自 2010 年以來(lái)，庫(kù)卡一直采用 EtherCAT 技術(shù)作為所有庫(kù)卡機(jī)器人控制系統(tǒng)中的系統(tǒng)總線。最新的 KR AGILUS 機(jī)器人和 LBR iiwa 輕型機(jī)器人的緊湊型控制器也是在 EtherCAT 基礎(chǔ)上實(shí)施的。
Beckhoff 基于工業(yè)以太網(wǎng)的 EtherCAT因而可以作為整個(gè)當(dāng)前庫(kù)卡控制系統(tǒng)范圍內(nèi)的基礎(chǔ)技術(shù)集成。
1996 年，庫(kù)卡機(jī)器人有限公司成為第一家引進(jìn)完全基于 Windows PC的機(jī)器人控制系統(tǒng)的機(jī)器人制造商。第一代控制系統(tǒng)的成功很大程度上可以歸因于使用了廣為辦公室用戶(hù)所熟悉和客戶(hù)接受的 Windows技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直觀操作指導(dǎo)，以及 PC 技術(shù)的高性能。憑借消費(fèi)品市場(chǎng)中的 IT 產(chǎn)品，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高創(chuàng)新能力和高性能。就新一代的庫(kù)卡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，除了 Windows 和 PC — 即通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的通用通信，還采用了 IT 領(lǐng)域里更加成熟的技術(shù)，這不得不說(shuō)是一個(gè)巨大的進(jìn)步。需要一個(gè)功能非常強(qiáng)大、高速、高確定性的總線系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)的內(nèi)部通信。為此，自 2010 年以來(lái)，庫(kù)卡一直采用 EtherCAT 作為 KR C4 系列控制系統(tǒng)的系統(tǒng)總線，以確保高性能和開(kāi)放性。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線通常用于機(jī)器人控制系統(tǒng)在 I/O、蜂巢和設(shè)備層的外部通信，從而將機(jī)器人完全集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)通常由客戶(hù)指定，而機(jī)器人控制系統(tǒng)則必須能夠與所選擇的技術(shù)連接。
借助于完全集成的“KUKA.VisionTech”視覺(jué)系統(tǒng)，機(jī)器人也可以在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中靈活應(yīng)用。
然而，在一個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)不同組件（如驅(qū)動(dòng)器和位置
編碼器）之間也需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸，以便能夠?qū)嵤?duì)實(shí)時(shí)性能要求較高的控制和調(diào)節(jié)任務(wù)。此外，內(nèi)部設(shè)備必須為安全技術(shù)和控制基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行信息交換，更不用說(shuō)顯示和操作。為此在上一版本的 KR C4 機(jī)器人控制系統(tǒng)中要用到不同的通信技術(shù)，從而導(dǎo)致使用大量不同的插頭和電纜。
在規(guī)劃目前這套庫(kù)卡控制系統(tǒng)時(shí)詳細(xì)考慮了這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)也考慮到當(dāng)前以太網(wǎng)技術(shù)的能力能否以較高的數(shù)據(jù)傳輸速率滿(mǎn)足實(shí)時(shí)和安全性，所有這些都具有 IT 領(lǐng)域所熟悉特點(diǎn)。此外，以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是不同的協(xié)議可以通過(guò)一根線傳輸，這將大大降低系統(tǒng)中使用的電纜數(shù)量。
該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo)是使用盡可能少的數(shù)量的不同通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線層的外部通信和內(nèi)部通信，以實(shí)現(xiàn)精益化設(shè)計(jì)。庫(kù)卡的目標(biāo)是避免使用專(zhuān)有技術(shù)，而是能夠使用最廣為接受和開(kāi)放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，性能受限的硬件需要用智能軟件功能取代，而這之所以成為可能，是由于現(xiàn)代多核 PC 具有很高的計(jì)算能力。更少的硬件意味著可以延長(zhǎng) MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）以及降低開(kāi)發(fā)成本、單價(jià)及物流成本。這些標(biāo)準(zhǔn)化使得所需的硬件組件的數(shù)量減少了 33％，使用的插頭連接器和電纜數(shù)量減少了 50％ 之多。
與現(xiàn)場(chǎng)層通信：軟件堆棧或網(wǎng)關(guān)？
通過(guò) PC 中業(yè)已存在的以太網(wǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)總線與基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線（如 PROFINET 或 EtherNet/IP）的鏈接可以完全通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，而不是使用更昂貴的專(zhuān)用硬件。因此，針對(duì)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線（如 PROFIBUS或 DeviceNet）的接口不是通過(guò)在控制器上安裝插卡集成，而是通過(guò)I/O 系統(tǒng)中的 EtherCAT 通信網(wǎng)關(guān)集成。
以太網(wǎng)和 EtherCAT 用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信以及與傳感器、執(zhí)行器和 I/O的通信
所有內(nèi)部通信以及與下位 I/O 之間的通信都通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或 EtherCAT實(shí)現(xiàn)。因此，KR C4 機(jī)器人控制系統(tǒng)的通用總線物理層（電纜、插頭和以太網(wǎng)控制器芯片）中僅使用了兩個(gè)不同但標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。標(biāo)
準(zhǔn)的以太網(wǎng)在內(nèi)部用于尋址庫(kù)卡手持控制器，用于連接和同步庫(kù)卡RoboTeam 組內(nèi)的多個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)或連接一臺(tái)工程筆記本電腦。
除了標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)之外，EtherCAT 通訊技術(shù)的使用是非常必要的，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)已不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性能力和支持工業(yè)安全協(xié)議的要求。EtherCAT 用作內(nèi)部驅(qū)動(dòng)
總線，用于控制和監(jiān)測(cè)機(jī)器人和位置編碼器的驅(qū)動(dòng)器。此外，EtherCAT 還可用于控制針對(duì)機(jī)器人安全的或SmartPad 安全相關(guān)的操作元件的內(nèi)部安全組件。另外還為用戶(hù)集成了一個(gè)與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線連接的 EtherCAT 主站接口，用于給本地 I/O 模塊或網(wǎng)關(guān)尋址。
在 Meiller Aufzugtüren 公司的機(jī)器人應(yīng)用中，兩個(gè)“庫(kù)卡 KR QUANTEC K”機(jī)器人負(fù)責(zé)完成所有生產(chǎn)步驟：凸焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、沖壓、成型，最后堆垛準(zhǔn)備安裝的門(mén)
為什么選擇 EtherCAT？
之所以選擇 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)和安全通信技術(shù)，主要是因?yàn)榕c其它實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)相比較，EtherCAT 具有一系列非常適合庫(kù)卡發(fā)展目標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。例如，EtherCAT 在主站中無(wú)需特殊接口，只有在從站中才需要。在主站中，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的
以太網(wǎng)控制器就已足夠，在 KR C4 的PC 中使用了大量以太網(wǎng)控制器。所需的插頭和電纜也與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相同，從而降低成本并提高操作簡(jiǎn)單性。
由于其特殊的“即時(shí)處理”技術(shù)，EtherCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸率，可以充分利用 100 Mbits/s 最大可能的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率。這樣很多功能都能夠用軟件在主控 PC 上執(zhí)行，否則將不得不使用昂貴的專(zhuān)用硬件組件。
EtherCAT 專(zhuān)用的安全協(xié)議 Safety over EtherCAT（FSoE）可以通過(guò) EtherCAT和以太網(wǎng)進(jìn)行通信。FSoE 使基于 PC 和中央 KR C4 的安全控制系統(tǒng)（同樣也完全用軟件執(zhí)行）控制所有安全相關(guān)的外圍設(shè)備，如針對(duì)機(jī)器人安全的本地安全模塊或 SmartPad 中安全相關(guān)的操作元件。除了 PROFINET 和 EtherNet/IP 現(xiàn)場(chǎng)總線之外，EtherCAT 是一種應(yīng)用范圍最為廣泛的基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信技術(shù)，在全球擁有大量用戶(hù)。因此，可以使用市面上 EtherCAT 技術(shù)協(xié)會(huì)（ETG）成員提供的 EtherCAT從站設(shè)備。這使得無(wú)數(shù)基于 EtherCAT 的新型自動(dòng)化解決方案能夠使用來(lái)自許多廠商的高性能設(shè)備。連續(xù)性也是選擇 EtherCAT 的一個(gè)重要原因，因?yàn)橄到y(tǒng)建成后，無(wú)需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議或 ASIC 進(jìn)行“版本修改”。
作者：來(lái)自
庫(kù)卡機(jī)器人有限公司的高級(jí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師 Bernd Fiebiger 和Heinrich Munz(e
