基于G-code到KRL转换的双旧型KUKA机器人四轴CNC仿真可行性研究

《International Journal of Advanced Robotic Systems》：4-Axis CNC emulation with dual legacy KUKA robots via G-code-to-KRL translation

　　

本文开展了一项面向可行性的研究，探讨使用两台旧型KUKA工业机器人（KR16和KR5）实现协同式双机器人工作流，用于CNC风格的低载荷加工任务。该工作流包括从CAD模型生成G代码（G-code）、通过定制转换器翻译为KRL，以及通过集中式RS-232通信接口实现双机器人协调。KR16执行笛卡尔刀具运动，而KR5提供旋转B轴，在旧型KR-C2控制器上模拟四轴CNC布置。研究人员使用花泥进行了试验，并通过二维基于图像的差异图（DiffMap）相似度，将来自相应G代码的刀路参考渲染图与加工件照片进行比较，以评估形状保真度。Don Bosco半身像的相似度为75.00%，装饰猫头鹰为79.13%。结果表明，在低载荷条件下协同执行双机器人刀路具有实际可行性，但不应将其解释为CNC级加工精度或计量级尺寸验证。重复性评估、三维计量和更高载荷加工验证仍是未来工作。

工业机器人已在制造业中确立了精度、效率和自动化方面的新标准，但许多机械功能完好的旧型机器人因处理能力、连接性或通用性限制而被视为过时。已有改造研究表明，通过外部传感、软件驱动控制和定制交互接口，可以扩展旧型机器人的功能。KR5和KR16系列机器人原本用于搬运、焊接等重复性工业任务，其可编程柔性与可重复运动行为使其适合低载荷加工场景，例如雕刻、软材料铣削和原型制作。然而，机器人加工精度受姿态相关刚度、结构柔顺性、切削力振动和轮廓误差累积的限制；同时，控制器专用编程约束使CAM生成的轨迹难以直接执行。现有研究仍缺乏将G代码（G-code）转换为控制器原生机器人程序并保持协同多轴执行的端到端可复现流程，也缺乏无需专有实时扩展即可部署在旧控制器上的轻量同步架构。因此，本研究旨在通过软件级解释与再分配，将G代码翻译为KRL（KUKA机器人语言），并在两台旧型KUKA机器人之间实现协调执行，从而模拟四轴CNC加工行为。研究人员将KUKA KR16作为刀具机器人执行X–Y–Z笛卡尔运动，将KUKA KR5作为夹持与旋转底座提供B轴，在KR-C2控制器上实现协调式双机器人加工；通过离线Python转换器将Fusion 360生成的G代码转换为KRL，并利用RS-232接口实现集中式同步。在花泥上完成了Don Bosco半身像和装饰猫头鹰两个低载荷加工演示，使用二维DiffMap相似度评估形状保真度，分别获得75.00%和79.13%的相似度。结果表明，在低载荷条件下协同执行双机器人刀路具有实际可行性，但不应理解为CNC级精度或计量级尺寸验证。其意义在于为旧型工业平台的低成本改造和软件化集成提供了可复现的实例证据。

研究采用的主要关键技术方法包括：利用RoboDK对KR16与KR5进行工作空间重叠分析（两球半径分别为1.638 m和1.611 m，中心距3 m，交集体积约0.15416 m³）；设计PLA圆形夹持底座；用Python实现G代码预处理（删除共线中间点）和模块化G-code-to-KRL转换器，涵盖词法分析、坐标变换、KRL生成与校验和验证；使用PyQt5开发图形界面；通过RS-232串行协议（9600波特、8数据位、偶校验、1停止位）实现双控制器集中协调；采用基于图像的DiffMap相似度（IoU、SSIM_?、SSIM_I加权）评估形状保真度。试验样本为Oasis花泥块；Don Bosco模型取自在线资源，猫头鹰模型在Fusion 360中设计。

研究结果包括以下部分。

3.1 G-code-to-KRL转换器的保真度：转换系统在测试中将G01直线指令一致地解释为笛卡尔坐标X、Y、Z分配给KR16，并将旋转角B分配给KR5，未出现轨迹或参数丢失。当两机器人需要同时运动时，系统优先定位底座轴，再移动末端执行器，从而在测试条件下保持轨迹连续性。

3.2 过程监控与控制：通过Python图形界面验证了执行控制（开始、暂停、停止）、从任意指定行启动、实时暂停与恢复、安全停止、串口检测和进度条监控功能。恢复执行后，机器人从暂停点继续，未丢失同步或轨迹状态。

3.3 RS-232通信协议的有效性：在9600波特、偶校验等参数下，RS-232提供稳定顺序通信；校验和方案保障数据传输完整性。完整执行优化后的两个程序（17,082行和13,448行）时，执行速率分别约为79行/分钟和78行/分钟，未发现传输错误、数据丢失或机器人失同步事件。

3.4 第一项实验：Don Bosco半身像加工：原始G代码126,848行，优化后17,082行，减少86.5%。花泥块水平安装在KR5旋转平台上，先加工正面，再通过180°自动旋转加工背面，总耗时约3小时37分钟，执行速率约79行/分钟。

3.5 第二项实验：猫头鹰形象加工：原始G代码69,949行，优化后13,448行，减少80.7%。该模型具有更多曲面和细节，加工总耗时约2小时51分钟，执行速率约78行/分钟。系统在整个过程中保持同步和传输完整。

3.6 刀路参考渲染与加工件之间的基于图像几何相似度：通过DiffMap对刀路参考渲染图与加工件照片进行比较。Don Bosco半身像的全局相似度为75.00%，装饰猫头鹰为79.13%。蓝色区域占优表明局部图像一致性较高，黄色区域显示较大偏差；该结果仅作为二维形状保真度指标，不能替代三维计量或尺寸误差分析。

3.7 加工实验的对比分析：两项实验均使用花泥（密度约0.05 g/cm³），采用相同刀具和切削参数，并采用正面加背面两阶段旋转策略。优化分别减少86.5%和80.7%的代码行数，缩短了执行时间。由于没有基准系统，结果仅限内部比较，应解释为特定条件下的可行性证据，而非重复性统计验证。

在讨论部分，研究人员强调，DiffMap指标对视角、光照、取景和对齐质量敏感；共享参考系与TCP标定依赖人工操作，可能引入累积定位偏差；机器人加工本身刚度较低，尤其低载荷和集成主轴条件下更为明显。因此，所得相似度支持协同执行和近似形状复现的可行性，而非计量级误差表征。研究结论可翻译为：本文在旧型KUKA平台上提出并实验实现了一种由RS-232协调的双机器人工作流，用于四轴CNC仿真，其中KR16承担笛卡尔定位，KR5提供旋转B轴；离线G-code-to-KRL转换管线使CAM生成刀路能在旧型KR-C2控制器上执行，集中式握手机制支持两机器人在长程序中同步推进。花泥试验证明低载荷加工任务具有实际可行性；DiffMap形状保真度分别为75.00%和79.13%，G代码预处理显著缩短了程序执行时间。当前验证仅限于两个低载荷花泥案例，尚不能视为计量级精度或三维几何验证；同一几何的重复加工试验、三维扫描或坐标测量机检查以及更高切削载荷下的验证属于未来工作。总体而言，该贡献应解释为旧型机器人平台协调式低载荷软材料加工的可行性证据，而非针对专用CNC系统或现代机器人加工架构的精度、生产率或基准测试研究。