基于SimPro和TIA的多机器人协同焊接虚拟仿真

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2024年1月6日发(作者：)

科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation文章编号：2095－6835（2022）06－0178－042022年第06期基于SimPro和TIA的多机器人协同焊接虚拟仿真刘双耀，程文锋（浙江机电职业技术学院，浙江杭州310053）＊摘要：多机器人协作系统因运动灵活性高、负载能力强及加工范围广而被大量运用于复杂零部件的加工制造中。主要对焊接柔性生产线双机器人如何协同焊接进行了仿真设计与分析。首先基于KUKASimPro3.1对机器人工作站的实际加工环境进行仿真设计，配合西门子博图（TIA）PLC模块（S7-PLCSM），在上位机端完成机器人之间的逻辑信号交互动作的虚拟，最终实现多机焊接工作站系统的离线编程。通过模拟真实焊接环境，仿真方案可大幅度减少现场调试难度，优化焊接工艺，提升多机器人协作系统的设计效率与质量，并进一步为实际产线提供有效参考。关键词：机器人；协同焊接仿真设计；离线编程；虚拟仿真中图分类号：TP242.2文献标志码：ADOI：10.15913/.2022.06.056线编程及仿真调试。李慧[5]在仿真软件RoboDK中搭建工业机器人码垛工作站。通过Program调用多个Python程序协同工作，实现机器人工作站的离线编程和仿真。以上机器人的仿真研究中多机协同工作的信号交互主要通过机器人的仿真设置来实现，与实际应用场景的多机器的信号交互设置之间有一定的差异。本文在KUKASimPro环境中搭建虚拟工业机器人双机弧焊焊接工作站，分别选用KUKAKR16R1610机器人、KR10R1420机器人构建了物料搬运、弧焊焊接的多机协同仿真机器人工作站。结合西门子博图（TIA）软件在电脑上用虚拟PLC软件（S7-PLCSMAdvanced2.0）模拟与虚拟仿真机器人之间的信号交互，连接机器人之间及机器人与其他设备之间的I/O信号，完成编程调试，仿真运行验证多台机器人搬运与焊接协同工作过程中KUKA工业机器人轨迹的可达性等。依据仿真模型直观地检验设备运行情况，指导实训室笔筒产品的生产，满足柔性生产线生产要求[6]。1机器人协同焊接虚拟仿真系统搭建柔性生产线双机协同弧焊焊接工作站如图1所示，工作站主要由传送带、R5搬运机器人（型号为KR16R1610）、2台弧焊机器人（型号为KR10R1420）、变位机（型号DKP_400_V1）以及下料台组成。KR16R1610型机器人末端配备手爪，用于搬运笔筒零件。1.1工作站布局“中国制造2025”提出后，制造业面临着新转型，工业机器人发挥着很大的作用[1]。工业机器人目前被广泛应用于搬运、码垛、装配、打磨、焊接、铆接、冲孔、切料等场景。其中焊接机器人的应用最为广泛，焊接机器人已经逐渐被各类企业大量使用[2]。焊接机器人具有很大的优势，能够大大提高工作效率。工业机器人虚拟仿真技术的意义不仅仅在于可以编辑机器人程序，更重要的是可以模拟很多应用场景，也可以仿真产品的某些位置，查看是否影响机器人的动作，有问题可及时与三维设计工程师沟通。这既提高了对工业机器人工作站进行编程调试的效率，也能够有效地解决在高校教学过程中硬件设备的局限性等问题[2]。刘文光[1]在KUKASimPro中搭建虚拟工业机器人码垛工作站，确定码垛货箱的垛型，完成编程调试，仿真运行验证码垛过程中KUKA工业机器人TCP轨迹的可行性和合理性。王建菊[3]研究了ABB机器人工具的搭建、码垛程序的仿真优化设计，为工业机器人应用在码垛领域提供理论依据。该仿真减少了示教时间和复杂度，降低用户工作量。陆叶等[4]利用RobotStudio软件设计焊接工作站仿真系统的布局。为实现机器人自动焊接的仿真过程，设置机器人仿真运行的I/O信号，建立机器人的坐标系，规划工业机器人焊接的运动轨迹，进行机器人离——————————————————————————＊［基金项目］浙江机电职业技术学院校级科教融合孵化工程项目（编号：A0271-21-011）·178·

2022年第06期KR10R1420型机器人末端配备焊枪设备，用于组合零件的焊接。焊接零件通过输送链到达末端，当底座零件到达输送链的末端时，传输带信号BatchReadySignal信号反馈给搬运机器人R5，机器人抓取笔筒零件，将笔筒底座和笔筒依次摆放在焊接变位台上，机器人回到等待位置。这时候R4弧焊机器人开始动作，进行弧焊焊接，R4弧焊机器人焊接结束且回HOME后发出信号，这时候R6弧焊机器人开始动作，R6弧焊机器人焊接结束且回HOME后发出信号，这时候R5搬运机器人松开夹爪将焊接好的笔筒放置在下料台。3台机器人、传输带以及焊接变位机和放料台的布局可以减小设备的占地面积，满足机器人的可达性，但是路径的最优和节拍还需要后续的优化验证[7]。图1焊接工作站布局焊接零件如图2所示，虚拟仿真时选取其中一种零件。图2柔性生产线笔筒焊接零件1.2多机器人协同工作信号多机器人协同工作信号表如表1所示。表1多机器人协同工作信号表序号变量名PLC端机器人端备注1Convery_ReachI0.0传送带到达信号2Robot5_RunQ0.0IN104搬运机器人R5开始运动3Robot5_ReachI0.1OUT101搬运机器人R5将笔筒搬运至变位机上4Robot4_RunQ0.1IN101弧焊机器人R4开始运动ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新表1（续）序号变量名PLC端机器人端备注弧焊机器人R4完成5Robot4_ArcEndI0.2OUT101焊接且回到HOME位置6Robot6_RunQ0.2IN101弧焊机器人R6开始运动弧焊机器人R6完成7Robot6_ArcEndI0.3OUT101焊接且回到HOME位置Robot5_搬运机器人R5可以8Ready_Q0.3IN105松开夹爪准备放置Drop焊接好的物料2虚拟仿真系统设计2.1建立PLC与SimPro3.1的OPCUA通信选择仿真，以太网通讯方式，在StartVirtualS7-1500PLC中定义PLC的名称、IP地址和网关，这里名称为PLC1，IP地址：192.168.0.2，网关默认为255.255.255.0。由于S7-PLCSIMAdvance2.0只支持S7-1500和ET-200S，所以在博图硬件组态中只使用这2种PLC。配置完成后点击Start启动仿真PLC。基于V15创建新项目，选择S7-1500类型的PLC。在保护属性勾选“编译时支持仿真”。在常规—PROFINET接口—以太网地址—IP协议一栏中填写刚才在仿真PLC中填写的IP:192.168.0.2以及网关：255.255.255.0。选择PLC，在属性选项下选择OPCUA，激活OPCUA服务器。虚拟PLC配置如图3所示。图3虚拟PLC配置2.2KUKASimPro连通性设置在KUKASimPro连通性设置选项中添加服务器，输入服务器OPC地址，这里OPC地址为：://192.168.0.2:4840；点击“测试连接”，跳出连接成功窗口，点击确认；最后点击应用则建立通信连接完成。点击“重新连接”激活。KUKASimPro联通性设置如图4所示。·179·

科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation2022年第06期5所示。机器人R4、R5、R6与PLC的交互信号创建变量对与上述创建方法相同。图5创建变量对图4KUKASimPro联通性设置3仿真系统机器人程序及PLC程序设计R5搬运机器人等待传输带物料到位信号后，开始2.3KUKASimPro创建变量对以传送带与机器人的交互信号为例，选择添加变量，并创建变量对，传送带到达的信号BatchReadySignal给PLC；同理也创建PLC发给机器人的变量对，如图3.1R5机器人工作时序及PLC程序工作，工作时序如图6所示，PLC添加的变量和PLC程序如图7所示。图6R5机器人工作时序3.2R4机器人工作时序同样，R5搬运机器人将物料放置在焊接变位机后发出信号，这时R4弧焊机器人才开始动作，工作时序如图8所示，弧焊机器人焊接如图9所示。添加相应的新的变量并编写PLC程序后编译、下载，完成PLC程序的编程。PLC添加变量的操作和PLC程序逻辑同前文中R5机器人。·180·3.3R6机器人工作时序同样，R4弧焊机器人焊接结束且回HOME后发出信号，这时候R6弧焊机器人才开始动作，工作时序如图10所示。添加相应的新变量并编写PLC程序后编译、下载，完成PLC程序的编程。PLC添加的变量操作和PLC程序逻辑同前文中R5机器人。

2022年第06期图7PLC添加变量和PLC程序等待PLC发送的等待R5完成信号PLC发送的等待R5完成信号PLC发送的等待R5完成信号PLC发送的R5完成信号机器人运动到初始HOME位置图8R4机器人工作时序图9弧焊机器人焊接4总结本文基于KUKASimPro仿真软件与西门子虚拟PLC软件（S7-PLCSMAdvanced2.0）构建了柔性生产线多机协同焊接工作站的虚拟仿真，完成机器人与其他设备之间的I/O信号连接，编程测试，验证机器人ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新搬运与焊接协同工作过程中轨迹可达性等。进而指导实训室笔筒产品的生产，满足柔性生产线生产需求，但在虚拟仿真时并未对机器人的布局优化做深入的探讨，且实验优化在后续研究中需要增加内容。等待PLC发送的R4完成信号机器人运动到初始HOME位置图10R6机器人工作时序参考文献：1］刘文光.基于的工业机器人码垛工作站仿真设计［J］.济南职业学院学报，2021（4）：120-124.2］谭伟美，卢柱阳.工业机器人在焊接技术的应用分析［J］.科技创新与应用，2021，11（15）：153-155.3］王建菊.ABB机器人码垛编程优化仿真设计［J］.南方农机，2021，52（19）：137-139.4］陆叶，王开.工业机器人焊接工作站的仿真设计［J］.轻工科技，2021，37（6）：63-64.5］李慧.工业机器人码垛工作站仿真设计［J］.自动化应用，2021（5）：54-59.6］那亚莉.工业机器人自动上下料工作站仿真系统设计［J］.建材技术与应用，2021（5）：51-54.7］张瑞星，李秀娟，高唤.双焊接机器人协同路径规划研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2019（6）：81-85.————————作者简介：刘双耀（1989—），男，山西晋中人，硕士研究生，工程师，主要从事工业机器人焊接应用与研究、职业教育。〔编辑：王霞〕［［［［［［［

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