基于SimPro 和TIA 的多機器人協(xié)同焊接虛擬仿真*

劉雙耀，程文鋒

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

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

工業(yè)機器人虛擬仿真技術(shù)的意義不僅僅在于可以編輯機器人程序，更重要的是可以模擬很多應(yīng)用場景，也可以仿真產(chǎn)品的某些位置，查看是否影響機器人的動作，有問題可及時與三維設(shè)計工程師溝通。這既提高了對工業(yè)機器人工作站進行編程調(diào)試的效率，也能夠有效地解決在高校教學(xué)過程中硬件設(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，仿真運行驗證碼垛過程中KUKA工業(yè)機器人TCP軌跡的可行性和合理性。

王建菊[3]研究了ABB 機器人工具的搭建、碼垛程序的仿真優(yōu)化設(shè)計，為工業(yè)機器人應(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)計焊接工作站仿真系統(tǒng)的布局。為實現(xiàn)機器人自動焊接的仿真過程，設(shè)置機器人仿真運行的I/O 信號，建立機器人的坐標(biāo)系，規(guī)劃工業(yè)機器人焊接的運動軌跡，進行機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)機器人碼垛工作站。通過Program 調(diào)用多個Python 程序協(xié)同工作，實現(xiàn)機器人工作站的離線編程和仿真。

以上機器人的仿真研究中多機協(xié)同工作的信號交互主要通過機器人的仿真設(shè)置來實現(xiàn)，與實際應(yīng)用場景的多機器的信號交互設(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)機器人雙機弧焊焊接工作站，分別選用KUKA KR16 R1610機器人、KR10 R1420 機器人構(gòu)建了物料搬運、弧焊焊接的多機協(xié)同仿真機器人工作站。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）模擬與虛擬仿真機器人之間的信號交互，連接機器人之間及機器人與其他設(shè)備之間的I/O信號，完成編程調(diào)試，仿真運行驗證多臺機器人搬運與焊接協(xié)同工作過程中KUKA 工業(yè)機器人軌跡的可達(dá)性等。依據(jù)仿真模型直觀地檢驗設(shè)備運行情況，指導(dǎo)實訓(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 搬運機器人（型號為KR16 R1610）、2 臺弧焊機器人（型號為KR10 R1420）、變位機（型號DKP_400_V1）以及下料臺組成。KR16 R1610 型機器人末端配備手爪，用于搬運筆筒零件。KR10 R1420 型機器人末端配備焊槍設(shè)備，用于組合零件的焊接。焊接零件通過輸送鏈到達(dá)末端，當(dāng)?shù)鬃慵竭_(dá)輸送鏈的末端時，傳輸帶信號BatchReadySignal信號反饋給搬運機器人R5，機器人抓取筆筒零件，將筆筒底座和筆筒依次擺放在焊接變位臺上，機器人回到等待位置。這時候R4 弧焊機器人開始動作，進行弧焊焊接，R4 弧焊機器人焊接結(jié)束且回HOME 后發(fā)出信號，這時候R6 弧焊機器人開始動作，R6 弧焊機器人焊接結(jié)束且回HOME 后發(fā)出信號，這時候R5 搬運機器人松開夾爪將焊接好的筆筒放置在下料臺。

圖1 焊接工作站布局

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

焊接零件如圖2 所示，虛擬仿真時選取其中一種零件。

圖2 柔性生產(chǎn)線筆筒焊接零件

1.2 多機器人協(xié)同工作信號

多機器人協(xié)同工作信號表如表1 所示。

表1 多機器人協(xié)同工作信號表

表1 （續(xù)）

2 虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計

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。配置完成后點擊Start 啟動仿真PLC。

基于V15 創(chuàng)建新項目，選擇S7-1500 類型的PLC。在保護屬性勾選“編譯時支持仿真”。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；點擊“測試連接”，跳出連接成功窗口，點擊確認(rèn)；最后點擊應(yīng)用則建立通信連接完成。點擊“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

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

圖5 創(chuàng)建變量對

3 仿真系統(tǒng)機器人程序及PLC 程序設(shè)計

3.1 R5 機器人工作時序及PLC 程序

R5 搬運機器人等待傳輸帶物料到位信號后，開始工作，工作時序如圖6 所示，PLC 添加的變量和PLC程序如圖7 所示。

圖6 R5 機器人工作時序

圖7 PLC 添加變量和PLC 程序

3.2 R4 機器人工作時序

同樣，R5 搬運機器人將物料放置在焊接變位機后發(fā)出信號，這時R4 弧焊機器人才開始動作，工作時序如圖8 所示，弧焊機器人焊接如圖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 機器人。

圖8 R4 機器人工作時序

圖9 弧焊機器人焊接

3.3 R6 機器人工作時序

同樣，R4 弧焊機器人焊接結(jié)束且回HOME 后發(fā)出信號，這時候R6 弧焊機器人才開始動作，工作時序如圖10 所示。

圖10 R6 機器人工作時序

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)線多機協(xié)同焊接工作站的虛擬仿真，完成機器人與其他設(shè)備之間的I/O 信號連接，編程測試，驗證機器人搬運與焊接協(xié)同工作過程中軌跡可達(dá)性等。進而指導(dǎo)實訓(xùn)室筆筒產(chǎn)品的生產(chǎn)，滿足柔性生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，但在虛擬仿真時并未對機器人的布局優(yōu)化做深入的探討，且實驗優(yōu)化在后續(xù)研究中需要增加內(nèi)容。