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）

“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KUKA SimPro 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KUKA SimPro 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KUKA KR16 R1610机器人、KR10 R1420 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-PLCSM Advanced2.0）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

1.1 工作站布局

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KR16 R1610）、2 台弧焊机器人（型号为KR10 R1420）、变位机（型号DKP_400_V1）以及下料台组成。KR16 R1610 型机器人末端配备手爪，用于搬运笔筒零件。KR10 R1420 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。

图1 焊接工作站布局

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]。

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

表1 （续）

2 虚拟仿真系统设计

2.1 建立PLC 与SimPro3.1 的OPC UA 通信

选择PLCSIM Vitrual Eth.Adpter 仿真，以太网通讯方式，在Start Virtual S7-1500 PLC 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-PLCSIM Advance2.0 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OPC UA，激活OPC UA 服务器。虚拟PLC 配置如图3 所示。

图3 虚拟PLC 配置

2.2 KUKA SimPro 连通性设置

在KUKA SimPro 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：opc.tcp://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。KUKA SimPro 联通性设置如图4 所示。

图4 KUKA SimPro 联通性设置

2.3 KUKA SimPro 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

3 仿真系统机器人程序及PLC 程序设计

3.1 R5 机器人工作时序及PLC 程序

R5 搬运机器人等待传输带物料到位信号后，开始工作，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6 R5 机器人工作时序

图7 PLC 添加变量和PLC 程序

3.2 R4 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。

图8 R4 机器人工作时序

图9 弧焊机器人焊接

3.3 R6 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。

图10 R6 机器人工作时序

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。

4 总结

本文基于KUKA SimPro 仿真软件与西门子虚拟PLC 软件（S7-PLCSM Advanced2.0）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。