工業(yè)機(jī)器人程序管理動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)開發(fā)

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摘要：為解決機(jī)器人控制器的程序容量有限，難以滿足日益復(fù)雜的生產(chǎn)工序的問題，開發(fā)一套基于以太網(wǎng)的EthernetKRL通訊的庫卡機(jī)器人動(dòng)態(tài)加載程序，實(shí)現(xiàn)了大容量、多種類程序的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要解決了機(jī)器人存儲(chǔ)容量不足的問題，提高了機(jī)器人應(yīng)用的靈活性和復(fù)用率，適用于不同零件設(shè)計(jì)的小批量生產(chǎn)。系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)導(dǎo)入工業(yè)設(shè)計(jì)軟件生成的離線編程程序，將路徑點(diǎn)和機(jī)器人例程直接應(yīng)用于機(jī)器人控制器，以離線自動(dòng)生成代替手動(dòng)編程路徑。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；程序管理；動(dòng)態(tài)加載；以太網(wǎng)通訊

隨著智能智造及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的普及，機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展與穩(wěn)定，其相關(guān)技術(shù)也隨之不斷創(chuàng)新。在工業(yè)機(jī)器人與實(shí)際生產(chǎn)相配合過程中提出高需求、高生產(chǎn)效率、更高的零件復(fù)雜度，生產(chǎn)的工序隨設(shè)計(jì)變化要求快速、靈活和全自動(dòng)化。其中一臺(tái)機(jī)器人不止需要完成一道工序，還要根據(jù)用戶需求同時(shí)進(jìn)行搬運(yùn)、涂膠、焊接、切割、打磨等復(fù)雜工序的組合工作，這些程序需要非常大的數(shù)據(jù)量，導(dǎo)致機(jī)器人控制器內(nèi)部需要存儲(chǔ)的程序數(shù)量不斷增加。然而機(jī)器人控制器的程序容量是有限的，不能存放足夠多的程序，已經(jīng)無法滿足用戶日益增長的需求。現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人編程通常采用兩種不同的方法：在線／自動(dòng)生成軌跡和離線／手動(dòng)示教編程。在線編程主要用于工業(yè)應(yīng)用，如碼垛和焊接，通過機(jī)器人控制面板或虛擬機(jī)器人環(huán)境示教位置點(diǎn)［1］。工業(yè)機(jī)器人開始具有一定的感知功能和自適應(yīng)能力的離線編程，可以根據(jù)作業(yè)對(duì)象的狀況改變作業(yè)內(nèi)容?？墒窃谠O(shè)計(jì)之初，機(jī)器人只設(shè)計(jì)為針對(duì)一些重復(fù)性高及無需聯(lián)網(wǎng)的單一工作站，因此雖然機(jī)器人硬件芯片、軟件系統(tǒng)得到快速發(fā)展，但是底層的程序加載器由于能滿足基礎(chǔ)使用需求，所以未能有實(shí)質(zhì)性的更新迭代。用戶只能面臨兩種選擇：一是在機(jī)器人運(yùn)行前，所有運(yùn)行的程序的數(shù)據(jù)依次由操作員手動(dòng)復(fù)制到機(jī)器人內(nèi)，以供機(jī)器人循環(huán)執(zhí)行；二是增加機(jī)器人，讓每臺(tái)機(jī)器人只執(zhí)行一部分程序，例如：一臺(tái)用于搬運(yùn)，一臺(tái)用于涂膠，一臺(tái)用于打磨。這樣在生產(chǎn)時(shí)不僅降低了企業(yè)工廠的生產(chǎn)效率，同時(shí)也增加了操作員的操作負(fù)擔(dān)，加大了因?yàn)槿藛T誤操作而引入的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和編程軟件通常是為工廠大規(guī)模生產(chǎn)部件而開發(fā)的，機(jī)器人路徑規(guī)劃和編程是為特定的生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)的，在生產(chǎn)制造中機(jī)器人按照既定工作流程，不會(huì)為靈活多變的設(shè)計(jì)／制造活動(dòng)提供太多空間［2］。所以現(xiàn)在急需一種可行的處理方案來自動(dòng)管理機(jī)器人的程序，實(shí)現(xiàn)程序動(dòng)態(tài)按需加載進(jìn)入機(jī)器人控制器。本文通過開發(fā)一套基于以太網(wǎng)通訊的上位機(jī)控制程序與基于EthernetKRL通訊的庫卡機(jī)器人動(dòng)態(tài)加載程序，實(shí)現(xiàn)了大容量、多種類示教程序管理及動(dòng)態(tài)加載。該系統(tǒng)主要解決機(jī)器人控制器程序容量有限的問題，在機(jī)器人控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)某绦虼a的重建，并在機(jī)器人系統(tǒng)文件目錄中組接成完整的程序文件，使離線編程程序的動(dòng)態(tài)加載成為可能，提高了機(jī)器人應(yīng)用的靈活性和復(fù)用率。在生產(chǎn)時(shí)提高企業(yè)工廠的生產(chǎn)效率，降低擴(kuò)充內(nèi)存或增加機(jī)器人的成本，適用于不同設(shè)計(jì)零件的小批量生產(chǎn)，且配置更靈活。

1系統(tǒng)架構(gòu)

在傳統(tǒng)工控機(jī)－機(jī)器人控制器控制結(jié)構(gòu)中，一般工控機(jī)運(yùn)行非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（MicrosoftWindows或Linux），對(duì)于機(jī)器人實(shí)時(shí)交互任務(wù)，系統(tǒng)存在不確定性，難以保證運(yùn)行任務(wù)穩(wěn)定性和正確性。例如，當(dāng)機(jī)器人工具命令（焊槍控制、抓手動(dòng)作控制）需要與移動(dòng)的機(jī)械手同步的任務(wù)，或在傳送帶上通過傳感器掃描獲取工件位姿需要?jiǎng)討B(tài)抓取工件的任務(wù)。對(duì)于需要實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)或快速響應(yīng)的任務(wù)，通過PLC作為業(yè)務(wù)中繼站負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯控制、數(shù)據(jù)傳輸、命令傳輸、I／O接口。因?yàn)楣た貦C(jī)操作系統(tǒng)非實(shí)時(shí)運(yùn)行，需要PLC作為業(yè)務(wù)流程控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和上位機(jī)非實(shí)時(shí)運(yùn)行產(chǎn)生的時(shí)間不同步問題。采用PLC還可以實(shí)現(xiàn)多種外圍設(shè)備信號(hào)的讀取，完成多臺(tái)機(jī)器人控制［3］。本文采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通訊連接方式，將機(jī)器人與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，用交換機(jī)連接所有鏈路節(jié)點(diǎn)，以PLCI／O口作為控制系統(tǒng)與外圍設(shè)備之間的通訊，集成控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示。其中，工控機(jī)與機(jī)器人控制器程序文件傳輸基于EthernetKRL軟件包TCP／IP通訊；西門子PLC與庫卡機(jī)器人通訊通過Profinet通訊總線［4］；工控機(jī)與西門子PLC采用ModbusTCP方式通訊，最終將PLC所有的數(shù)據(jù)信息集成到工控機(jī)上。因此本系統(tǒng)可管理大量機(jī)器人離線程序，具備直接傳輸運(yùn)行程序到機(jī)器人控制器功能。并可在機(jī)器人外部運(yùn)行模式中，對(duì)PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀寫實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行情況監(jiān)控和對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)控制（運(yùn)行啟動(dòng)、運(yùn)行程序選擇、運(yùn)行中斷、緊急停止）。如圖2所示，機(jī)器人程序管理與程序動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)上位機(jī)為工控機(jī)，上位機(jī)運(yùn)行基于C＃編程創(chuàng)建的機(jī)器人程序管理系統(tǒng)，操作者可通過人機(jī)交互界面導(dǎo)入或通過虛擬仿真程序?qū)脒\(yùn)動(dòng)任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)任務(wù)程序通常包括一系列機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和工具命令，這些命令構(gòu)成了機(jī)器人應(yīng)用的整個(gè)過程。將導(dǎo)入的大量運(yùn)動(dòng)任務(wù)程序建立機(jī)器人源程序庫，存儲(chǔ)已經(jīng)示教好或生成的大量程序。工控機(jī)和控制器之間通過套接字（Socket）通訊傳輸所需離線程序。根據(jù)生產(chǎn)需要，程序管理系統(tǒng)自動(dòng)從源程序庫中將機(jī)器人要執(zhí)行的程序移動(dòng)到機(jī)器人控制器中，清除機(jī)器人控制器中不需要執(zhí)行的程序。從而規(guī)避了機(jī)器人控制器程序容量有限的問題。在KUKA機(jī)器人控制器端，基于EthernetKRL軟件包TCP／IP通訊接收數(shù)據(jù)，并重建上位機(jī)傳輸?shù)某绦蚨?，使其在機(jī)器人系統(tǒng)文件目錄中組接成完整的程序文件。管理系統(tǒng)支持在自動(dòng)運(yùn)行模式下，根據(jù)可編程邏輯控制器（PLC）輸入信號(hào)自動(dòng)加載程序。機(jī)器人控制器可通過總線方式或I／O控制方式選擇機(jī)器人應(yīng)用層運(yùn)行的程序號(hào)。在機(jī)器人控制器中，應(yīng)用層控制程序事件的整個(gè)過程，即單個(gè)動(dòng)作與工具動(dòng)作的結(jié)合，以及與外部系統(tǒng)的交互。機(jī)器人末端執(zhí)行器的工具動(dòng)作通常通過設(shè)置數(shù)字或模擬量輸出的值以及從數(shù)字或模擬輸入讀取值來控制。這些輸入和輸出通常連接到現(xiàn)場總線上，現(xiàn)場總線將機(jī)器人連接到其他控制設(shè)備，如抓手控制、焊槍控制或可編程邏輯控制器（PLC）。

2機(jī)器人控制器管理程序

庫卡機(jī)器人程序控制系統(tǒng)主要功能如下：根據(jù)用戶需求自動(dòng)將機(jī)器人程序移動(dòng)到庫卡機(jī)器人默認(rèn)的程序目錄下，由此達(dá)到擴(kuò)增機(jī)器人默認(rèn)的程序內(nèi)存大小的效果。機(jī)器人程序控制系統(tǒng)具有兩種控制模式：①手動(dòng)：用戶可自由選擇想要從源程序庫加載的機(jī)器人程序，并在復(fù)制前先刪除機(jī)器人控制器內(nèi)不需要執(zhí)行的程序；②自動(dòng)：自動(dòng)根據(jù)現(xiàn)場PLC的傳輸過來的信號(hào)，從源程序庫中自動(dòng)加載機(jī)器人程序，根據(jù)用戶需求自動(dòng)將機(jī)器人默認(rèn)目錄下的程序進(jìn)行刪除、備份、增加，操作員可以迅速上手，無需額外的硬件。支持兩種運(yùn)行模式下加載程序使系統(tǒng)軟件開發(fā)自由度更高，可為PLC提供更多程序選擇接口，實(shí)現(xiàn)CAD／CAM軟件離線編程程序的動(dòng)態(tài)加載。本文所開發(fā)的系統(tǒng)用戶不需要具備任何編程知識(shí)，因此所有的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的文件格式轉(zhuǎn)換都是由所設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序完成的。使用轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)生成文件后，自動(dòng)生成的文件有兩種：一種是帶有過程參數(shù)的XML文件格式，另一種是存儲(chǔ)路徑點(diǎn)的KUKA格式的dat文件。XML文件具有特定的結(jié)構(gòu)，用于保存所有必要的幾何和路徑數(shù)據(jù)；dat文件具有KUKA語言特有的結(jié)構(gòu)。需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為XML配置文件定義的XML結(jié)構(gòu)，并將該XML轉(zhuǎn)換為字節(jié)并發(fā)送給機(jī)器人控制器。當(dāng)工控機(jī)從機(jī)器人接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過KUKA“DirectoryLoader”軟件包自動(dòng)加載到機(jī)器人存儲(chǔ)區(qū)中［5］。該軟件包可以基于EthernetKRL通訊發(fā)送的命令從機(jī)器人控制器的可定義目錄加載模塊。機(jī)器人控制器端采用庫卡專有編程語言（KRL），其中為實(shí)現(xiàn)“DirectoryLoader”軟件包文件加載，需設(shè)置以太網(wǎng)配置文件、循環(huán)更新程序編號(hào)提交解釋器文件sps．sub、控制器變量的配置文件ConfigMon．ini、系統(tǒng)全局變量配置文件＄config．dat。

3數(shù)據(jù)傳輸模型的構(gòu)建

基于C＃的上位機(jī)程序與機(jī)器人控制器之間采用“DirectoryLoader”軟件包重構(gòu)程序文件。上位機(jī)和機(jī)器人控制器通過EthernetKRL軟件包進(jìn)行雙向通信的功能。上位機(jī)和機(jī)器人控制器之間的通信基于Socket通訊，以上位機(jī)作為服務(wù)器，機(jī)器人作為客戶端進(jìn)行通信，通信延遲在2ms以下。以太網(wǎng)連接是采用XML文件配置，在機(jī)器人控制器中創(chuàng)建一個(gè)包含所需變量的XML文件，如下所示，文件內(nèi)定義了過程變量。機(jī)器人控制器初始化連接時(shí)會(huì)讀入配置，服務(wù)器發(fā)送XML結(jié)構(gòu)由參數(shù)、變量和命令組成，作為響應(yīng)，機(jī)器人根據(jù)這些變量的值進(jìn)行動(dòng)作。以太網(wǎng)配置文件XML結(jié)構(gòu)如下所示：1）將自動(dòng)加載和重建算法程序的SRC文件復(fù)制到機(jī)器人控制器的目錄C:＼KRC＼ROBOTER＼Program中。2）將網(wǎng)絡(luò)配置的XML文件復(fù)制到控制器的目錄C:＼KRC＼ROBOTER＼Config＼User＼Common＼EthernetKRL中。3）在外部系統(tǒng)上啟動(dòng)服務(wù)器程序，切換到庫卡示教器頁面?！癉irectoryLoader”軟件包的函數(shù)在自動(dòng)外部模式下通過觸發(fā)器的上升緣進(jìn)行初始化，例如將觸發(fā)器＄in[x]或＄FLAG[x]設(shè)置為TRUE，然后機(jī)器人就可以連接到后臺(tái)的機(jī)器人程序控制系統(tǒng)。4）與待測機(jī)器人控制器建立穩(wěn)定連接，服務(wù)器程序具有以下功能：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)(自動(dòng)或手動(dòng))；顯示接收到的數(shù)據(jù)；顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

為了將大容量的離線生成的程序放到機(jī)器人中，或者通過內(nèi)存交換來繞過KRC4的小內(nèi)存容量，本文開發(fā)一套機(jī)器人動(dòng)態(tài)加載程序，主要解決機(jī)器人存儲(chǔ)容量不足的問題，提高了機(jī)器人應(yīng)用的靈活性和復(fù)用率。系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)方式連接機(jī)器人、PLC與機(jī)器人控制器，可直接傳輸離線程序到機(jī)器人控制器，并可在機(jī)器人運(yùn)行過程中，通過對(duì)PLC數(shù)據(jù)的讀寫實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)控和對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)控制。

參考文獻(xiàn)

［3］郝任義．工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)器人及PLC的集成控制研究［D］．秦皇島：燕山大學(xué)，2018

［4］郭磊，王培光，宗曉萍．基于KUKA機(jī)器人的PROFINET協(xié)議通訊分析［J］．電子世界，2017（6）：113－117

作者：陳挺木 單位：福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泉州分院