工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通常只有在機(jī)器人與機(jī)器完全集成時(shí)才能成功。Kuka開發(fā)的一款控制軟件，使通過工業(yè)實(shí)時(shí)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮機(jī)器人成為可能。
過去5年所遇到的危機(jī)顯示，擁有“有生命的”生產(chǎn)設(shè)備對(duì)于德國(guó)成為經(jīng)濟(jì)全球化中重要的一員非常重要。相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是通過工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
機(jī)器人并非為其自身服務(wù)，而是在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化任務(wù)時(shí)完成各種工作。它可對(duì)加工機(jī)械的模具或工件進(jìn)行預(yù)加工或后處理，或者對(duì)材料進(jìn)行操作控制，以及對(duì)材料進(jìn)行裝卸。
為了能使生產(chǎn)設(shè)備和機(jī)器人的工作流程相互協(xié)調(diào)，需要在他們的控制裝置之間建立通信。此項(xiàng)工作本來是由并行布線的信號(hào)完成，之后被常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)總線取代。在一些工業(yè)領(lǐng)域中，如注塑成型，用Euromap67接口對(duì)單個(gè)信號(hào)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
以基于Ethernet的現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信前提
為了滿足當(dāng)下自動(dòng)化設(shè)備的要求，僅通過幾個(gè)E/A信號(hào)來進(jìn)行通信已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。基于Ethernet的現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，為設(shè)備、生產(chǎn)機(jī)械和機(jī)器人之間的高效協(xié)作通信技術(shù)創(chuàng)造了前提。同時(shí)，新型現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)重要特征是，通過同一條Ethernet電纜或者多條總線，可以并行處理多個(gè)協(xié)議并可提供多項(xiàng)服務(wù)。除了自身的標(biāo)準(zhǔn)總線Ethercat和TCP/IP外，新的Kuka機(jī)器人控制裝置KR C4還可以通過Ethernet選擇性地支持Profinet和Ethernet/IP。通過網(wǎng)關(guān)也可鏈接其他總線，如Varan。
下列服務(wù)可用來與其他參與者建立通信：
●循環(huán)過程數(shù)據(jù)：通過E/A信號(hào)進(jìn)行通信是必要的。在固定的脈沖間隔中，事先設(shè)定的過程數(shù)據(jù)雙向傳輸。但與過去不同，如今可以通過基于Ethernet的現(xiàn)場(chǎng)總線以更高的速率傳輸更大的過程數(shù)據(jù)圖像。
●異步消息：與循環(huán)過程數(shù)據(jù)不同，異步消息只有在需要時(shí)才產(chǎn)生并發(fā)送給接收方，對(duì)方可邊接受邊閱讀。如可用于發(fā)送指示信息、故障信息及其他相應(yīng)控制裝置上的確認(rèn)信息。
●文件傳輸：為了匯集配方表、歸檔和復(fù)原機(jī)器人程序或者準(zhǔn)備凸輪表，可在KR C4上按裝一個(gè)FTP服務(wù)器。這樣，作為FTP客戶端的通信伙伴便擁有了機(jī)器人控制裝置文件系統(tǒng)的訪問權(quán)。
●節(jié)拍同步：在某些階段，機(jī)器人的動(dòng)作必須盡可能精確地與生產(chǎn)機(jī)器的動(dòng)作同步。其基本前提是，機(jī)器人控制裝置的內(nèi)部節(jié)拍信號(hào)必須和其他控制裝置的節(jié)拍信號(hào)在相位上相互固定地保持同步。在KR C4中并沒有使用現(xiàn)場(chǎng)總線特定的規(guī)定，而是使用根據(jù)IEEE 1588 V1標(biāo)準(zhǔn)化的精密時(shí)間協(xié)議。KR C4可以主時(shí)鐘方式工作，也可以按時(shí)鐘方式工作。
●安全性：因?yàn)閷?duì)于統(tǒng)一的機(jī)器和機(jī)器人安全的期望，所以才會(huì)有這樣的要求，那就是機(jī)器人安全可以由機(jī)器安全控制裝置或者通過一個(gè)更高級(jí)的安全控制裝置來操控。KR C4為此提供兩種安全方案：機(jī)器人的基本安全，或其他產(chǎn)品的安全運(yùn)行選項(xiàng)。基本安全方式僅包括基本功能，如緊急停車，而安全運(yùn)行選項(xiàng)則提供擴(kuò)展的安全功能，如安全監(jiān)控的笛卡爾直角坐標(biāo)和軸向角坐標(biāo)的空間，安全監(jiān)控速度、加速度或停車。這兩種安全方案可通過各自支持的現(xiàn)場(chǎng)總線的安全擴(kuò)展來使用，也就是Fail Safe over Ethercat（FsoE）、Profisafe和CIP-Safe。
圖1 單點(diǎn)操作：機(jī)器和機(jī)器人只需要一個(gè)操作單元，必要時(shí)只需要一個(gè)編程單元
只有一個(gè)編程接口
在這些經(jīng)過改進(jìn)的通信機(jī)制基礎(chǔ)上，機(jī)械制造廠商或系統(tǒng)集成商可以如往常一樣解決自動(dòng)化任務(wù)，只需單獨(dú)編制和運(yùn)行機(jī)器程序、機(jī)器人程序和相應(yīng)的機(jī)器和機(jī)器人操作界面。對(duì)此，所有參與者如售后服務(wù)人員，都需要掌握詳盡的機(jī)器人編程知識(shí)。
為了降低學(xué)習(xí)難度，并為了讓機(jī)器人和機(jī)器運(yùn)動(dòng)只需在一個(gè)位置上完成編程，Kuka使用mxAutomation開發(fā)出了一種方法，通過這種方法，機(jī)械制造商或系統(tǒng)集成商基本上可以把Kuka機(jī)器人控制裝置集成到自身的機(jī)器控制裝置中。這樣，機(jī)器人的全部編程和操作都可以只通過機(jī)器控制裝置及其操作臺(tái)來完成，從而不再需要特別的機(jī)器人編程知識(shí)。機(jī)械/機(jī)器人單元的操作就像在熟悉的機(jī)器操作臺(tái)上一般（圖1）。
mxAutomation軟件原則上由兩個(gè)主要部分組成。在機(jī)器人控制器上運(yùn)行的是Kuka公司編程的伺服程序，此程序通過前面提到的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，等待機(jī)器人控制指令的到達(dá)。在機(jī)械控制器上運(yùn)行著原來的機(jī)器人控制程序，這個(gè)程序是用機(jī)械控制器編程語言和編程方法編寫而成。為使這一點(diǎn)成為可能，Kuka為每個(gè)控制器提供mxAutomation服務(wù)器。機(jī)械程序員將這些集成到自己的程序中，并將此編程的機(jī)器人指令和參數(shù)打包到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中，這些數(shù)據(jù)通過各自總線被傳送到在機(jī)器人控制器上運(yùn)行的mxAutomation服務(wù)器中。服務(wù)器對(duì)抵達(dá)的數(shù)據(jù)做出解碼，執(zhí)行預(yù)期中的機(jī)器人指令，并將反饋參數(shù)、狀態(tài)信息等發(fā)回到機(jī)器控制器的mxAutomation服務(wù)器中。為了盡快且準(zhǔn)確地完成機(jī)器人指令和反饋值的數(shù)據(jù)傳輸，只能使用相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線的循環(huán)過程數(shù)據(jù)。以這種方式可以同時(shí)由機(jī)器控制器近似遙控地操控最多五臺(tái)機(jī)器人。
mxAutomation圖書館可導(dǎo)出結(jié)構(gòu)化文本編成，目前可供Siemens Simatik以及基于此配置的Sinumerik 840D和Rockwell PLCs、Codesys及Procon-OS-Systeme使用。其他的正處在準(zhǔn)備過程中（圖2）。對(duì)于其他控制器制造廠商備有一個(gè)適配套件，這些廠商在和Kuka確定合作后，使用此套件將xmAutomation圖書館集成到他們自己的控制器中。用其他編程語言同樣可行，如C/C++。
圖2 Kuka接口封裝mxAutomation為久經(jīng)考驗(yàn)的控制界面如Siemens和Rockwell提供了無縫集成的界面
mxAutomation圖書館中也有機(jī)器人編程功能
mxAutomation圖書館的應(yīng)用程序接口（API）以PLC-Open運(yùn)動(dòng)控制功能模塊（MCFB）的編程為依托，針對(duì)Kuka機(jī)器人做出了專門的擴(kuò)展。幾乎所有可以直接在機(jī)器人上編寫的功能，也可以通過mxAutomation圖書館調(diào)出使用。因?yàn)橐环矫鏋槿缱x取機(jī)器人當(dāng)前的位置、速度和加速度的功能；另一方面為用來讀寫本地機(jī)器人E/A和變量功能。合理使用系統(tǒng)變量的一個(gè)實(shí)例是，小心地抓取工件或物品，同時(shí)使用與軸相關(guān)的扭矩限制也是一個(gè)有效方法。同時(shí)可以在mxAutomation配置范圍內(nèi)，將系統(tǒng)變量TORQMON_DEF分配給一個(gè)mxAutomation變量，然后通過KRC_SetSysVar加以描述。
對(duì)于機(jī)器人使用LIN、PTP或CIRC進(jìn)行軸向或笛卡爾操作方法時(shí)，有相應(yīng)的模塊可供使用。此時(shí)如精確的軌道切換動(dòng)作或中斷這樣的仔細(xì)打磨動(dòng)作也是可以的。對(duì)于機(jī)器人的手動(dòng)操作和Teachen特定的空間點(diǎn)還有一些功能，因而這些操作也可以由機(jī)器終端執(zhí)行。
可按用戶要求進(jìn)行定制擴(kuò)展
根據(jù)用戶意愿，Kuka-Engineering幫助用戶實(shí)現(xiàn)定制化的特殊功能模塊。如用戶出于對(duì)自身知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，為了使用到目前為止還沒有集成到mxAutomation中的基本機(jī)器人功能（如笛卡爾軟伺服“矢量移動(dòng)”或輸送機(jī)）或?yàn)榱送瓿蓮?fù)雜的機(jī)器人程序（如用戶特定的返回主頁策略）用戶可以訪問Kuka-Engineering。除輸送機(jī)般的功能性之外，其他的同步功能也在準(zhǔn)備中。
與類似機(jī)械控制器直接承擔(dān)對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置或機(jī)器人發(fā)動(dòng)機(jī)操作的解決方案相比，mxAutomation有一些優(yōu)勢(shì)。機(jī)械控制器無須掌握復(fù)雜的機(jī)器人轉(zhuǎn)換，也不必知道詳細(xì)的機(jī)械數(shù)據(jù)和機(jī)器人力學(xué)指標(biāo)。
mxAutomation可立即與所有基于KR-C4的Kuka機(jī)器人類型，即從KR Agilus到KR 1000 titan一同工作。
Kuka在機(jī)器人力學(xué)上擁有成熟、通用及有適配能力的系列產(chǎn)品：不同的作用范圍、不同的載荷、中控臺(tái)設(shè)計(jì)、機(jī)械臂延展、優(yōu)化的自重及其他內(nèi)容等。
機(jī)械控制器由于對(duì)機(jī)器人發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和機(jī)械部件的機(jī)械負(fù)載限度不清楚而可能導(dǎo)致提前停機(jī)的超載，這種危險(xiǎn)并不存在。此外，Kuka機(jī)器人控制器的所有優(yōu)點(diǎn)和特性機(jī)械控制器也全都擁有。
和一種經(jīng)常提到的假設(shè)不同，在機(jī)器控制器上直接做軌道計(jì)劃來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，與采用mxAutomation控制的運(yùn)動(dòng)相比沒有優(yōu)勢(shì)：原因在于串聯(lián)機(jī)器人的物理性自然惰性延遲，Kuka控制器的工作方式與機(jī)器人的機(jī)械力學(xué)配合得相當(dāng)默契。通過mxAutomation的規(guī)定，清晰地定義產(chǎn)品責(zé)任。
