基于PROFINET的KUKA机器人三维激光切割系统设计刘涵茜【期刊名称】《《机电工程技术》》【年(卷),期】2019(048)011【总页数】4页(P43-46)【关键词】机器人技术; KUKA机器人; 三维激光切割【作者】刘涵茜【作者单位】苏州工业园区职业技术学院江苏苏州 215123【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言KUKA在冲压、压铸、上下料、喷涂、焊接、搬运、码垛等领域有广泛的应用。

KUKA机器人有限公司也是世界上机器人开发最早的公司之一，机器人型号种类繁多，负载最大能达到1.3 t，最主要的客户则来自汽车领域。

随着科学技术的飞速发展，激光技术也有了突飞猛进的进步，高功率工业激光器就是这绚烂多姿科技产品中的一员大将，它可以与机器人柔性耦合，配备光纤传输。

机器人技术与激光技术的结合，得益于先进制造领域在信息化技术、自动化以及智能化方面的长足进步，三维柔性加工系统，融合了工业机器人与光纤激光器，已经逐渐成为近年来研究的热点，而且在冶金、材料加工、汽车制造等领域，已经有了良好的应用。

采用工业机器人作为目前三维空间钣金件的切割方式，6个自由度的空间运动模式处理空间图形材料。

当然，缺点是这种模式针对的种类多数量少的固定零件外形，需要采用手动示教编程方式，而频繁切换夹具以及示教编程，不仅耗时严重，效率低下，而且模式繁杂。

采用西门子S7-300PLC作为控制终端的激光器，与传统的激光柔性加工系统的控制方法相比较，采用串口通讯的机器人，控制硬件造价昂贵。

激光切割应用的集成系统，是以KUKA机器人作为主站的控制方式，强大的三维图形处理能力，加上RobotMaster软件，采用离线编程的方式，在安全的前提下，有效提高了生产效率，解决了以上诸多问题，可以更加方便智能地切割三维异形钣金件。

1 KUKA控制器的演化KUKA在1973年推出了第一台全电气伺服的6轴机器人。

相对于现在的6轴关节结构而言，第一台全电气伺服的6轴机器人的形象类似大闸蟹。

随着本体结构不断进化，到了6轴、7轴协作，4轴并联，4轴SCARA和AGV等。

控制系统也从第一代演化到了当今的第四代。

KUKA是业界比较早作为控制器与PC平台进行合作的，和数控系统行业的节拍一致。

第一代KR C1有着灰色的气质，复古的KUKA字体，集成有示波器功能，已带有现场总线和连接Internet。

基于奔腾处理器的PC机，运行Win95。

图1所示为KR C1的系统连接框图，图中是KR C1控制器的连接框图，KCP就是示教器。

第二代KR C2有些变得高了一些，基本色调一致。

结构和连接都和一代类似。

第三代KR C3开始变得小巧，只有30 kg。

使用Intel赛扬处理器，也就是那个时代的经济型CPU——Windows 95。

图2所示为KR C3的系统连接框图，图中控制器和本体之间开始采用通讯方式。

图1 KR C1的系统连接框图图2 KR C3的系统连接框图第四代的KR C4为橙色。

C4继承了机器人控制，PLC控制、运动控制、（CNC功能）和安全控制于一身，掌握3门外语即KUKA机器人语言KRL、PLC语言和数控机床用的G代码。

C4是一个控制器家族，包括了Compact、smallsize-2、KR C4、midsize、KR C4 extended，其中最主要的区别就是控制的最大轴的数量递增，从6～16，电压从200～380 V，其他都类似。

还有一种控制器，目前之配套协作型机器人LBR iiwa，叫做Sunrise cabinet。

19寸工业机架式结构，只支持单相200 V。

这个尺寸做便携式和移动式的机器人应用很合适，可以直接藏在AGV的壳体里。

2 基于PROFINET的KUKA机器人激光切割系统设计KUKA工业机器人的总线系统主要包括系统总线、控制总线、KUKA线路接口以及扩展总线，通过X66与X67，KUKA线路接口将设备与上级机构进行耦联，通讯协议上包括Ethernet、PROFINET、以及PROFIsafe在内，从而可以实现基于以太网的现场总线连接和数据交换。

在通讯协议上，机器人往往需要PLC在外部自动运行时对其自身状态进行诊断故障、数据监控以及选择程序，所以必须要使用PROFINET通讯方式，这些信号在交互上必不可少。

PROFINET通讯协议的使用，不仅可以使传输信号更加稳定，而且取消了工业机器人和上级控制器的传输限制。

PROFINET具备PROFINET CBA以及集成分布式I/O，在基于以太网实现的工业通讯系统的基础上，实现了工业现场总线系统之间的无缝集成【1】。

一般来说PROFINET IO分为IO设备、IO控制器、IO监视器、IO参数服务器4种不同的设备类型【3】，通讯方式分为3种，响应时间为大约100 ms实时通讯的TCP/IP标准通信，可以同步实时通讯，其响应时间约为5～10 ms，其抖动误差小于1 μs【2】。

由此，可以看出全面通讯能力的实现在于开放式和分配式的通讯。

采用面向对象的模式方法，PROFINET利用明确的对象接口，实现了外部访问单机模块。

图3 子程序进行控制时激光器的流程图2.1 基于PROFINET的KUKA机器人激光切割系统设计的硬件作为主站的激光切割系统的KUKA机器人如何实现对激光器的控制是核心问题。

在KUKA原装的KRC4控制柜以及原来KR16-2本体的控制柜的裸机系统中，控制信号并没有于激光器配置好，而KRC4机柜采用Beckhoff主机，对应模块则通过EtherCAT总线扩展出来，满足了对激光焦距随动控制系统、激光器的开关控制、切割气压以及自动调焦系统的控制要求。

IPG YLR-500-MMWC光纤激光器可以通过Beckhoff的总线耦合器EK1100，作为扩展EL2809模块（16路数字量输出）、EL1809模块（16路数字量输入）、EL4004模块（4路模拟量输出）、以及EL2502模块（2路PWM输出）。

2.2 基于PROFINET的KUKA机器人激光切割系统设计的软件随动控制子程序、自动调焦子程序、以及激光器控制子程序3大块是KUKA机器人作为激光切割应用的主要程序结构。

图3所示为IPG激光器的控制子程序流程图。

3 基于PROFINET的KUKA机器人激光切割系统设计的原理KUKA机器人在实现实时控制时通常通过提供一种Linux系统下的双系统方案，在Ubuntu中，添加1个实时内核，如RTAI或者Xeonmai，把实时部分内容放到实时内核中运行，插补加减速，正逆运动学，动力学，另外采用总线的方式与外部通讯。

不同于常用的工控机，机器人系统没有一般数控系统具备的前瞻（Look-Ahead）功能，也不能对整个控制程序进行实时扫描。

在发生干涉碰撞时，具体到外部环境变化或者与外围设备，机器人会因为不能够自动识别而立即停止工作，原因是机器人系统只能逐行扫描程序语言。

图4所示为主站的激光切割系统的KUKA机器人的控制原理图，技术构成为以下4部分：（1）在切割的过程中，采用平衡器防止机器人拉伤拉断光纤；（2）采用六自由度工业，实现三维立体空间的运动机构；（3）被切割加工的零件模型，采用离线编程的方式处理，提高了生产加工的效率；（4）在被加工零件的位置，实时控制激光焦点，升降机构搭配激光切割头，采用非接触式电容传感器，进而可以提高产品质量，让切割的加工效果更加稳定。

图4 机器人激光切割控制系统4 基于KUKA机器人的激光切割路径仿真与切割加工采用离线编程方式的工作方式，对IGS、STEP文件格式的三维零件图形进行仿真处理时，在PC机上，通过利用RobotMaster软件、KUKA机器人，设置好TOOLBASE坐标和激光工艺参数后，可以按照仿真路径进行激光切割加工。

对于加工代码文件而言，其执行与识别工作可以由生成KUKA机器人完成，并在KUKA的KRC4控制柜中进行导入。

图5和图6所示分别为切割模拟仿真加工球面与三维异形件。

图5 加工球面图6 加工三维异形件5 基于PROFINET的KUKA机器人控制的具体方法图7所示为通信系统示意图，图中对机械臂的运动和状态进行控制时利用KRC4控制柜作为从站，而主站则选择西门子S7-300PLC。

KRC4控制柜系统总线采用的是RJ45插头的双绞线，且交换机相连接时通过KLI接口。

上级控制器PLC在系统工作的时候，通过外部自动运行接口，故障确认、运行许可、程序启动等进程的相关信息，都可以向机器人控制系统进行发送。

机器人控制系统将运行状态与故障状态的相关信息发送到上级控制器。

对项目组态和运行状态进行监控时，由PROFINET的选项PC配置KRC4控制柜作为组态和监控的控制器来实现。

图7 通讯系统一般，总线超时时间设置为20 000 ms，循环时间设置为8 ms，这样对出现在PROFINET数据传输过程中的时间冲突进行有效避免，且可以有效提高系统的稳定性。

在2 000 ms的时间内，KRC4控制柜无法与PLC建立连接，就会产生错误的信息，因此在继续运行之前必须进行确认，建立连接，且防止错误信息变为确认信息。

图8 配置WorkVisual PROFINET选项卡图8 所示为配置WorkVisual PROFINET选项卡。

系统的最小值一般为选项卡中PROFIenergy在实际需求的基础上采用的，使用PROFIenergy指令，可以使PLC与KUKA机器人的有关PROFIenergy的信号交互，向机器人控制器发送指令，改变和查询当前机器人的状态如图9所示。

图9 PLC与KRC4外部接口信号交互图6 结束语综上所述，对基于PROFINET的KUKA机器人三维激光切割系统而言，其主站选择KUKA机器人，进行球面人工示教轨迹切割的难题可以得到有效的解决。

应用离线编程，省时省力，且可以充分利用机器人的智能化、高柔化以及低成本的特点。

与此同时，切割方法在应用中还可以切割三维工件，例如LED灯具、安全帽以及加工烧烤炉等。

提供了一种低成本的方案，有效解决了三维异形零件在切割加工应用上的难题。

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