

梯形图流程包括：（1）机器人启动；（2）机器人程序运行结束；（3）电机主轴启动；（4）换刀程序；（5）主轴运行停止；（6）刀具反馈；（7）工件型号选择；（8）机器人延迟上电、启动；（9）机器人程序调用。

2 KUKA机器人与西门子PLC的Profibus通信

要实现KUKA机器人与西门子PLC的Profibus通信，需要分别建立KUKA机器人和西门子PLC Profibus通信配置。KUKA机器人对应电脑安装WorkVisual软件进行配置，西门子1200 PLC对应的是博图TIA Portal[3]。

2.1 KUKA机器人Profibus通信配置

KUKA机器人通过BECKHOFF EL6731-0010从站模块、总线耦合器EK1100与PLC进行通信时，要求事先从网站下载EL6731-0010的配置文件。使用网线一端接到KUKA机器人控制柜的KLI接口，另一端接到电脑的网口。KLI默认IP地址172.31.1.147，子网掩码255.255.0.0。电脑应设为同一网段，IP地址172.31.1.X，X是147以外的值，子网掩码255.255.0.0。

（1）添加EL31095F.GSE、EL31095F.GSG文件。在Work Visual软件中选择“file”，选择“Import/Export”，选择“导入设备说明文件”，选择 “GSD.EL6731”的配置文件，添加EL31095F.GSE、EL31095F.GSG文件。

（2）添加总线耦合器EK1100。“KUKA Extension Bus(SYS-44)”扩展总线选择“ADD”，选择“EK1100 EtherCAT Coupler(2A E-Bus)”，选择“确定”，添加总线耦合器EK1100。

（3）添加从站模块通信总线。在总线耦合器“EK1100 EtherCAT Coupler(2A E-Bus)”上添加从站模块通信总线“EL6731-0010 PROFIBUS DP Slave”。右击“EK1100 EtherCAT Coupler(2A E-Bus)”，选择“ADD”，选择“EL6731-0010 PROFIBUS DP Slave”。

（4）从站模块通信总线上添加从站模块。“EL6731-0010 PROFIBUS DP Slave”右键选择“ADD”。选择从站模块“PI EL6731-0010”。

（5）给从站模块EL6731-0010配置输入输出信号。双击“ PI EL6731-0010”，选择“Module configuration”。选择“16 Byte Slave-In/Master-Out”，给从站模块EL6731-0010配置16个字节的输入信号。然后添加到Slot［2］中。选择“16 Byte Slave-Out/Master-In”，配置16个字节的输出信号。然后添加到Slot［3］中。

（6）修改KUKA 机器人Profibus地址。选择“Gateway setings”，选择“Profibus address”将值修改为3。KUKA机器人Profibus地址的值为3。

（7）关联输入输出地址。选择“现场总线”下的“ PI EL6731-0010”。“数字输入信号”，给从站模块EL6731-0010关联输入信号“$IN［］”。本例中，给从站模块EL6731-0010的16个字节输入信号配置$IN［100］～$IN［227］，一共128个输入信号。

（8）将输入信号八个一组，组成一个字节。选择$IN［100］～$IN［107］右击，选择“group”，选择“BYTE”，“$IN［100］～$IN［107］”组成一个信号组“$IN［100］G”。与右边“ PI EL6731-0010”字节信号相对应。一共需要建立16组字节信号“$IN［100］G～$IN［220］G”，与从站模块“16 Byte Slave-In/Master-Out”16个字节输入信号对应。

（9）数字输入信号与现场总线信号关联。“$IN［100］G～$IN［220］G”与“02:0001 input BYTE～02:00016 input BYTE”相对应。这样给从站模块“PI EL6731-0010”分配了$IN［100］～$IN［227］一共128个输入信号。

（10）配置输出信号，一共建立16组字节信号。“$OUT［100］G～$OUT［220］G”与“03:0001Output BYTE～03:00016 Output BYTE”相对应。这样给从站模块“PI EL6731-0010”分配了$OUT［100］～$OUT［227］一共128个输出信号。

（11）对配置进行编译，传输到机器人中

生成代码安装，将WorkVisual软件所做的配置传输到KUKA控制柜。

2.2 西门子PLC的Profibus配置

（1）安装GSD文件。博途软件需要配置第三方设备进行Profibus通信时（例如和KUKA机器人通信），需要安装第三方设备的GSD文件，本例中需要安装从站模块BECKHOFF EL6731-0010的GSD文件。从站模块“EL6731-0010”安装到博途软件中[4]。

（2）添加PLC。在“添加新设备”中选择“控制器”，本例选择SIMATIC S7-1200中的CPU1212C，选择订货号6ES7 212-1AE40-0XB0，版本V4.0，注意订货号和版本号要与实际的PLC一致。

（3）添加KUKA工业机器人通信的从站模块EL6731-0010。在网络视图中选择其它现场设备→PROFIBUS DP→PLC→BECKHOFF→EL6731-0010，将图标“EL6731-0010”拖入“网络视图”中。“属性”设置“PROFIBUS地址”设为“3”，注意与Work Visual设置的地址相同。

（4）建立PLC与KUKA机器人Profibus通信。将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机器人之间的Profibus通信连接。

（5）设置与 KUKA工业机器人通信的PLC输入信号。选择“设备视图”，选择“目录”下的“16 BYTE Slave-Out/Master-In”，I地址为“0…15”，即分配了16个字节信号IB0～IB15，包含128个输入信号I0.0～I15.7。与KUKA机器人输出信号$OUT［100］～$OUT［227］一一对应，信号数量相同，例如I0.0和$OUT［100］等效的。

（6）设置与KUKA工业机器人通信的PLC输出信号。选择设备视图目录下的“16 BYTE Slave-In/Master-Out”，Q地址为“0…15”，即分配了16个字节信号QB0～QB15，包含128个输出信号Q0.0～Q15.7。与KUKA机器人输入信号$IN［100］～$IN［227］一一对应，信号数量相同，例如Q0.0和$IN［100］等效的。

3 用仿真软件进行离线编程生成运动轨迹

本文主要讲述仿真的离线编程程序部分的编写，离线编程是实现自动化切割准确度的关键所在，正确的程序坐标点才能使机器人按照规划的路径运行如下图所示[5]，具体步骤包括：

图1 机器人运行轨迹图

3.1 末端工具建立坐标

在电机主轴模型与机器人第六轴法兰装配面上建立base坐标，在钻头末端建立tool坐标，建完后导入device task definition中，通过set命令装配到机器人末端法兰。

3.2 创建零件轮廓坐标点

在零件外形轮廓线创建工件坐标点，并按机器人轨迹和方向调整合适的角度。点坐标要与机器人建的坐标方向保持一致。

3.3 机器人轨迹示教

按工件坐标示教机器人轨迹，一般选择运动方式motion为line的运行方式。添加GLOBAL函数确保机器人在非tool0坐标的情况下运行[6]。

3.4 生成离线编程文件

两个文件分别是.SCR和.DAT格式。以下是.SCR格式文件的基本内容：

3.5 在库卡cell文件中添加程序调用机器人程序

以case3为例,调用机器人程序的内容为：

其中test（）是离线编程生成的文件名。

4 结语

通过PLC编程和变频器等原件进行通讯和控制，机器人和电动主轴作为执行装置与西门子PLC的Profibus通信设置，最后利用计算机仿真软件进行离线编程，将程序文件输入机器人控制柜运行，就生成了机器人运动轨迹，实现了针对吸塑零件的切割自动化。