劉雙耀，程文鋒

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053）

“中國(guó)制造2025”提出后，制造業(yè)面臨著新轉(zhuǎn)型，工業(yè)機(jī)器人發(fā)揮著很大的作用[1]。工業(yè)機(jī)器人目前被廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、碼垛、裝配、打磨、焊接、鉚接、沖孔、切料等場(chǎng)景。其中焊接機(jī)器人的應(yīng)用最為廣泛，焊接機(jī)器人已經(jīng)逐漸被各類企業(yè)大量使用[2]。焊接機(jī)器人具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠大大提高工作效率。

工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)的意義不僅僅在于可以編輯機(jī)器人程序，更重要的是可以模擬很多應(yīng)用場(chǎng)景，也可以仿真產(chǎn)品的某些位置，查看是否影響機(jī)器人的動(dòng)作，有問題可及時(shí)與三維設(shè)計(jì)工程師溝通。這既提高了對(duì)工業(yè)機(jī)器人工作站進(jìn)行編程調(diào)試的效率，也能夠有效地解決在高校教學(xué)過(guò)程中硬件設(shè)備的局限性等問題[2]。

劉文光[1]在KUKA SimPro 中搭建虛擬工業(yè)機(jī)器人碼垛工作站，確定碼垛貨箱的垛型，完成編程調(diào)試，仿真運(yùn)行驗(yàn)證碼垛過(guò)程中KUKA工業(yè)機(jī)器人TCP軌跡的可行性和合理性。

王建菊[3]研究了ABB 機(jī)器人工具的搭建、碼垛程序的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在碼垛領(lǐng)域提供理論依據(jù)。該仿真減少了示教時(shí)間和復(fù)雜度，降低用戶工作量。

陸葉等[4]利用RobotStudio 軟件設(shè)計(jì)焊接工作站仿真系統(tǒng)的布局。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)焊接的仿真過(guò)程，設(shè)置機(jī)器人仿真運(yùn)行的I/O 信號(hào)，建立機(jī)器人的坐標(biāo)系，規(guī)劃工業(yè)機(jī)器人焊接的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行機(jī)器人離線編程及仿真調(diào)試。

李慧[5]在仿真軟件RoboDK 中搭建工業(yè)機(jī)器人碼垛工作站。通過(guò)Program 調(diào)用多個(gè)Python 程序協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作站的離線編程和仿真。

以上機(jī)器人的仿真研究中多機(jī)協(xié)同工作的信號(hào)交互主要通過(guò)機(jī)器人的仿真設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)，與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的多機(jī)器的信號(hào)交互設(shè)置之間有一定的差異。

本文在KUKA SimPro 環(huán)境中搭建虛擬工業(yè)機(jī)器人雙機(jī)弧焊焊接工作站，分別選用KUKA KR16 R1610機(jī)器人、KR10 R1420 機(jī)器人構(gòu)建了物料搬運(yùn)、弧焊焊接的多機(jī)協(xié)同仿真機(jī)器人工作站。結(jié)合西門子博圖（TIA）軟件在電腦上用虛擬PLC 軟件（S7-PLCSM Advanced2.0）模擬與虛擬仿真機(jī)器人之間的信號(hào)交互，連接機(jī)器人之間及機(jī)器人與其他設(shè)備之間的I/O信號(hào)，完成編程調(diào)試，仿真運(yùn)行驗(yàn)證多臺(tái)機(jī)器人搬運(yùn)與焊接協(xié)同工作過(guò)程中KUKA 工業(yè)機(jī)器人軌跡的可達(dá)性等。依據(jù)仿真模型直觀地檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行情況，指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)室筆筒產(chǎn)品的生產(chǎn)，滿足柔性生產(chǎn)線生產(chǎn)要求[6]。

1 機(jī)器人協(xié)同焊接虛擬仿真系統(tǒng)搭建

1.1 工作站布局

柔性生產(chǎn)線雙機(jī)協(xié)同弧焊焊接工作站如圖1所示，工作站主要由傳送帶、R5 搬運(yùn)機(jī)器人（型號(hào)為KR16 R1610）、2 臺(tái)弧焊機(jī)器人（型號(hào)為KR10 R1420）、變位機(jī)（型號(hào)DKP_400_V1）以及下料臺(tái)組成。KR16 R1610 型機(jī)器人末端配備手爪，用于搬運(yùn)筆筒零件。KR10 R1420 型機(jī)器人末端配備焊槍設(shè)備，用于組合零件的焊接。焊接零件通過(guò)輸送鏈到達(dá)末端，當(dāng)?shù)鬃慵竭_(dá)輸送鏈的末端時(shí)，傳輸帶信號(hào)BatchReadySignal信號(hào)反饋給搬運(yùn)機(jī)器人R5，機(jī)器人抓取筆筒零件，將筆筒底座和筆筒依次擺放在焊接變位臺(tái)上，機(jī)器人回到等待位置。這時(shí)候R4 弧焊機(jī)器人開始動(dòng)作，進(jìn)行弧焊焊接，R4 弧焊機(jī)器人焊接結(jié)束且回HOME 后發(fā)出信號(hào)，這時(shí)候R6 弧焊機(jī)器人開始動(dòng)作，R6 弧焊機(jī)器人焊接結(jié)束且回HOME 后發(fā)出信號(hào)，這時(shí)候R5 搬運(yùn)機(jī)器人松開夾爪將焊接好的筆筒放置在下料臺(tái)。

圖1 焊接工作站布局

3 臺(tái)機(jī)器人、傳輸帶以及焊接變位機(jī)和放料臺(tái)的布局可以減小設(shè)備的占地面積，滿足機(jī)器人的可達(dá)性，但是路徑的最優(yōu)和節(jié)拍還需要后續(xù)的優(yōu)化驗(yàn)證[7]。

焊接零件如圖2 所示，虛擬仿真時(shí)選取其中一種零件。

圖2 柔性生產(chǎn)線筆筒焊接零件

1.2 多機(jī)器人協(xié)同工作信號(hào)

多機(jī)器人協(xié)同工作信號(hào)表如表1 所示。

表1 多機(jī)器人協(xié)同工作信號(hào)表

表1 （續(xù)）

2 虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 建立PLC 與SimPro3.1 的OPC UA 通信

選擇PLCSIM Vitrual Eth.Adpter 仿真，以太網(wǎng)通訊方式，在Start Virtual S7-1500 PLC 中定義PLC 的名稱、IP 地址和網(wǎng)關(guān)，這里名稱為PLC1，IP地址：192.168.0.2，網(wǎng)關(guān)默認(rèn)為255.255.255.0。

由于S7-PLCSIM Advance2.0 只支持S7-1500 和ET-200S，所以在博圖硬件組態(tài)中只使用這2 種PLC。配置完成后點(diǎn)擊Start 啟動(dòng)仿真PLC。

基于V15 創(chuàng)建新項(xiàng)目，選擇S7-1500 類型的PLC。在保護(hù)屬性勾選“編譯時(shí)支持仿真”。在常規(guī)—PROFINET 接口—以太網(wǎng)地址—IP 協(xié)議一欄中填寫剛才在仿真PLC 中填寫的IP:192.168.0.2 以及網(wǎng)關(guān)：255.255.255.0。選擇PLC，在屬性選項(xiàng)下選擇OPC UA，激活OPC UA 服務(wù)器。虛擬PLC 配置如圖3 所示。

圖3 虛擬PLC 配置

2.2 KUKA SimPro 連通性設(shè)置

在KUKA SimPro 連通性設(shè)置選項(xiàng)中添加服務(wù)器，輸入服務(wù)器OPC 地址， 這里OPC 地址為：opc.tcp://192.168.0.2:4840；點(diǎn)擊“測(cè)試連接”，跳出連接成功窗口，點(diǎn)擊確認(rèn)；最后點(diǎn)擊應(yīng)用則建立通信連接完成。點(diǎn)擊“重新連接”激活。KUKA SimPro 聯(lián)通性設(shè)置如圖4 所示。

圖4 KUKA SimPro 聯(lián)通性設(shè)置

2.3 KUKA SimPro 創(chuàng)建變量對(duì)

以傳送帶與機(jī)器人的交互信號(hào)為例，選擇添加變量，并創(chuàng)建變量對(duì)，傳送帶到達(dá)的信號(hào)BatchReadySignal給PLC；同理也創(chuàng)建PLC 發(fā)給機(jī)器人的變量對(duì)，如圖5 所示。機(jī)器人R4、R5、R6 與PLC 的交互信號(hào)創(chuàng)建變量對(duì)與上述創(chuàng)建方法相同。

圖5 創(chuàng)建變量對(duì)

3 仿真系統(tǒng)機(jī)器人程序及PLC 程序設(shè)計(jì)

3.1 R5 機(jī)器人工作時(shí)序及PLC 程序

R5 搬運(yùn)機(jī)器人等待傳輸帶物料到位信號(hào)后，開始工作，工作時(shí)序如圖6 所示，PLC 添加的變量和PLC程序如圖7 所示。

圖6 R5 機(jī)器人工作時(shí)序

圖7 PLC 添加變量和PLC 程序

3.2 R4 機(jī)器人工作時(shí)序

同樣，R5 搬運(yùn)機(jī)器人將物料放置在焊接變位機(jī)后發(fā)出信號(hào)，這時(shí)R4 弧焊機(jī)器人才開始動(dòng)作，工作時(shí)序如圖8 所示，弧焊機(jī)器人焊接如圖9 所示。添加相應(yīng)的新的變量并編寫PLC 程序后編譯、下載，完成PLC程序的編程。PLC 添加變量的操作和PLC 程序邏輯同前文中R5 機(jī)器人。

圖8 R4 機(jī)器人工作時(shí)序

圖9 弧焊機(jī)器人焊接

3.3 R6 機(jī)器人工作時(shí)序

同樣，R4 弧焊機(jī)器人焊接結(jié)束且回HOME 后發(fā)出信號(hào)，這時(shí)候R6 弧焊機(jī)器人才開始動(dòng)作，工作時(shí)序如圖10 所示。

圖10 R6 機(jī)器人工作時(shí)序

添加相應(yīng)的新變量并編寫PLC 程序后編譯、下載，完成PLC 程序的編程。PLC 添加的變量操作和PLC程序邏輯同前文中R5 機(jī)器人。

4 總結(jié)

本文基于KUKA SimPro 仿真軟件與西門子虛擬PLC 軟件（S7-PLCSM Advanced2.0）構(gòu)建了柔性生產(chǎn)線多機(jī)協(xié)同焊接工作站的虛擬仿真，完成機(jī)器人與其他設(shè)備之間的I/O 信號(hào)連接，編程測(cè)試，驗(yàn)證機(jī)器人搬運(yùn)與焊接協(xié)同工作過(guò)程中軌跡可達(dá)性等。進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)訓(xùn)室筆筒產(chǎn)品的生產(chǎn)，滿足柔性生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，但在虛擬仿真時(shí)并未對(duì)機(jī)器人的布局優(yōu)化做深入的探討，且實(shí)驗(yàn)優(yōu)化在后續(xù)研究中需要增加內(nèi)容。