基于PLC控制的FANUC機器人木架打釘工作站的設計

趙 豐，孝佩軍，周錢君，成 軍

（特雷通家具(嘉興)有限公司，浙江 嘉興 330400）

為了解決木架打釘生產線自動化程度不高、效率低的問題，企業一直在尋求一款沙發木架自動打釘設備。之前的衍架打釘設備在打平面有較好的效果，但在沙發木架打釘過程中，不僅有平面，還有復雜多變的曲面，此設備就不太實用。基于PLC與工業機器人的打釘系統，憑借其穩定的生產特性以及優越的柔性設計能很好地克服以上缺點。為此設計了一個以西門子PLC1200為控制器，FANUC機器人打釘的工作站。

1.機器人工作站的硬件設計

1.1 機器人工作站概述

本工作站主要由FANUC工業機器人、西門子PLC1200、MCGS觸摸屏、轉臺、加釘裝置等五大設備組成。其中，FANUC工業機器人負責工作站的木架打釘，其工作指令由PLC1200發出。西門子PLC1200 作為工作站的中樞，接收與處理觸摸屏、機器人和工作站傳感器所反饋來的信號，再經邏輯處理，輸出控制機器人和工作站運行的控制信號。MCGS觸摸屏為工作站的人機交互界面，主要用來選擇工作站的運行模式，以及控制轉臺旋轉，以及監控工作站運行狀態。轉臺主要用于木架的上件與下件，將木架從人工上料區送到機器人打釘工作區，實現流水線作業。加釘裝置為工作站的輔助設備，協助機器人完成自動加釘任務。

1.2 伺服電機選型

旋轉臺為長方體結構，重量M=30 kg,長L=2 m,高H=0.1 m,寬W=1 m，本次設計為6 s旋轉90°角，設計加速時間t=2 s,該模式下角加速度α=11.25°/s2.通過該要求配置伺服電機。

轉動慣量：

負載轉矩：

連續性運轉，安全系數設定為s=1.3，考慮安全系數后轉矩

電機側角速度：

電機側轉速:

電機輸出功率:

本次木架比較輕故不考慮木架慣量，最終選配1KW臺達伺服電機。

1.3 打釘、裝釘裝置設計

市場上暫無成熟的適配于機器人的自動打釘槍，通過研究、對比傳統打釘槍結構，設計了一款適用機器人六軸安裝的打釘槍（如圖1所示），并配套了槍釘補充站（如圖2所示）。通過補充站三個氣缸的配合，完成拉開槍夾，填充槍釘的一系列動作。實現了機器人長時間不間斷打釘工作，提高了工作站的運行節拍。

圖1 打釘槍

圖2 槍釘補充站

2.機器人工作站的軟件設計

2.1 工作站硬件組態

2.1.1 PLC1200與FANUC機器人硬件組態

本工作站軟件編程系統主要通過TIA Portal V15.1建立(以下簡稱V15.1)。將隨機文件自帶的機器人驅動GSD文件導入V15.1編程軟件中，打開V15.1,依次打開項目視圖→選項→管理通用站描述文件（GSD）→機器人GSD存儲路徑，然后新建一個項目，開始組態硬件設備，選擇硬件目錄下→ 其他現場設備 → PROFINET IO→I/O→FANUC→M20iD/25：A05B-2600-R834：FANUC Robot Controller(1.0)’’，新 建 一 條PROFINET子網，將PLC與FANUC機器人通過PROFINET子網連接起來。

2.1.2 MCGS觸摸屏硬件組態

MSGS觸摸屏暫沒有支持西門子編程軟件的驅動GSD文件，因此不在此處組態。通過McgsPro組態軟件(以下簡稱軟件)里進行設置，打開軟件，新建工程，選擇觸摸屏型號，在彈出的窗口中雙擊設備窗口，然后單擊工具欄上的工具箱，添加通用TCP/IP父設備，雙擊設備工具箱頁面里的設備管理器，在PLC類里增加siemens_1200，然后添加到父設備下面，接著添加PLC I/O通道，編輯變量表，組態完畢，開始設計觸摸屏畫面。

2.1.3 設備IP設為同一網段

本次機器人IP地址設為192.168.1.3，可以在V15.1硬件組態里面或機器人示教器里設置。MCGS觸摸屏IP設置為192.168.1.2，在McgsPro組態軟件里設置，PLC1200 IP地址設置為192.168.1.4，在V15.1設置，然后將其網線分別插入4口的以太網交換機。

2.1.4 網絡物理鏈路測試與下載

電腦網卡IP設置為192.168.1.5，分別與MCGS觸摸屏、PLC1200、機器人進行“ping”物理鏈路測試，打開電腦，按快捷鍵“windows+R”,在彈出的窗口里輸入“cmd”回車，接著輸入要測試的設備IP地址，測試成功后， 打開V15.1軟件進行硬件通訊測試，測試正常后下載硬件組態與PLC程序到PLC1200中。

2.2 PLC1200 編程

采用模塊化編程思想，通過OB1組織塊調用FB、FC各功能子塊，利用V15.1軟件封裝好的軸控制功能塊，提高編程的高效性。

2.2.1 轉臺旋轉控制

在V15.1編程軟件自動打釘項目下，選擇工藝對象-新增對象，在基本參數中，常規里選擇驅動器控制方式為“PTO”，測量單位為“°”，在驅動器窗口里設置參數，如圖3所示：

圖3 參數配置

在擴展屬性里設置電機每轉的脈沖數，本次采用了臺達的伺服電機，編碼器分辨率為2000 P/R,填入2000，根據渦輪蝸桿機械設計尺寸計算，電機每轉負載位移為0.5803°，本次只有兩個位置原點位（0°）與90°位置，設置兩個硬限位開關，在PLC的輸入點為%I0.4，%I0.5，一個感應開關（原點位），輸入點為%I1.0。本次選擇主動回原點，轉臺按反方向逼近感應開關，然后減速停止，在以設定的速度正方向接近感應開關，停止后再次減速，反方向接近感應開關，然后正方向低速回到原點位。

利用V15.1軟件封裝好的運動控制指令啟用/禁用軸指令MC_POWER,故障復位指令MC_RESET,回原點指令MC_HOME,軸點動指令MC_JOG,軸制動指令MC_HALT的外接接口端子編寫程序，實現對轉臺的定位控制。

2.2.2 PLC通訊程序

PLC1200與FANUC機器人配置的profinet通訊板卡進行信息交互，PLC根據機器人側的配置進行組態IO模塊，機器人第一個插槽是輸入模塊，PLC組態時第一模塊應為輸出模塊，本次選用64個字節進行信息交互，PLC1200添加64個輸入、輸出字節模塊如圖4所示。

圖4 I/0配置

FANUC機器人在配置profinet參數時，通訊數據長度應與PLC1200設置的一樣。本次啟用PNS作為程序號的調用，PLC1200只需發送三個指令：程序號、啟動信號、PNS信號，如機器人處在空閑狀態時，且系統沒有故障，即開始執行打釘程序。

2.2.3 機器人程序設計

（1）機器人作為 I/O device的配置。本次PLC1200為主站，FANUC機器人遠程I/O device ，配置過程：在示教器上，按下menu→I/O→Type→F1→Profinet,將光標移到Channel2,按下“→”，將Channel2展開，在I/O device選擇插槽1為DI 64字節，插槽2為DO 64字節。

（2）機器人配置自動加釘I/O。機器人與自動加釘裝置信號交互通過硬接線完成，機器人示教器，按下menu→I/O→數字，按確定后，在里面設置三個氣缸輸出信號,DO100,DO101,DO102,兩個感應器輸入信號DI100, DI101。

（3）機器人程序編寫。設置好程序原點，建立打釘槍上的TCP坐標，本次選用TCP坐標利于打釘槍的姿態調整，方便FANUC機器人打釘。編寫機器人回home位程序PNS0250、換釘程序、木架程序PNS0001/PNS0022、服務位程序，對軌跡點示教。

3.機器人工作站運行

初次上電，轉臺要進行回原點位，在操作臺上將旋鈕選擇到自動位置，在觸摸屏中，操作回原點。回到原點后，在上件位上好木架，雙手按壓啟動按鈕，轉臺開始旋轉，轉到機器人工作位置后（90°位置），機器人執行PLC發來的程序號對應的程序，開始打釘。打釘結束后，機器人檢測槍里是否有釘子。如檢測不到釘，機器人執行加釘程序。若檢測到，機器人回home，等待下次打釘工作。打釘結束后，轉臺帶著木架旋轉90°，回到轉臺原點位。操作員將打好的木架取下，進行檢查，合格后，將木架打包輸送到下一工位。

4.結語

本設計以PLC為工作站控制核心，旋轉平臺為工作界面，自動加釘裝置與氣動打釘槍配合，實現機器人工作站的木架打釘任務，不論是打釘效率還是打釘質量都較以前手工打釘時有了很大的提高，而且此制作方案對于其它家具自動化打釘也有著重要的指導意義。